中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：某試驗(yàn)架因工藝布局要求，結(jié)構(gòu)體系必須為大跨度無橫向支撐高聳結(jié)構(gòu)，并且作為承載三維隨動(dòng)系統(tǒng)桁車行走的軌道基礎(chǔ)，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現(xiàn)行規(guī)范，特別是在工作風(fēng)速下特定頻域段結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)態(tài)相應(yīng)將對試驗(yàn)的精度產(chǎn)生很大影響。本文在對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行靜動(dòng)力及爆炸分析的基礎(chǔ)上，將工作狀態(tài)下脈動(dòng)風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的特定頻域段內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析研究，得出了相應(yīng)的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：試驗(yàn)架 爆炸分析 靜動(dòng)力分析 特定頻域段動(dòng)態(tài)相應(yīng)
某試驗(yàn)架因工藝布局要求，該結(jié)構(gòu)體系必須為大跨度無橫向支撐高聳結(jié)構(gòu)，并且作為承載三維隨動(dòng)系統(tǒng)桁車行走的軌道基礎(chǔ)，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現(xiàn)行規(guī)范，特別是在工作風(fēng)速下特定頻域段結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將對試驗(yàn)的精度產(chǎn)生很大影響，因此必須對該結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行專門的分析和研究。
1 工藝技術(shù)要求
試驗(yàn)架主體結(jié)構(gòu)可用于試驗(yàn)的有效內(nèi)部空間100m(長)×20m(寬)×80m(試驗(yàn)凈高)，塔架設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮一定的安全距離。圖1為試驗(yàn)架空間要求示意圖。試驗(yàn)架主體結(jié)構(gòu)及設(shè)備不能進(jìn)入圖2所
示的L2、L3、L4區(qū)域造成遮擋。L4區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)域，在試驗(yàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)及設(shè)備的陰影不能落在L4區(qū)域。
圖1 試驗(yàn)架空間要求示意圖(大跨度高聳試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)方案)
圖2 試驗(yàn)場區(qū)圖（平面圖）
根據(jù)內(nèi)部有效空間要求和隨動(dòng)裝置自身結(jié)構(gòu)狀況，結(jié)構(gòu)只能采用高聳且無橫向支撐的體系，在結(jié)構(gòu)主體上，設(shè)置大移動(dòng)橋作為一級隨動(dòng)系統(tǒng)，在一級隨動(dòng)系統(tǒng)上設(shè)置雙向齒輪齒條作為二級縱向移動(dòng)平臺和橫向移動(dòng)橫梁；二級隨動(dòng)裝置下面吊掛快速驅(qū)動(dòng)裝置和探測器，為保證快速隨動(dòng)裝置和探測器在移動(dòng)過程中可保證一定的剛度，下部采用六根施加了預(yù)應(yīng)力的鋼絲繩，通過特定的控制機(jī)構(gòu)將其預(yù)應(yīng)力控制在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。一級水平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的載荷為90T，二級水平隨動(dòng)系統(tǒng)縱向移動(dòng)載荷42T，橫向移動(dòng)載荷為60T，快速水平隨動(dòng)系統(tǒng)兩座標(biāo)承載分別為2.5 T和4T。地面驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單根鋼絲繩拉力為3T。
另外，除需滿足國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)外，整個(gè)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可靠性，當(dāng)以試驗(yàn)用推進(jìn)劑（TNT炸藥當(dāng)量4.5kg）爆炸時(shí)塔架結(jié)構(gòu)主體必須能保證完整性和安全性，在進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)和維修后可以重新進(jìn)行試驗(yàn)。
2 結(jié)構(gòu)體系分析
2.1結(jié)構(gòu)方案
根據(jù)試驗(yàn)場對塔架的條件要求，主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)空間剛架，對于高聳的塔架結(jié)構(gòu)采用此種形式具有受力清晰，風(fēng)阻系數(shù)小，整體穩(wěn)定性強(qiáng)，美觀大方等優(yōu)點(diǎn)。本結(jié)構(gòu)方案采用兩榀外伸腿門式空間鋼桁架支撐兩根吊車桁架梁（凈主跨70m）外加門式鋼桁架平面外斜支撐組成，兩榀吊車桁架梁端部采用桁架連接。主要控制尺寸如下：1）外伸腿門式鋼桁架跨度上部為26m，下部為70m（兩邊各外伸22m），最頂端標(biāo)高為98m；支腿截面尺寸為6mx6m，上部鋼桁架截面為6mx4m。2）兩根吊車桁架梁截面為6m×5m～6m×10m的變截面鋼桁架，其外側(cè)與門式鋼桁架連接，吊車桁架梁頂標(biāo)高為90m，兩端封口鋼桁架截面為5mx5m。3）門式鋼桁架平面外斜支撐截面為6mx5m。空間示意、平面位置圖分別見圖3、圖4。
圖3 試驗(yàn)架空間示意圖(大跨度高聳試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)方案)
圖4 試驗(yàn)場區(qū)圖（平面圖）
2.2荷載分析、工況組合及靜動(dòng)力初步分析結(jié)果
主材暫定選用Q235-C鋼，擬采用無縫鋼管，因?yàn)?/span>H型鋼的風(fēng)阻系數(shù)較圓鋼管稍大，外觀上也更加美觀，所以以采用圓鋼管為主。主要截面尺寸：Φ450×12，Φ250×10。
1）自然條件：抗震設(shè)防烈度：8度；設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g；設(shè)計(jì)地震分組：第一組；基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2;場地類別（Ⅲ類）。
2）荷載分析：恒荷載：包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、吊車（一、二級隨動(dòng)系統(tǒng)，下同）自重、燈具及吊繩自重、檢修通道等自重；活荷載：快速隨動(dòng)裝置、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀z修荷載、動(dòng)力沖擊荷載（吊車制動(dòng)、平臺小車制動(dòng)、輔助隨動(dòng)橫向制動(dòng)荷載等）；風(fēng)荷載；地震荷載；局部爆炸沖擊荷載等。
3）荷載工況組合：根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行荷載組合；主要計(jì)算工況：
DL+吊車（含隨動(dòng)）＋工作條件水平力＋工作狀態(tài)風(fēng)荷載；
DL+吊車（含隨動(dòng)）＋極限狀態(tài)水平力；
DL+吊車（含隨動(dòng)）＋極限狀態(tài)垂直力；
DL+吊車＋地震荷載（含風(fēng)荷載組合）；
DL+吊車＋風(fēng)荷載；
DL+吊車＋爆炸荷載（含沖擊超壓分析、不含破片沖擊）；
部分靜動(dòng)力分析結(jié)果見圖5：
圖5 模態(tài)1(1/s)(大跨度高聳試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)方案)
圖6 模態(tài)2(1/s)
圖7 恒活荷載最大豎向位移(m)
圖8 Y向地震位移圖(m)
經(jīng)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)前三振型周期分別為2.09、1.97和1.58s，其中前兩個(gè)振型為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，較為合理；工作狀態(tài)最大垂直位移為38mm，滿足工藝條件要求；地震位移及風(fēng)荷載引起的位移均滿足高聳規(guī)范的要求，吊車水平制動(dòng)力引起的位移亦滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。
2.3爆炸作用分析
根據(jù)工藝條件，相關(guān)爆炸沖擊波的荷載見表1。
當(dāng)爆點(diǎn)在距離其中一個(gè)支腿最近（27.5m）處為最不利工況，支腿所受沖擊波超壓最大值見表1。
當(dāng)爆點(diǎn)在距離桁架底最近（15m）處為最不利工況，桁架所受沖擊波超壓最大值見表2。
表1 支腿沖擊波超壓表
表2 桁架沖擊波超壓表
經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)發(fā)生爆炸時(shí)塔架結(jié)構(gòu)主體能保證完整性和安全性，在進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)和維修后可以重新進(jìn)行試驗(yàn)。
3 特定頻域段脈動(dòng)風(fēng)作用分析研究
3.1格構(gòu)式平臺結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)分析方法
已有研究表明，準(zhǔn)定常假設(shè)適合于描述作用在格構(gòu)式結(jié)構(gòu)上的脈動(dòng)風(fēng)荷載，可以直接用來流的脈動(dòng)風(fēng)速譜描述塔架表面的脈動(dòng)風(fēng)荷載，基于脈動(dòng)風(fēng)速譜，通過計(jì)算機(jī)模擬風(fēng)速時(shí)程，采用隨機(jī)模擬時(shí)程分析方法分析塔架結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)是切實(shí)可行的，該主要分析步驟為：1）根據(jù)風(fēng)荷載的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，人工生成具有特定頻譜密度和空間相關(guān)性的風(fēng)速時(shí)程V(t)，并轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓時(shí)程作用在結(jié)構(gòu)上；2）根據(jù)激勵(lì)樣本在時(shí)域內(nèi)采用Newmark逐步積分法對運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，得到每一時(shí)間步的節(jié)點(diǎn)位移 、速度 和加速度 ；3）對響應(yīng)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定風(fēng)振響應(yīng)的均值、均方差和相應(yīng)的頻譜特性。這種方法原則上適用于任意系統(tǒng)和任意激勵(lì)，并且可以得到較完整的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)全過程信息。
3.2 結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載模擬
風(fēng)包括兩種成分：平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)。風(fēng)荷載的時(shí)程曲線模擬也即包括平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓模擬兩部分。結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的平均風(fēng)速可以根據(jù)基本風(fēng)速、地面粗糙度類別及結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的高度，根據(jù)風(fēng)速剖面的指數(shù)律確定。在此基礎(chǔ)上考慮體型系數(shù)的影響，結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的平均風(fēng)壓即可確定。確定結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)荷載必須首先給出各點(diǎn)處的風(fēng)速時(shí)程曲線。結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的風(fēng)速過程組成了一個(gè)隨機(jī)過程矢量，即風(fēng)場對具有時(shí)間和空間相關(guān)性的風(fēng)場應(yīng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。
脈動(dòng)風(fēng)速向量可表示為：
式中：C是一個(gè)三角形矩陣，其元素由互相關(guān)函數(shù)確定； 
是由互不相關(guān)的脈動(dòng)風(fēng)速過程組成的向量。
3.3 風(fēng)工程分析結(jié)果
平臺風(fēng)荷載的基本條件
1）風(fēng)速模擬條件：平均風(fēng)速：3.5m/s；地貌條件：B類；時(shí)間間距：0.01s（最大可辨識頻率為50Hz）。
2）平臺各部分的擋風(fēng)系數(shù)及體型系數(shù)：1.76～1.85。
采用線性自回歸過濾器的模擬技術(shù)，對格構(gòu)式平臺各點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，并可將其轉(zhuǎn)化為風(fēng)荷載時(shí)程作用下結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)位置。根據(jù)試驗(yàn)架的結(jié)構(gòu)形式及空間組成，選取了146個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)速模擬，考慮到這些節(jié)點(diǎn)之間的脈動(dòng)風(fēng)速空間相關(guān)性，匯總了平臺8個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速模擬結(jié)果（圖10），其這些節(jié)點(diǎn)的位置如圖9所示。
圖9 風(fēng)速模擬典型節(jié)點(diǎn)
圖10脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程典型曲線
進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析。動(dòng)力時(shí)程分析的基本參數(shù)為：阻尼比取值為 
；時(shí)間步長
，時(shí)間步為1200步。分析過程中，著重考慮了典型位置節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)、典型單元的應(yīng)力響應(yīng)和典型支座的反力響應(yīng)，給出了響應(yīng)時(shí)程、響應(yīng)的譜密度和響應(yīng)中周期為30ms~40ms之間的響應(yīng)成分的分布特征，部分結(jié)果見圖11、圖12。
圖11 8點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)作用下位移響應(yīng)曲線及響應(yīng)譜
圖12 8點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)作用下30～40ms頻域位移響應(yīng)曲線及局部桿件應(yīng)力響應(yīng)曲線
3.4 小 結(jié)
在10m高度處風(fēng)速為3.5m/s的條件下，通過對平臺結(jié)構(gòu)的風(fēng)振時(shí)程響應(yīng)分析，有以下主要結(jié)論：
1)從響應(yīng)幅值大小來看：在此風(fēng)速條件下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移幅度（在高度的1/15000以下）、單元應(yīng)力響應(yīng)和支座反力都比較小。
2)從位移響應(yīng)、單元應(yīng)力和支座反力響應(yīng)的譜密度曲線來看，風(fēng)振響應(yīng)中，前兩階振型占主導(dǎo)地位，占總量的85％以上。
3)從目前已進(jìn)行的研究來看，位移響應(yīng)、單元應(yīng)力和支座反力響應(yīng)中，周期為30ms~40ms之間的響應(yīng)成分占總響應(yīng)的比例很小，在10－6以下。
4 結(jié)論及建議
通過對結(jié)構(gòu)主體靜動(dòng)力及爆炸分析，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可滿足國家現(xiàn)行規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及工藝條件要求；工作狀態(tài)下特定頻率段內(nèi)結(jié)構(gòu)主體因脈動(dòng)風(fēng)引起的響應(yīng)很小，可以認(rèn)為不影響隨動(dòng)系統(tǒng)的正常工作，這是由于結(jié)構(gòu)主體的前3階振型對響應(yīng)效應(yīng)起主要作用的特性決定的。鑒于本分析僅僅考慮風(fēng)速為3.5m/s的工況，此時(shí)對應(yīng)的風(fēng)荷載值非常小，風(fēng)振效應(yīng)不明顯，建議開展在最大設(shè)計(jì)風(fēng)速條件下，塔架平臺的風(fēng)振子項(xiàng)研究。
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（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）
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