徐 宏，郭 敏

(中國中鐵一局有限公司，陜西 西安 710054)

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連續(xù)鋼桁梁懸拼施工中人體對振動的適應(yīng)性研究

徐 宏，郭 敏

(中國中鐵一局有限公司，陜西 西安 710054)

針對連續(xù)鋼桁梁懸拼施工中的風(fēng)荷載效應(yīng)問題，以某下承式連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋懸拼施工為工程背景，建立三維有限元模型，分析了在不同風(fēng)速時程作用下的動力響應(yīng)對施工人員的影響。結(jié)果表明，橫向風(fēng)荷載是引起結(jié)構(gòu)橫橋向水平支反力的主要因素，而結(jié)構(gòu)在三至六級風(fēng)荷載作用下引起的橫向振動不會對人體造成明顯不適。

連續(xù)鋼桁梁；懸臂拼裝；風(fēng)荷載作用；人體感受

0 引 言

平均風(fēng)[1]對結(jié)構(gòu)的作用通常被模擬成靜力荷載，用來計算結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力、變形和屈曲穩(wěn)定性；脈動風(fēng)[2]對結(jié)構(gòu)的作用通常被模擬成為動力荷載，主要用來計算結(jié)構(gòu)在動風(fēng)荷載作用下的各種響應(yīng)。在鋼桁梁懸拼施工中，分析平均風(fēng)和脈動風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)，確定施工各階段結(jié)構(gòu)強度、變形、穩(wěn)定性狀況及動力響應(yīng)，對保證結(jié)構(gòu)強度安全和施工人員的適應(yīng)性至關(guān)重要[3-4]。本文通過對某鋼桁梁懸拼施工仿真計算，分析橫向風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及屈曲穩(wěn)定性的影響。以風(fēng)洞試驗獲得的實測風(fēng)速時程模擬不同風(fēng)級風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的作用，計算結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)風(fēng)致振動的加速度，進而評估施工人員在不同風(fēng)級環(huán)境中身體的適應(yīng)情況[5-6]。

1 工程概況

某跨徑112 m+3×168 m+112 m下承式剛性連續(xù)梁柔性拱橋，主桁梁高16.0 m，節(jié)長14.0 m，圓曲線柔性拱矢高30 m，矢跨比為1/4.67，采用鑄鋼滑板支座，3號墩處為固定支座，其余為活動支座。

大橋第五跨鋼梁在鋼管樁平臺上完成拼裝，然后自左向右依次節(jié)段懸拼鋼桁梁及橋面板，并在一至四跨跨中布設(shè)鋼筋混凝土臨時支墩。當鋼梁拼裝完畢后，在二至四跨橋面搭設(shè)膺架，完成拱肋及橫向聯(lián)結(jié)系安裝，大橋總體布置如圖1所示。

施工過程仿真計算采用“恒載+施工荷載+靜風(fēng)荷載+溫度荷載”的方式進行分析。恒載取結(jié)構(gòu)自重；施工荷載取吊機靜荷載，簡化成4個集中力荷載，前支點集中力分別取750 kN，后支點集中力分別取250 kN；靜風(fēng)荷載只考慮橫向靜風(fēng)荷載；溫度荷載取系統(tǒng)平均溫差7 ℃，初始溫度21 ℃。

2 風(fēng)荷載作用分析

2.1 結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)分析時域法

脈動風(fēng)對大跨徑橋梁的動力響應(yīng)較為顯著，尤其是橋梁的橫向動力響應(yīng)，主要受橫向脈動風(fēng)荷載控制，且隨風(fēng)速的增大而增大。橋梁風(fēng)振響應(yīng)分析方法主要有頻域分析法和時域(程)分析法，頻域分析法把結(jié)構(gòu)和風(fēng)的相互作用看作線性時不變系統(tǒng)，通常忽略自激力和振型之間的耦合且不考慮結(jié)構(gòu)的非線性；而時域分析法把風(fēng)速時程作用于橋梁結(jié)構(gòu)進行風(fēng)振響應(yīng)分析，能較好地考慮非線性因素[7]，因此通過風(fēng)洞試驗或者現(xiàn)場實測獲得風(fēng)速時程時，時域分析方法則有一定的優(yōu)勢。鑒于鋼桁梁的構(gòu)造特點，其桁架結(jié)構(gòu)風(fēng)的通過性較好，為簡化計算，可以將風(fēng)荷載近似模擬成為作用于桁架結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)沖擊荷載進行分析。

對橋梁進行風(fēng)致響應(yīng)時程分析的關(guān)鍵是獲得相應(yīng)的風(fēng)速時程曲線。通過風(fēng)洞試驗獲得風(fēng)速時程是目前較為可靠的技術(shù)手段之一，風(fēng)速儀實測記錄的風(fēng)速時程統(tǒng)計樣本可近似描述對應(yīng)平均風(fēng)速下脈動風(fēng)的經(jīng)歷過程，將其作為脈動風(fēng)的統(tǒng)計特征?；谠摻y(tǒng)計數(shù)據(jù)可近似模擬不同風(fēng)速的時程曲線，進而計算結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

2.2 脈動風(fēng)荷載的生成

通過風(fēng)洞試驗獲得六級風(fēng)(上限風(fēng)速為13.8 m·s-1)的風(fēng)速時程曲線，如圖2所示。對應(yīng)于ti時刻的風(fēng)速為Vi，記錄風(fēng)速儀實測的脈動風(fēng)速序列為(Vi)，i=1,2，…，m，其中m為連續(xù)風(fēng)速參數(shù)組數(shù)。該風(fēng)速時程的平均風(fēng)速為

(1)

(2)

式中：V0為風(fēng)洞試驗獲得的脈動風(fēng)的平均風(fēng)速；ti為風(fēng)速時程第i個時間步的末點時刻；Vi為ti時刻實測的風(fēng)速值；F(V0,ti)為V0作用到結(jié)構(gòu)側(cè)向產(chǎn)生的總風(fēng)荷載；F(Vi,ti)為Vi作用于結(jié)構(gòu)側(cè)向產(chǎn)生的總風(fēng)荷載；{F(V0,ti)}和{F(Vi,ti)}分別為風(fēng)速V0、Vi作用下結(jié)構(gòu)承受的側(cè)向風(fēng)荷載時程。

通過該方法可獲得風(fēng)力等級為三、四、五級風(fēng)的上限風(fēng)速時程序列，并分別將該風(fēng)速時程計算得到的脈動荷載作為激勵對結(jié)構(gòu)進行動力響應(yīng)分析。

2.3 橫向脈動風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計算

2.3.1 風(fēng)致振動有限元模型建立

結(jié)合施工實際，建立最大懸臂拼裝施工工況下結(jié)構(gòu)三維ansysy有限元模型，如圖3所示。將橋面板等效成恒載并轉(zhuǎn)換成橫梁質(zhì)量密度作用在結(jié)構(gòu)上，其余桿件均采用Beam4梁單元建模，鋼桁梁全長168 m，鋼桁梁節(jié)段長14 m，懸臂長度為84 m，固定端約束為固結(jié)，懸臂根部約束為鉸接。橫向風(fēng)荷載等效成節(jié)點力施加在鋼桁梁上下弦主節(jié)點上。

2.3.2 橫向脈動風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算

(1) 根據(jù)實測風(fēng)速時程，生成脈動風(fēng)荷載序列{F(Vi,ti)}。

(2) 將生成的脈動風(fēng)荷載等效成節(jié)點集中荷載序列施加在鋼桁梁上、下弦主節(jié)點上。

(3) 應(yīng)用Ansys瞬態(tài)動力分析功能計算結(jié)構(gòu)在上述激勵下的位移響應(yīng)，時間步取0.5 s，位移響應(yīng)取懸臂端下弦主節(jié)點處位移響應(yīng)值。

(4) 由位移響應(yīng)生成每時間步0.5 s內(nèi)橫向平均位移對應(yīng)的數(shù)據(jù)序列φ(ti)，i=0,0.5,1,…，63.5,64。

(5) 計算結(jié)構(gòu)在每個時間步0.5 s內(nèi)橫向振動加速度序列。

強迫振動下結(jié)構(gòu)懸臂端下弦節(jié)點橫向振動速度序列按式(3)計算

(3)

式中：φ(ti)、φ(ti-1)分別為ti、ti-1時刻結(jié)構(gòu)橫向位移；Δt為有限元分析中實際采用的時間步長(ti-ti-1)，本算例取值0.5 s。

得到對應(yīng)的橫向振動加速度

(4)

結(jié)構(gòu)懸臂端下弦節(jié)點在風(fēng)速分別為5.4、7.9、10.7 m·s-1和13.8 m·s-1時的橫向位移響應(yīng)曲線和振動加速度曲線如圖4～11所示。

2.4 風(fēng)荷載對施工人員的影響

大跨度鋼桁梁橋在懸拼施工過程中常會出現(xiàn)晃動現(xiàn)象，給施工人員造成不同程度的心理影響。人體對振動的敏感性主要由振動加速度決定，當鋼梁的振動加速度達到一定程度時，橋上的作業(yè)人員會產(chǎn)生不適。一般情況下，一、二級風(fēng)不會對施工造成任何影響，且施工規(guī)范要求風(fēng)力大于六級時必須停止施工，所以只需要考慮三到六級風(fēng)對施工人員的影響情況。不同等級橫風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)懸臂端下弦節(jié)點的橫向最大位移及振動加速度計算結(jié)果見表1。

表1 橫向最大位移及振動加速度

研究表明，人體可明顯感知的側(cè)向振動加速度為0.12 m·s-2，人體能夠接受的最大側(cè)向振動加速度為0.2 m·s-2。表1計算結(jié)果表明，在三到六級風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)懸臂端下弦節(jié)點橫向最大振動加速度為0.012 m·s-2，顯然，人體均不會因結(jié)構(gòu)側(cè)向振動而感覺明顯不適。

3 結(jié) 語

通過計算分析，可以得出以下主要結(jié)論。

(1) 懸臂拼裝施工階段橫向靜風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、支反力均比較小，其最大值基本都在懸臂梁根部截面。橫向風(fēng)荷載可引起結(jié)構(gòu)明顯的橫向偏位，最大偏位均發(fā)生在懸臂梁的懸臂端。

(2) 鋼桁梁結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積較其他梁類型結(jié)構(gòu)偏小，而橫向抗彎剛度較大，因此風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)橫向變形較小，84 m長懸臂端橫向最大位移為0.014 m，為懸臂長度的1/6 000。

(3) 橫向脈動風(fēng)荷載會引起結(jié)構(gòu)橫向振動，但當風(fēng)速等級小于六級時，結(jié)構(gòu)橫向振動不會引起施工人員身體出現(xiàn)明顯不適。

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[責任編輯:杜敏浩]

Research on Human Adaptability to Vibration During Cantilever Assembling of Continuous Steel Truss Girder

XU Hong, GUO Min

(China Railway First Group Co. Ltd., Xi’an 711054, Shaanxi, China)

Aimed at the wind load effect problem during the cantilever assembling construction of continuous steel truss girder, an under-supported continuous steel truss girder bridge with flexible arch was taken to build a 3D finite element model and analyze how the dynamic response under different wind speeds affects the construction workers. The results show that the horizontal wind load is the key factor that causes structure horizontal reaction force, while the transverse vibration caused by the wind load under level 3 to 6 won't discomfort workers noticeably.

continuous steel truss girder; cantilever assembling; wind load effect; body feeling

1000-033X(2015)04-0077-04

2014-11-15

國家自然科學(xué)基金(50808018)；陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2012KCT-27)

U445.4

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