鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：某試驗架因工藝布局要求，結構體系必須為大跨度無橫向支撐高聳結構，并且作為承載三維隨動系統桁車行走的軌道基礎，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現行規范，特別是在工作風速下特定頻域段結構體系的動態相應將對試驗的精度產生很大影響。本文在對結構體系進行靜動力及爆炸分析的基礎上，將工作狀態下脈動風作用在結構上產生的特定頻域段內的動態響應進行了分析研究，得出了相應的結論。
關鍵詞：試驗架 爆炸分析 靜動力分析 特定頻域段動態相應
某試驗架因工藝布局要求，該結構體系必須為大跨度無橫向支撐高聳結構，并且作為承載三維隨動系統桁車行走的軌道基礎，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現行規范，特別是在工作風速下特定頻域段結構體系的動態響應將對試驗的精度產生很大影響，因此必須對該結構體系進行專門的分析和研究。
1 工藝技術要求
試驗架主體結構可用于試驗的有效內部空間100m(長)×20m(寬)×80m(試驗凈高)，塔架設計時需要考慮一定的安全距離。圖1為試驗架空間要求示意圖。試驗架主體結構及設備不能進入圖2所
示的L2、L3、L4區域造成遮擋。L4區域為試驗區域，在試驗時，結構及設備的陰影不能落在L4區域。
圖1 試驗架空間要求示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)
圖2 試驗場區圖（平面圖）
根據內部有效空間要求和隨動裝置自身結構狀況，結構只能采用高聳且無橫向支撐的體系，在結構主體上，設置大移動橋作為一級隨動系統，在一級隨動系統上設置雙向齒輪齒條作為二級縱向移動平臺和橫向移動橫梁；二級隨動裝置下面吊掛快速驅動裝置和探測器，為保證快速隨動裝置和探測器在移動過程中可保證一定的剛度，下部采用六根施加了預應力的鋼絲繩，通過特定的控制機構將其預應力控制在相對穩定的范圍內。一級水平驅動系統的載荷為90T，二級水平隨動系統縱向移動載荷42T，橫向移動載荷為60T，快速水平隨動系統兩座標承載分別為2.5 T和4T。地面驅動系統單根鋼絲繩拉力為3T。
另外，除需滿足國家規范和標準外，整個主體結構應具有較強的結構可靠性，當以試驗用推進劑（TNT炸藥當量4.5kg）爆炸時塔架結構主體必須能保證完整性和安全性，在進行相應維護和維修后可以重新進行試驗。
2 結構體系分析
2.1結構方案
根據試驗場對塔架的條件要求，主體結構采用鋼結構空間剛架，對于高聳的塔架結構采用此種形式具有受力清晰，風阻系數小，整體穩定性強，美觀大方等優點。本結構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，其外側與門式鋼桁架連接，吊車桁架梁頂標高為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 試驗架空間示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)
圖4 試驗場區圖（平面圖）
2.2荷載分析、工況組合及靜動力初步分析結果
主材暫定選用Q235-C鋼，擬采用無縫鋼管，因為H型鋼的風阻系數較圓鋼管稍大，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：抗震設防烈度：8度；設計基本地震加速度值為0.20g；設計地震分組：第一組；基本風壓：0.45 kN/m2;場地類別（Ⅲ類）。
2）荷載分析：恒荷載：包括結構構件自重、吊車（一、二級隨動系統，下同）自重、燈具及吊繩自重、檢修通道等自重；活荷載：快速隨動裝置、實驗模型、檢修荷載、動力沖擊荷載（吊車制動、平臺小車制動、輔助隨動橫向制動荷載等）；風荷載；地震荷載；局部爆炸沖擊荷載等。
3）荷載工況組合：根據《建筑結構荷載規范》進行荷載組合；主要計算工況：
DL+吊車（含隨動）＋工作條件水平力＋工作狀態風荷載；
DL+吊車（含隨動）＋極限狀態水平力；
DL+吊車（含隨動）＋極限狀態垂直力；
DL+吊車＋地震荷載（含風荷載組合）；
DL+吊車＋風荷載；
DL+吊車＋爆炸荷載（含沖擊超壓分析、不含破片沖擊）；
部分靜動力分析結果見圖5：
圖5 模態1(1/s)(大跨度高聳試驗架結構方案)
圖6 模態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)
經計算分析，結構前三振型周期分別為2.09、1.97和1.58s，其中前兩個振型為平動，第三振型為扭轉，較為合理；工作狀態最大垂直位移為38mm，滿足工藝條件要求；地震位移及風荷載引起的位移均滿足高聳規范的要求，吊車水平制動力引起的位移亦滿足鋼結構規范要求。
2.3爆炸作用分析
根據工藝條件，相關爆炸沖擊波的荷載見表1。
當爆點在距離其中一個支腿最近（27.5m）處為最不利工況，支腿所受沖擊波超壓最大值見表1。
當爆點在距離桁架底最近（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
經計算分析，當發生爆炸時塔架結構主體能保證完整性和安全性，在進行相應維護和維修后可以重新進行試驗。
3 特定頻域段脈動風作用分析研究
3.1格構式平臺結構的風效應分析方法
已有研究表明，準定常假設適合于描述作用在格構式結構上的脈動風荷載，可以直接用來流的脈動風速譜描述塔架表面的脈動風荷載，基于脈動風速譜，通過計算機模擬風速時程，采用隨機模擬時程分析方法分析塔架結構的風振響應是切實可行的，該主要分析步驟為：1）根據風荷載的統計特性進行計算機模擬，人工生成具有特定頻譜密度和空間相關性的風速時程V(t)，并轉化為風壓時程作用在結構上；2）根據激勵樣本在時域內采用Newmark逐步積分法對運動方程進行求解，得到每一時間步的節點位移 、速度 和加速度 ；3）對響應樣本進行統計分析，確定風振響應的均值、均方差和相應的頻譜特性。這種方法原則上適用于任意系統和任意激勵，并且可以得到較完整的結構動力響應全過程信息。
3.2 結構表面風荷載模擬
風包括兩種成分：平均風和脈動風。風荷載的時程曲線模擬也即包括平均風壓和脈動風壓模擬兩部分。結構各點的平均風速可以根據基本風速、地面粗糙度類別及結構各點的高度，根據風速剖面的指數律確定。在此基礎上考慮體型系數的影響，結構各點的平均風壓即可確定。確定結構上各點的脈動風荷載必須首先給出各點處的風速時程曲線。結構上各點的風速過程組成了一個隨機過程矢量，即風場對具有時間和空間相關性的風場應進行計算機模擬。
脈動風速向量可表示為：
式中：C是一個三角形矩陣，其元素由互相關函數確定； 
是由互不相關的脈動風速過程組成的向量。
3.3 風工程分析結果
平臺風荷載的基本條件
1）風速模擬條件：平均風速：3.5m/s；地貌條件：B類；時間間距：0.01s（最大可辨識頻率為50Hz）。
2）平臺各部分的擋風系數及體型系數：1.76～1.85。
采用線性自回歸過濾器的模擬技術，對格構式平臺各點的脈動風速進行計算機模擬，并可將其轉化為風荷載時程作用下結構各節點位置。根據試驗架的結構形式及空間組成，選取了146個節點進行脈動風速模擬，考慮到這些節點之間的脈動風速空間相關性，匯總了平臺8個典型節點的脈動風速模擬結果（圖10），其這些節點的位置如圖9所示。
圖9 風速模擬典型節點
圖10脈動風速時程典型曲線
進行動力時程響應分析。動力時程分析的基本參數為：阻尼比取值為 
；時間步長
，時間步為1200步。分析過程中，著重考慮了典型位置節點的位移響應、典型單元的應力響應和典型支座的反力響應，給出了響應時程、響應的譜密度和響應中周期為30ms~40ms之間的響應成分的分布特征，部分結果見圖11、圖12。
圖11 8點脈動風作用下位移響應曲線及響應譜
圖12 8點脈動風作用下30～40ms頻域位移響應曲線及局部桿件應力響應曲線
3.4 小 結
在10m高度處風速為3.5m/s的條件下，通過對平臺結構的風振時程響應分析，有以下主要結論：
1)從響應幅值大小來看：在此風速條件下，結構的振動位移幅度（在高度的1/15000以下）、單元應力響應和支座反力都比較小。
2)從位移響應、單元應力和支座反力響應的譜密度曲線來看，風振響應中，前兩階振型占主導地位，占總量的85％以上。
3)從目前已進行的研究來看，位移響應、單元應力和支座反力響應中，周期為30ms~40ms之間的響應成分占總響應的比例很小，在10－6以下。
4 結論及建議
通過對結構主體靜動力及爆炸分析，結果表明，該結構可滿足國家現行規范、標準及工藝條件要求；工作狀態下特定頻率段內結構主體因脈動風引起的響應很小，可以認為不影響隨動系統的正常工作，這是由于結構主體的前3階振型對響應效應起主要作用的特性決定的。鑒于本分析僅僅考慮風速為3.5m/s的工況，此時對應的風荷載值非常小，風振效應不明顯，建議開展在最大設計風速條件下，塔架平臺的風振子項研究。
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（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）
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