連續(xù)鋼桁梁懸拼施工中人體對(duì)振動(dòng)的適應(yīng)性研究

徐 宏，郭 敏

(中國(guó)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(duì)振動(dòng)的適應(yīng)性研究

徐 宏，郭 敏

(中國(guó)中鐵一局有限公司，陜西 西安 710054)

針對(duì)連續(xù)鋼桁梁懸拼施工中的風(fēng)荷載效應(yīng)問(wèn)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(shí)程作用下的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)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(jí)風(fēng)荷載作用下引起的橫向振動(dòng)不會(huì)對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的作用通常被模擬成靜力荷載，用來(lái)計(jì)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(dòng)風(fēng)[2]對(duì)結(jié)構(gòu)的作用通常被模擬成為動(dòng)力荷載，主要用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在動(dòng)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(dòng)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(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性狀況及動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全和施工人員的適應(yīng)性至關(guān)重要[3-4]。本文通過(guò)對(duì)某鋼桁梁懸拼施工仿真計(jì)算，分析橫向風(fēng)荷載對(duì)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(yàn)獲得的實(shí)測(cè)風(fēng)速時(shí)程模擬不同風(fēng)級(jí)風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，計(jì)算結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)風(fēng)致振動(dòng)的加速度，進(jìn)而評(píng)估施工人員在不同風(fēng)級(jí)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(zhǎng)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(hào)墩處為固定支座，其余為活動(dòng)支座。

大橋第五跨鋼梁在鋼管樁平臺(tái)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(shí)支墩。當(dāng)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(guò)程仿真計(jì)算采用“恒載+施工荷載+靜風(fēng)荷載+溫度荷載”的方式進(jìn)行分析。恒載取結(jié)構(gòu)自重；施工荷載取吊機(jī)靜荷載，簡(jiǎn)化成4個(gè)集中力荷載，前支點(diǎn)集中力分別取750 kN，后支點(diǎn)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(shí)域法

脈動(dòng)風(fēng)對(duì)大跨徑橋梁的動(dòng)力響應(yīng)較為顯著，尤其是橋梁的橫向動(dòng)力響應(yīng)，主要受橫向脈動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)域分析法把風(fēng)速時(shí)程作用于橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得風(fēng)速時(shí)程時(shí)，時(shí)域分析方法則有一定的優(yōu)勢(shì)。鑒于鋼桁梁的構(gòu)造特點(diǎn)，其桁架結(jié)構(gòu)風(fēng)的通過(guò)性較好，為簡(jiǎn)化計(jì)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(jìn)行分析。

對(duì)橋梁進(jìn)行風(fēng)致響應(yīng)時(shí)程分析的關(guān)鍵是獲得相應(yīng)的風(fēng)速時(shí)程曲線。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得風(fēng)速時(shí)程是目前較為可靠的技術(shù)手段之一，風(fēng)速儀實(shí)測(cè)記錄的風(fēng)速時(shí)程統(tǒng)計(jì)樣本可近似描述對(duì)應(yīng)平均風(fēng)速下脈動(dòng)風(fēng)的經(jīng)歷過(guò)程，將其作為脈動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特征?；谠摻y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可近似模擬不同風(fēng)速的時(shí)程曲線，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

2.2 脈動(dòng)風(fēng)荷載的生成

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得六級(jí)風(fēng)(上限風(fēng)速為13.8 m·s-1)的風(fēng)速時(shí)程曲線，如圖2所示。對(duì)應(yīng)于ti時(shí)刻的風(fēng)速為Vi，記錄風(fēng)速儀實(shí)測(cè)的脈動(dòng)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(shí)程的平均風(fēng)速為

(1)

(2)

式中：V0為風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的脈動(dòng)風(fēng)的平均風(fēng)速；ti為風(fēng)速時(shí)程第i個(gè)時(shí)間步的末點(diǎn)時(shí)刻；Vi為ti時(shí)刻實(shí)測(cè)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(shí)程。

通過(guò)該方法可獲得風(fēng)力等級(jí)為三、四、五級(jí)風(fēng)的上限風(fēng)速時(shí)程序列，并分別將該風(fēng)速時(shí)程計(jì)算得到的脈動(dòng)荷載作為激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。

2.3 橫向脈動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計(jì)算

2.3.1 風(fēng)致振動(dòng)有限元模型建立

結(jié)合施工實(shí)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?jiǎn)卧?，鋼桁梁全長(zhǎng)168 m，鋼桁梁節(jié)段長(zhǎng)14 m，懸臂長(zhǎng)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(diǎn)力施加在鋼桁梁上下弦主節(jié)點(diǎn)上。

2.3.2 橫向脈動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算

(1) 根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)速時(shí)程，生成脈動(dòng)風(fēng)荷載序列{F(Vi,ti)}。

(2) 將生成的脈動(dòng)風(fēng)荷載等效成節(jié)點(diǎn)集中荷載序列施加在鋼桁梁上、下弦主節(jié)點(diǎn)上。

(3) 應(yīng)用Ansys瞬態(tài)動(dòng)力分析功能計(jì)算結(jié)構(gòu)在上述激勵(lì)下的位移響應(yīng)，時(shí)間步取0.5 s，位移響應(yīng)取懸臂端下弦主節(jié)點(diǎn)處位移響應(yīng)值。

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

(5) 計(jì)算結(jié)構(gòu)在每個(gè)時(shí)間步0.5 s內(nèi)橫向振動(dòng)加速度序列。

強(qiáng)迫振動(dòng)下結(jié)構(gòu)懸臂端下弦節(jié)點(diǎn)橫向振動(dòng)速度序列按式(3)計(jì)算

(3)

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

得到對(duì)應(yīng)的橫向振動(dòng)加速度

(4)

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

2.4 風(fēng)荷載對(duì)施工人員的影響

大跨度鋼桁梁橋在懸拼施工過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，給施工人員造成不同程度的心理影響。人體對(duì)振動(dòng)的敏感性主要由振動(dòng)加速度決定，當(dāng)鋼梁的振動(dòng)加速度達(dá)到一定程度時(shí)，橋上的作業(yè)人員會(huì)產(chǎn)生不適。一般情況下，一、二級(jí)風(fēng)不會(huì)對(duì)施工造成任何影響，且施工規(guī)范要求風(fēng)力大于六級(jí)時(shí)必須停止施工，所以只需要考慮三到六級(jí)風(fēng)對(duì)施工人員的影響情況。不同等級(jí)橫風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)懸臂端下弦節(jié)點(diǎn)的橫向最大位移及振動(dòng)加速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 橫向最大位移及振動(dòng)加速度

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

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)計(jì)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(zhǎng)懸臂端橫向最大位移為0.014 m，為懸臂長(zhǎng)度的1/6 000。

(3) 橫向脈動(dòng)風(fēng)荷載會(huì)引起結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)，但當(dāng)風(fēng)速等級(jí)小于六級(jí)時(shí)，結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)不會(huì)引起施工人員身體出現(xiàn)明顯不適。

[1] 馬 駿,周 岱,李 磊,等.風(fēng)時(shí)程模擬的高效高精度混合法[J].工程力學(xué),2009,26(2):53-60.

[2] 江 勇,王肈民,王洪濤.大跨空間鋼結(jié)構(gòu)時(shí)域等效靜力風(fēng)荷載理論研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,31(2):202-206.

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[6] JTG D60—2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

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[責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金(50808018)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2012KCT-27)

U445.4

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