台风区双孔连做造桥机风振效应研究

毕监江

（中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

1 引言

目前，风振响应的计算分析主要针对楼房、塔式结构以及桥梁等高耸轻柔结构[1]。造桥机作为大型施工机械设备，其跨度以及构件长细比较大，属柔性体系，振动周期较长，在风荷载动力作用下往往会产生较大的振动变形。在风工程中将风载分为两部分，即低频长周期的平均风载以及高频短周期的脉动风载。平均风载由速度、方向基本不随时间变化的稳定气流产生，对结构的作用可等效成静力作用；脉动风载由风速、风向随时空随机变化的风所产生，在脉动风作用下，结构在顺向及横向会产生风振[2－3]。以往研究表明，对于非圆形截面风振内力中，横风与顺风响应明显，不容忽视。本文以双孔连做造桥机在平潭海峡公铁两用大桥应用为工程背景，采用平潭海峡台风2010年至2012年的实测数据生成时程风速，模拟双孔连做造桥机的风振响应，最后根据计算结果对造桥机结构风振响应进行分析，为今后造桥机结构抗台风设计及应用提供理论支撑。

2 造桥机结构及有限元仿真模型

（1）造桥机整体结构

造桥机采用下承式结构，由主桁系统、下托梁系统、托轮系统、提梁龙门吊、后端临时支腿、前导梁、液压系统和电气控制系统等部分组成[4－6]。SPZ2700×2／64型双孔连做造桥机结构几何模型如图1所示，主桁上下弦杆件截面如图2所示[7－8]。

图1 双孔连做造桥机几何模型（单位：mm）

图2 主桁上下弦杆件截面（单位：mm）

（2）结构仿真模型

采用有限元分析软件Midas civil，根据造桥机结构几何特性，采用杆系单元建立主桁结构，模型总共由4 180个单元和1 684个节点组成。结构材料主要分为三种钢材型号，其中主桁结构与下托梁结构全部采用Q420型钢材，横向连接结构采用Q345钢材。钢材弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。造桥机有限元模型如图3所示。

图3 双孔连做造桥机有限元模型

3 脉动风荷载模拟

3．1 台风数据选取

为分析造桥机机体结构风振响应，选取平潭海峡地区2010至2012年期间海上典型台风数据作为结构风振的激振源，采用台风最大风速作为模拟初始数据。文中采用的台风实测数据分为两类，具体描述如下：

（1）台风A：风向呈东南—东—东北随机变化，出现当日最大脉动风速49.23 m／s，温度33.1℃，如图4a所示。

图4 模拟台风玫瑰图

（2）台风B：风向呈北—东北随机变化，出现当日最大脉动风速43.8 m／s，温度11.3℃，如图4b所示。

3．2 脉动风速模拟

通过选取最大脉动风速出现的时域作为振动响应分析数据，采用OriginPro 2018函数绘图软件对200 s区间的脉动风速进行数据处理，生成风速时程曲线，如图5所示。

图5 台风风速时程曲线

3．3 风的时程荷载计算

采用伯努利（Bernoulli）方程考虑不可压缩理想流体风压与风速关系，将风速时程数据转换为风压。具体风荷载转换计算方法为：

式中：ω为单位面积风荷载即风压；ρ为流体密度；ν为流体速度。

工程结构形式多样，结构上各点所处的高度也各有不同，因此在进行风速风压转换时需考虑结构体型的变化以及结构不同点的高度差异，才可求出结构某位置处的实际风压力。根据体型和高度的不同对风压进行修正，得出作用在工程结构上的风荷载：

式中：ω0为基本风压，以当地比较空旷平坦地面上离地10 m高度统计所得的50年一遇10 min平均最大风速ν0求得，为风载体型系数，通过现场风压实测所得，将造桥机各构件按测压孔位置划分n块，将测点的Cpi值对应面积加权平均所得。μz为风压高度变化系数，μz＝，z、ν分别为标准高度及该处的平均风11速；a 为与地面粗糙程度有关的系数[9－10]。

将脉动风速与平均风速叠加，考虑造桥机工作高度与结构体型，采用公式计算造桥机机体结构所受风压与风力，生成风力时程数据，作为分析造桥机“停机抗台状态”与“过孔状态”时的结构响应激振数据。风力时程曲线如图6所示。

图6 风力时程曲线

3．4 计算参数设定

造桥机风振响应分析采用振型叠加法，时程类型选择为顺态，分析时间为200 s，分析步长选取0.1 s。根据国内外钢结构振动研究经验，振型阻尼比取0.03。分析时考虑机体结构自重，不考虑非线性对计算结果的影响。

3．5 风荷载加载方式

考虑造桥机最不利状态受风角度为水平风攻角0°（横风振动）与竖向风攻角90°（顺风振动），风荷载迎风总面积达631.2 m2。通过风压计算导出总风力，根据造桥机结构模型上弦与下弦单元共划分为320个迎风面作为气流与机体结构近似接触位置（加载位置），并按照停机及过孔两种结构状态进行加载。其中包括：（1）造桥机停机状态，气流与结构横向接触，风向为水平风攻角0°；（2）造桥机停机状态，气流与结构竖向接触，风向为垂直风攻角90°；（3）造桥机过孔状态，气流与结构横向接触，风向为水平风攻角0°；（4）造桥机过孔状态，气流与结构竖向接触，风向为垂直风攻角90°

4 造桥机风振效应结果分析

4．1 时程分析结果

通过对比风振响应结果可以看出，双孔连做造桥机横风振动响应明显大于顺风振动响应，主桁内力最大杆件出现在支座截面。提取振动响应相对较大杆件的时程分析数据，如图7、图8所示。

图7 支座截面上弦轴力时程曲线

图8 造桥机末端位移时程曲线

通过分析时程计算结果可以得到造桥机主要结构杆件风对结构作用的影响规律：

（1）造桥机处于“停机抗风状态”时，横风振动与顺风振动相比频率较大，横风振动引起的杆件内力峰值较大；当造桥机处于“过孔状态”时，横风振动频率小于顺风振动频率，横风振动引起的杆件内力峰值较大。

（2）造桥机在横风振动与顺风振动所产生的内力峰值出现时间有所不同。造桥机处于“停机抗风状态”时，横风振动引起结构杆件内力峰值出现范围在160～165 s之间，而顺风振动引起的内力峰值出现时间范围在18～23 s之间。当造桥机处于“过孔状态”时，横风振动与顺风振动引起的内力峰值均出现在123～128 s之间。

（3）造桥机处于“过孔状态”横风振动时，结构杆件主要以横向位移为主，竖向位移较小；顺风振动时，结构杆件主要以竖向位移为主，未发生结构整体偏移、扭转等现象。

4．2 内力分析结果

通过 Midas Civil 2017 有限元软件[11－12]对双孔连做造桥机两种状态下横风及顺风振动进行时程分析，得到结构的风振响应结果如表1、表2所示。

表1 造桥机风振响应内力峰值

表2 造桥机风振响应位移峰值 mm

通过对表1、表2结果分析可知：（1）造桥机停机及过孔状态，横风与顺风振动使机体结构上下弦杆、斜杆与横连杆产生了轴力、剪力和弯矩，未产生扭矩，说明在风振作用下造桥机结构发生了轴、弯、剪耦合效应；（2）在机体结构两种状态下，横风振动与顺风振动产生的耦合效应最明显位置为支座截面上、下弦杆（内力最大）；（3）顺风振动时，结构内力峰值小于横风振动；（4）横风振动作用下过孔状态位移值最大，为最不利状态。

停机抗风状态下，横风振动位移峰值为7.3 mm，顺风振动竖向位移峰值为1.1 mm；过孔状态下，横风振动位移峰值为57.3 mm，顺风振动位移峰值为15.9 mm。造桥机结构控制杆件组合应力最大压应力为－385 MPa，最大拉应力256.8 MPa，造桥机挠度最大619.3 mm，满足《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）钢材Q420D强度设计要求与挠度比要求。

5 结束语

由于双孔连做造桥机跨度以及构件长细比较大，在台风区较大风荷载的动力作用下往往会产生不容忽视的振动变形。本文采用平潭海峡台风实测数据生成时程风速作为结构激振源，模拟双孔连做造桥机的风振响应。结果表明造桥机机体及各构件均未出现破坏与共振现象，验证了造桥机结构设计的合理性。文中风荷载模拟及风振响应分析方法可为今后造桥机安全施工、抗台风设计及推广应用提供一定的理论支撑。