連續鋼桁梁懸拼施工中人體對振動的適應性研究

徐 宏，郭 敏

(中國中鐵一局有限公司，陜西 西安 710054)

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連續鋼桁梁懸拼施工中人體對振動的適應性研究

徐 宏，郭 敏

(中國中鐵一局有限公司，陜西 西安 710054)

針對連續鋼桁梁懸拼施工中的風荷載效應問題，以某下承式連續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，分析了在不同風速時程作用下的動力響應對施工人員的影響。結果表明，橫向風荷載是引起結構橫橋向水平支反力的主要因素，而結構在三至六級風荷載作用下引起的橫向振動不會對人體造成明顯不適。

連續鋼桁梁；懸臂拼裝；風荷載作用；人體感受

0 引 言

平均風[1]對結構的作用通常被模擬成靜力荷載，用來計算結構在風荷載作用下的內力、變形和屈曲穩定性；脈動風[2]對結構的作用通常被模擬成為動力荷載，主要用來計算結構在動風荷載作用下的各種響應。在鋼桁梁懸拼施工中，分析平均風和脈動風作用下結構力學狀態，確定施工各階段結構強度、變形、穩定性狀況及動力響應，對保證結構強度安全和施工人員的適應性至關重要[3-4]。本文通過對某鋼桁梁懸拼施工仿真計算，分析橫向風荷載對結構內力、變形及屈曲穩定性的影響。以風洞試驗獲得的實測風速時程模擬不同風級風荷載對結構的作用，計算結構的瞬態風致振動的加速度，進而評估施工人員在不同風級環境中身體的適應情況[5-6]。

1 工程概況

某跨徑112 m+3×168 m+112 m下承式剛性連續梁柔性拱橋，主桁梁高16.0 m，節長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段懸拼鋼桁梁及橋面板，并在一至四跨跨中布設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膺架，完成拱肋及橫向聯結系安裝，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+靜風荷載+溫度荷載”的方式進行分析。恒載取結構自重；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；靜風荷載只考慮橫向靜風荷載；溫度荷載取系統平均溫差7 ℃，初始溫度21 ℃。

2 風荷載作用分析

2.1 結構的風致響應分析時域法

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

對橋梁進行風致響應時程分析的關鍵是獲得相應的風速時程曲線。通過風洞試驗獲得風速時程是目前較為可靠的技術手段之一，風速儀實測記錄的風速時程統計樣本可近似描述對應平均風速下脈動風的經歷過程，將其作為脈動風的統計特征。基于該統計數據可近似模擬不同風速的時程曲線，進而計算結構的動力響應。

2.2 脈動風荷載的生成

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

(1)

(2)

式中：V0為風洞試驗獲得的脈動風的平均風速；ti為風速時程第i個時間步的末點時刻；Vi為ti時刻實測的風速值；F(V0,ti)為V0作用到結構側向產生的總風荷載；F(Vi,ti)為Vi作用于結構側向產生的總風荷載；{F(V0,ti)}和{F(Vi,ti)}分別為風速V0、Vi作用下結構承受的側向風荷載時程。

通過該方法可獲得風力等級為三、四、五級風的上限風速時程序列，并分別將該風速時程計算得到的脈動荷載作為激勵對結構進行動力響應分析。

2.3 橫向脈動風作用下結構響應的計算

2.3.1 風致振動有限元模型建立

結合施工實際，建立最大懸臂拼裝施工工況下結構三維ansysy有限元模型，如圖3所示。將橋面板等效成恒載并轉換成橫梁質量密度作用在結構上，其余桿件均采用Beam4梁單元建模，鋼桁梁全長168 m，鋼桁梁節段長14 m，懸臂長度為84 m，固定端約束為固結，懸臂根部約束為鉸接。橫向風荷載等效成節點力施加在鋼桁梁上下弦主節點上。

2.3.2 橫向脈動風作用下結構動力響應計算

(1) 根據實測風速時程，生成脈動風荷載序列{F(Vi,ti)}。

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

(3) 應用Ansys瞬態動力分析功能計算結構在上述激勵下的位移響應，時間步取0.5 s，位移響應取懸臂端下弦主節點處位移響應值。

(4) 由位移響應生成每時間步0.5 s內橫向平均位移對應的數據序列φ(ti)，i=0,0.5,1,…，63.5,64。

(5) 計算結構在每個時間步0.5 s內橫向振動加速度序列。

強迫振動下結構懸臂端下弦節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時刻結構橫向位移；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。

得到對應的橫向振動加速度

(4)

結構懸臂端下弦節點在風速分別為5.4、7.9、10.7 m·s-1和13.8 m·s-1時的橫向位移響應曲線和振動加速度曲線如圖4～11所示。

2.4 風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晃動現象，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，橋上的作業人員會產生不適。一般情況下，一、二級風不會對施工造成任何影響，且施工規范要求風力大于六級時必須停止施工，所以只需要考慮三到六級風對施工人員的影響情況。不同等級橫風荷載作用下結構懸臂端下弦節點的橫向最大位移及振動加速度計算結果見表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向振動加速度為0.12 m·s-2，人體能夠接受的最大側向振動加速度為0.2 m·s-2。表1計算結果表明，在三到六級風作用下，結構懸臂端下弦節點橫向最大振動加速度為0.012 m·s-2，顯然，人體均不會因結構側向振動而感覺明顯不適。

3 結 語

通過計算分析，可以得出以下主要結論。

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

(2) 鋼桁梁結構迎風面積較其他梁類型結構偏小，而橫向抗彎剛度較大，因此風荷載引起的結構橫向變形較小，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) 橫向脈動風荷載會引起結構橫向振動，但當風速等級小于六級時，結構橫向振動不會引起施工人員身體出現明顯不適。

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

[2] 江 勇,王肈民,王洪濤.大跨空間鋼結構時域等效靜力風荷載理論研究[J].合肥工業大學學報：自然科學版,2008,31(2):202-206.

[3] 張 引.大跨多跨連續鋼梁架設及施工監控研究[J].公路交通技術，2007(3):122-124.

[4] 李芳軍，彭月燊.萬州長江大橋鋼桁拱系桿梁橋架設技術[J].中國鐵道科學,2007,28(6):136-140.

[5] TZ203—2008,客貨共線鐵路橋涵工程施工技術指南[S].

[6] JTG D60—2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[7] 包龍生,劉克同,于 玲,等.大跨度橋梁空間脈動風場的數值模擬[J].沈陽建筑大學學報:自然科學版，2010,26(2):238-243.

[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

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

U445.4

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