淺談大跨度電廠輸煤棧橋結構動力特性

【摘 要】文章結合某大跨度電廠輸煤棧橋實例，對結構自振下的有限元分析法進行簡要介紹，并對該大跨度電廠輸煤棧橋的結構自振特性進行了分析，得出了該大跨度電廠輸煤棧橋在結構動力方面的特性。

【關鍵詞】輸煤棧橋；大跨度；結構動力特性

對于電廠所使用的輸煤棧橋而言，其大多跨度較大，在以往針對此類大跨度電廠輸煤棧橋進行結構抗震計算的過程當中，多采取的是反應譜法計算，但由于反應譜法是以一致激勵為基礎所提出的，因此抗震計算中無法納入對地震作用所產生空間效應問題的考慮，進而導致其在用于大跨度電廠輸煤棧橋抗震結構計算分析上并不合理。針對此情況，當前實踐中開始逐步嘗試以隨機振動功率密度譜法為基礎，在納入空間效應的前提下進行結構分析。而在這一過程當中，有關大跨度電廠輸煤棧橋結構動力特性的研究工作是非常重要的。

1.實際案例

某大跨度電廠輸煤棧橋的為鋼結構棧橋，主體結構共七跨，第一跨～第四跨長度均為33.1m，第五跨長度為42.1m，第六跨為25.4m，第七跨為24.2。整個輸煤棧橋矢高取值為3.0，上升坡度為8.9°，現場測量棧橋爬升高度為35.3m。結構構件主要包括上弦梁結構、下弦梁結構、腹桿、端柱、橋面、頂面橫梁結構、縱向次梁結構、橫向支撐、縱向支撐結構這幾個部分。整個輸煤棧橋主體結構共設置8組支柱，均為鋼結構支柱，最低端支柱高度為5.0m，最高端支柱高度為40.2m。除第一組支柱外，第二～第八組支柱均布置橫向支撐結構。

2.結構自振下有限元分析法

在利用有限元分析法對大跨度電廠輸煤棧橋結構自振特性進行分析的過程當中，首先需要將結構離散為多個單元，然后通過單元分析的方式得到各個單元在力學屬性上的特征，形成與單元相對應的剛度矩陣，并對多個單元分析結果進行合成，得到總體剛度矩陣，以展開結構整體自振特性的分析。

3.結構自振特性

自振特性是結構自身始終存在的性質之一，在橋梁譜反應計算、隨機振動計算、以及動力時程計算等方面均發揮著重要的前提支持，同時，自振特性也是反映橋梁結構剛度指標的重要參數之一，在對橋梁結構安全性與穩定性進行評價，做出橋梁維護相關決策的過程中發揮著非常重要的意義與價值。對于大跨度電廠輸煤棧橋而言，整個橋梁結構的自振特性分析內容主要包括兩個方面：其一是結構自振頻率，其二是主振型。以上自振特性的分析都會在不同程度上受到橋梁結構組成體系、剛度水平、質量分布情況、以及邊界條件的影響。

對于本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋實例而言，在對該棧橋結構自振特性進行分析的過程當中，引入基于ANSYS的模態分析方法，前十階自振特性分別為：

第一階：固有頻率取值為0.88Hz，振型特征為各組支柱對稱縱向傾斜伴隨各跨橋體豎向彎曲。

第二階：固有頻率取值為1.64Hz，振型特征為各組支柱對稱橫向傾斜伴隨各跨橋體橫向彎曲。

第三階：固有頻率取值為1.71Hz，振型特征為橋體第五跨豎橋向對稱性彎曲。

第四階：固有頻率取值為1.91Hz，振型特征為橋體前兩組支柱橫向傾斜伴隨橋體前兩跨橫向傾斜。

第五階：固有頻率取值為2.07Hz，振型特征為橋體各組支柱反向對稱縱向傾斜伴隨各跨橋體豎向彎曲。

第六階：固有頻率取值為2.19Hz，振型特征為橋體各組支柱反向對稱橫向傾斜伴隨各跨橋體橫向彎曲。

第七階：固有頻率取值為2.37Hz，振型特征為橋體前四跨豎向彎曲伴隨第七組支柱縱向彎曲。

第八階：固有頻率取值為2.45Hz，振型特征為橋體前四跨豎向彎曲伴隨第七組支柱縱向彎曲。

第九階：固有頻率取值為2.95Hz，振型特征為橋體前四跨豎向彎曲。

第十階：固有頻率取值為3.25Hz，振型特征為第七組支柱縱向彎曲。

4.結構動力特性

第一，對于大跨度電廠輸煤棧橋而言，結構固有頻率首先出現在結構剛度較小的方向以及位置上。由于本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋支柱高度較大并且跨度較大，因此支柱與支柱間的縱橋向支撐部件難以布置，受到此因素影響，導致大跨度電廠輸煤棧橋中首先發生的振型為支柱順橋向傾斜作用力影響而產生的振型。

第二，結合本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋實際案例而言，一階振型頻率取值為0.88Hz。結合當前我國鐵道部所制定的《鐵路橋梁鋼結構設計規范》中的相關要求“一般情況下，橋梁結構一階振型頻率，即基頻取值不得出現在人類敏感頻率區間內（即2.0Hz～6.0Hz）”，根據這一規定，認為該大跨度電廠輸煤棧橋結構在一階振型頻率上能夠符合設計要求。同時，對于此類大跨度的電廠輸煤棧橋結構，取值為0.88Hz的基頻仍然相對較高。這一數據反映了：雖然本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋當中支柱高度較大，并且沒有在支柱與支柱間布置縱橋向支撐結構，但落料塔作為最高支柱結構，仍然為整個輸煤棧橋提供了較大的剛度支持。

第三，在本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋項目中，受到由橋面板以及各組支柱相互之間橫向支撐結構的影響，導致棧橋橋體結構的橫向剛度水平較大。研究顯示，在針對本大跨度電廠輸煤棧橋所進行的前十階振型當中，基于橫向彎曲的振型僅出現兩次，基于橫向傾斜的振型僅出現一次。從這一角度上來說，該大跨度電廠輸煤棧橋對于所處環境條件下的風振以及地震作用力均有理想的防護效果。

第四，在針對本文所例舉大跨度電廠輸煤棧橋結構動力特性所展開的前十階振型分析中發現，有六階振型均表現出了強烈的豎向彎曲特點，與之相對應的頻率帶取值在1.7Hz～3.0Hz范圍以內，且頻率帶分布上具有較為緊密的特點。從這一角度上來說，在對該大跨度電廠輸煤棧橋結構動力特性進行研究的過程當中，需要盡量避免輸煤棧橋在1.7Hz～3.0Hz這一頻率帶內出現豎橋向的振動激勵源，避免其結構穩定性受到不良影響。

5.結束語

本次研究中，結合某大跨度電廠輸煤棧橋實際案例，應用有限元分析法對該輸煤棧橋的結構動力特性展開了分析與探究，得出以下幾個方面的結論：第一，大跨度電廠輸煤棧橋中首先發生的振型為支柱順橋向傾斜作用力影響而產生的振型；第二，雖然本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋當中支柱高度較大，并且沒有在支柱與支柱間布置縱橋向支撐結構，但落料塔作為最高支柱結構，仍然為整個輸煤棧橋提供了較大的剛度支持；第三，該大跨度電廠輸煤棧橋對于所處環境條件下的風振以及地震作用力均有理想的防護效果；第四，為了確保整個輸煤棧橋結構的穩定性，需要盡量避免輸煤棧橋在1.7Hz～3.0Hz這一頻率帶內出現豎橋向的振動激勵源。

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