帶式運輸機過河廊道斜拉橋的設計與動力特性分析

陶小委　馬赟　宋粉麗

摘 要：帶式物料運輸機在工業生產中已有較多應用，在跨越障礙時需要設置專用廊道橋。本文以某采礦項目帶式運輸機跨河廊道橋為工程背景，設計了主跨270m的大跨徑斜拉橋結構，保證了橋下河流通航凈空和泄洪要求。該橋的設計可為同類工程大跨廊道橋提供借鑒。同時，采用有限元計算軟件對橋梁進行了動力特性分析。結果表明，橋梁具有較大柔性，橋梁振型較為密集，在采用反應譜分析或其他地震反應分析時應考慮更多數量的參與振型。

關鍵詞：帶式運輸機;斜拉橋;設計;動力特性

中圖分類號：U448.27 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0120-04

Design?and?Dynamic?Characteristics?Analysis?of?Cable-stayed

Bridge?of?River?Conveyor?with?Belt?Conveyor

TAO?Xiaowei1 MA?Yun2 SONG?Fenli2

（1.Huanghe?Jiaotong?University，Jiaozuo?Henan?454950;2.Henan?Transportation?Research?Institute?Co.，?Ltd.，Zhengzhou?Henan?450000）

Abstract：?Belt?conveyors?have?been?widely?used?in?industrial?production，?and?special?corridor?bridges?need?to?be?set?up?when?crossing?obstacles.?In?this?paper，?a?mining?project?belt?conveyor?cross-river?corridor?bridge?was?used?as?the?engineering?background，?and?a?large-span?cable-stayed?bridge?with?a?main?span?of?270m?was?designed?to?ensure?the?navigation?clearance?and?flood discharge?requirements?of?the?river?under?the?bridge.The?design?of?the?bridge?can?provide?reference?for?the?large-span?corridor?bridge?of?the?same?kind.?At?the?same?time，?the?finite?element?calculation?software?was?used?to?analyze?the?dynamic?characteristics?of?the?bridge.?The?results?show?that?the?bridge?has?greater?flexibility?and?the?vibration?mode?of?the?bridge?is?more?dense，?when?using?response?spectrum?analysis?or?other?seismic?response?analysis，?a?larger?number?of?participating?modes?should?be?considered.

Keywords：?belt?conveyor;cable-stayed?bridge;design;dynamic?characteristics

帶式運輸機能夠實現物料的連續和長距離運送，具有結構簡單、工作可靠，運行平穩、噪聲小，運送量大且不損傷被輸送物料等特點。近年來，由于工業和技術的發展，散裝物料的帶式輸送機大量運用于冶金、化工、電站、港口、海口等工業領域[1]。帶式輸送機長距離運輸時，往往需要跨越河流、山谷、道路、建筑物等，當跨度較小時采用普通鋼筋混凝土廊道橋即可跨越，當跨度較大時可采用鋼桁架廊道橋，當單跨跨度進一步加大并超過100m時，采用常規的梁式廊道橋已不能滿足工程需求，需要采用跨越能力更強的結構形式。在公路和市政大跨度橋梁中，預應力混凝土梁式橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等橋型均有較多應用，但在工業帶式運輸機廊道橋中的應用較少。本文以某鋁土礦帶式運輸機跨河廊道橋為工程背景，進行了大跨度廊道斜拉橋的設計，并進行了相關計算分析。

1 工程背景

某采礦項目皮帶運輸機跨河廊道跨越河流，主河道全寬約為400m，橋下通航凈空要求不低于7.7m。跨河廊道需設置2條皮帶機，單條皮帶機設計恒載為4.1kN/m，設計物料活載為2.5kN/m;皮帶機兩側需要設檢修道，設計人群活載為2.0kN/m2。由于河道較寬且河流有泄洪和通航要求，采用常規的鋼桁架橋梁廊道時，需要在河道中設置多處橋墩，其已不能滿足項目要求。因此，跨河廊道需要設計為跨越能力更強的結構形式。另外，考慮橋位景觀需求，斜拉橋或懸索橋更適合本項目需求。斜拉橋拉索的多點彈性支承使主梁的受力類似于多跨連續梁，從而減小了主梁彎矩和梁體尺寸，減輕了梁體重量，使其具有很強的跨越能力，與懸索橋相比，斜拉橋的抗風性能優越，且不需要龐大的錨固裝置[2]。因此，設計最終選定主跨270m的斜拉橋跨河廊道方案。

2 廊道斜拉橋的設計

2.1 總體設計

如圖1所示，橋梁設計為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，設計跨徑組合為（44+64+270+64+44）m，全橋共設置40對平行鋼絲斜拉索，44m邊跨梁上索距為8.0m，64m次邊跨梁上索距為12.0m，270m主跨梁上索距為12.0m，其中主跨跨中無索區長度為22.0m。橋梁主塔設計為H型混凝土塔，承臺以上塔高為77.0m，設計混凝土強度等級為C50，橋梁基礎采用鉆孔灌注樁基礎。橋梁主梁采用Q345D鋼，由邊主梁、橫梁和正交異性鋼橋面板組成，主梁頂面設10cm厚混凝土鋪裝層;橋梁兩邊跨主梁設壓重段，采用鐵砂混凝土壓重。

2.2 橫斷面設計

橫斷面設計首先要考慮皮帶機設備安裝和設備檢修空間要求，然后結合拉索布置、欄桿設置等構造要求和受力需要進行確定。廊道橋橫斷面布置如圖2和圖3所示，主梁全寬為11.0m，主跨和次邊跨標準段梁高為1.5m，邊跨壓重段設計梁高為1.8m;橋梁橫向布置2條皮帶機設備、4條檢修道，外側檢修道設防護欄桿，中間1.3m為分隔帶;斜拉索錨固區位于主梁兩邊最外側，橫向拉索間距為10.0m。

2.3 斜拉索設計

斜拉索設計采用抗拉強度標準值1?670MPa的平行鋼絲斜拉索，其技術條件應滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》（GB/T?18365—2018）的技術要求[3]。采用零位移法[4]，以恒載狀態下主梁控制點豎向位移作為控制目標，通過對索力的調整，使得主梁控制點豎向位移為零，并兼顧塔、梁關鍵截面內力和主塔位移，由此確定拉索的合理成橋索力和拉索型號。斜拉索設計型號和設計成橋索力如表1所示。

3 橋梁的動力特性分析

3.1 動力特性計算方法

斜拉橋是質量和剛度連續分布的結構體系，具有無限多個自由度，實際計算可對結構各部分離散處理，劃分為有限個自由度的計算模型。一般阻尼對結構自振特性的影響很小，因此在求解結構的自振頻率和振型時，通常忽略阻尼的影響。

假設結構離散劃分后有[n]個自由度，則該體系的自由振動可用式（1）來表示。

MU（t）+KU（t）=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，M、K分別為結構體系的質量和剛度矩陣;[U（t）]為結構體系各節點的位移矢量。

與上述[n]和自由度的振動模型相對應的特征方程可表示為：

（K-ω2M）U=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于位移是任意的，其應當滿足以下條件：

K-ω2M=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式（2）的特征值問題通常采用子空間迭代法求解，所求得的[n]個實根分別代表結構的[n]個自振頻率。一旦得到體系的振動頻率矢量，將各個振型頻率代入式（2），就可得到相應的振型或模態。上述過程可通過橋梁計算有限元軟件實現。

3.2 有限元計算模型

借助有限元軟件midas/Civil，采用子空間迭代法[5]求解橋梁動力特性，采用有限元計算軟件midas/Civil建立橋梁計算模型，主塔、邊主梁和橫梁采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，斜拉索采用索單元進行模擬。如圖4所示，有限元模型共劃分為1?460個點、2?300個梁單元、1?204個板單元和80個索單元。

3.3 動力特性計算結果分析

斜拉橋的動力特性與多種因素有關，包括橋梁跨度和橋寬、主梁截面形式與材料、塔梁連接方式、橋塔形式和材料、斜拉橋縱橫向布置以及輔助墩數目和位置等[6]。斜拉橋動力特性包括結構的自振頻率和振型等，它反映了斜拉橋的質量分布和剛度指標，其計算是進行橋梁結構抗風、抗震設計的基礎[6-8]。計算橋梁典型振型和頻率，如表2所示，橋梁前3階振型如圖5至圖7所示，橋梁扭轉振型如圖8所示。

上述計算結果表明，橋梁基頻為0.319，相對于常規梁式廊道橋，其基頻較小。由于橋梁主跨跨度較大，主梁寬度和高度相對較小，橋梁1階振型為橫橋向側彎，體現了該橋型較大結構柔度的特性。計算可知，橋梁第70階振型出現主梁扭轉，對應振動頻率為1.095Hz。橋梁振型較為密集，在一個并不寬的頻段內分布著很多模態，因此對于該橋，在采用反應譜分析其他地震反應時，應考慮更多數量的參與振型。

4 結語

在工業生產中，帶式物料運輸機已有較多應用，其相對其他運輸方式具有可連續運輸、長距離運輸和運輸量大等優點。但是，帶式運輸機需要固定的運輸廊道，在跨越障礙時需要設置專用廊道橋。本文以某鋁土礦帶式運輸機跨河廊道橋為工程背景，設計了主跨270m的大跨徑斜拉橋結構，實現了大跨度跨越河流，保證了橋下河流通航凈空和泄洪要求，該橋的設計為工程同類大跨廊道橋提供了借鑒。橋梁動力分析結果表明，相對于常規梁式廊道橋，其基頻較小，具有較大結構柔度的特性;橋梁振型較為密集，在采用反應譜分析或其他地震反應分析時應考慮更多數量的參與振型。

參考文獻：

[1]樊娜.鋼結構通廊振動分析及減振設計[D].西安：西安建筑科技大學，2016.

[2]戴杰.鋼箱梁斜拉橋合理成橋狀態與合理施工狀態優化方法研究[D].西安：長安大學，2016.

[3]國家市場監督管理總局，中國國家標準化管理委員會.斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索：GB/T?18365—2018[S].北京：中國標準出版社，2018.

[4]苑仁安.斜拉橋施工控制：無應力狀態法理論與應用[D].成都：西南交通大學，2010.

[5]MIDAS?IT?（Beijing）?Corporation.MIDAS/CIVIL?Analysis?for?Civil?Structures[Z].2004.

[6]習勇.大跨度混合梁獨塔斜拉橋地震反應分析及減震措施研究[D].長沙：長沙理工大學，2010.

[7]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[8]交通運輸部.公路橋梁抗震設計細則：JTG/T?B02-01—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.