煤礦輸煤棧橋抗振性能及動力響應(yīng)

谷拴成，姚博語，任 翔，王 勁

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長慶油田西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

0 引 言

鋼桁架輸煤棧橋是帶式輸送機(jī)的重要承重構(gòu)件，是煤炭、電力、冶金等產(chǎn)業(yè)中十分關(guān)鍵的連接通道，在生產(chǎn)流程中扮演著十分重要的角色[1-3]。結(jié)構(gòu)有跨度大、剛度小及傾斜角大的不利因素，存在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度沿豎向分布不均勻，薄弱點多，安全、穩(wěn)定問題突出[4-5]。近年來，鋼桁架輸煤棧橋事故頻出，如果鋼桁架輸煤棧橋結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，將導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)鏈陷入癱瘓，帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此確保輸煤棧橋的安全和穩(wěn)定是十分重要且具有研究價值的[6-8]。

國內(nèi)外學(xué)者對橋梁的研究主要集中于結(jié)構(gòu)動力的方面，SIMON等提出通過優(yōu)化腹桿體系及鋼桁架布置方式可以提高輸煤棧橋整體剛度的研究方法。[9-11]。張月強(qiáng)等主要研究大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁以及大跨度斜拉橋，提出了等效荷載瞬時卸載法以及三個階段控制的理論[12-13]。CASADO、張建偉等針對大跨度斜拉橋的抗振性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并描述了在多方向激勵下，斜拉橋的振動響應(yīng)，分析了其抗振性能的研究方法[14-15]。沈星等對機(jī)械振動下超大跨度橋梁的抗振性能與振動控制進(jìn)行研究，提出了具體的抗振方式[16-18]。倪永軍等對比國內(nèi)外大跨度橋梁的抗振設(shè)計規(guī)范，為大跨度橋梁的抗振設(shè)計提供參考依據(jù)[19-21]。李強(qiáng)等對鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行了有效識別，用有限元軟件建立了該橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析整體結(jié)構(gòu)在荷載激勵條件下的動力響應(yīng)，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對比[22-23]。以上文獻(xiàn)僅限于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震分析，考慮的相關(guān)因素不多，且輸煤棧橋結(jié)構(gòu)相對于一般橋梁結(jié)構(gòu)有其獨有的特點，針對這一特殊結(jié)構(gòu)的研究相對較少。

結(jié)合輸煤棧橋，建立有限元分析模型，計算分析棧橋動力特性，并將有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值進(jìn)行對比分析，驗證有限元計算正確性，揭示輸煤棧橋動力特性，為今后煤礦輸煤棧橋的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 皮帶輸煤棧橋動力特性

1.1 輸煤棧橋動態(tài)響應(yīng)機(jī)理

棧橋振動主要是由兩種不同的激勵方式引起的，分別為：①物料在皮帶上的不規(guī)則運(yùn)動所產(chǎn)生的沖擊荷載；②皮帶下的托輥在高速轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的間歇激勵。這兩種荷載確定的難度非常大[24]，動荷載和動荷載產(chǎn)生的動力響應(yīng)之間存在著線性關(guān)系，簡支梁橋在外荷載f(x，t)作用下的運(yùn)動方程可表示為

(1)

式中EI為簡支梁抗彎剛度；m為單位長度質(zhì)量；c為阻尼系數(shù)；u(x，t)為簡支梁豎向位移。

若外荷載為長度為Lt的勻速移動均布荷載p，則f(x，t)可表示為

f(x,t)=-p·[H(x-vt+Lt)-H(x-vt)·

(2)

式中v為荷載速度；Lb為簡支梁跨度；H為Heaviside函數(shù)。公式(2)等號右邊的前半部分反映作用于簡支梁上荷載的空間屬性；后半部分則反映了作用于簡支梁上荷載的時間性質(zhì)，移動荷載從到達(dá)簡支梁時由H(t)開始，離開簡支梁時引入H(t-(Lt+Lb)/v)。

1.2 鋼桁架輸煤棧橋動力分析有限元方程

采用有限元軟件分析模塊的動力算法模擬，表達(dá)式為

(3)

(4)

式中 [M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；[P]為節(jié)點荷載向量[25]。

2 輸煤棧橋

2.1 棧橋結(jié)構(gòu)

鋼桁架輸煤棧橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用工字型鋼或雙角鋼作為上部結(jié)構(gòu)主要受力桿件；兩個側(cè)面由上、下弦、豎向和斜向腹桿組成。為確保鋼桁架棧橋有充足的操作空間和人行通道，用桁架的端豎桿與檁條在結(jié)構(gòu)上部組成門型剛架，角部設(shè)置隅撐進(jìn)一步提高剛度。棧橋頂部及兩側(cè)則采用壓型鋼板封閉，形成封閉的空間體系。

圖1 移動均布荷載通過簡支梁橋

圖2 輸煤棧橋內(nèi)外部結(jié)構(gòu)

2.2 棧橋監(jiān)測

2.2.1 選擇監(jiān)測橋跨結(jié)構(gòu)原則

鋼桁架輸煤棧橋結(jié)構(gòu)下部的橋墩對整體結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用，橋墩越高，整體結(jié)構(gòu)就更柔，當(dāng)輸煤棧橋在正常工作時所產(chǎn)生的振動就越大，由此產(chǎn)生的響應(yīng)相較于橋墩較低的結(jié)構(gòu)均比較大；輸煤棧橋結(jié)構(gòu)所處的地形對結(jié)構(gòu)振動也有很大影響，當(dāng)?shù)匦纹露容^大時，桁架結(jié)構(gòu)除自身振動以外，豎向振動也會隨之增大；作為輸煤棧橋的連接處，當(dāng)輸煤棧橋運(yùn)送的物料到達(dá)轉(zhuǎn)載點處時，物料產(chǎn)生的沖擊荷載相比于距離轉(zhuǎn)載點較遠(yuǎn)位置的荷載大很多。

2.2.2 監(jiān)測橋跨結(jié)構(gòu)的選擇

考慮到現(xiàn)場實際及長期監(jiān)測的可行性，除四段外其余三段均由段中展開布置監(jiān)測點，全橋共計19跨作為安全監(jiān)測的對象。

2.2.3 監(jiān)測點布置

基于主要結(jié)構(gòu)的動力測試，監(jiān)測橋跨僅給出動力特性監(jiān)測測點布置，結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測不給出。動力監(jiān)測測點布置在跨中位置，可監(jiān)測三向振動情況(圖3)。

圖3 傳感器布置圖

3 棧橋動力特性

3.1 有限元模型

輸煤棧橋采用鋼桁架體系，桁架跨度為30 m，桁架高度為3.5 m，主桁架采用斜腹桿進(jìn)行支撐，桁架兩側(cè)設(shè)置斜腹桿，桁架的上下弦桿與兩側(cè)桁架剛接，框架柱與框架梁的混凝土等級為C35，鋼筋為HRB335，鋼材為Q345B，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50 a，場地類別為Ⅱ，抗震設(shè)防烈度為6度。

棧橋鋼桁架主要使用雙角鋼及工字鋼，由于其結(jié)構(gòu)特殊性，上弦桿和下弦桿的鋼結(jié)構(gòu)桿件布置形式相同，但由于荷載主要由下弦桿支撐，桿件橫截面尺寸大于上弦桿(表2、圖4～圖6)。

表1 材料屬性

圖4 目標(biāo)棧橋截面及桿件布置

圖5 上弦支撐截面及桿件布置

圖6 下弦支撐截面及桿件布置

表2 構(gòu)件截面特性表

3.2 模型化簡原則

為了滿足結(jié)構(gòu)受力的實際情況，對結(jié)構(gòu)的計算模型進(jìn)行簡化。

目標(biāo)結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)構(gòu)成分包括結(jié)構(gòu)體系、節(jié)點、荷載、主要桿件。將桿件視為軸線，并以節(jié)點間距計算，荷載直接作用于軸線之上，不考慮偏心影響；建立模型時忽略對整體結(jié)構(gòu)影響較小的屋面、輸煤皮帶等構(gòu)件，荷載以恒荷載及活荷載的形式傳遞至計算模型。

3.3 荷載條件

除去結(jié)構(gòu)自重荷載，其他的恒載及活載等均等效為均布荷載施加在桁架結(jié)構(gòu)的上弦桿及下弦桿上。施加在桁架結(jié)構(gòu)上部的均布恒載為0.5 kN/m，均布活載1.9 kN/m，桁架結(jié)構(gòu)下部施加的均布恒載為4.9 kN/m，均布活載5 kN/m。施加移動荷載為60kN/m，運(yùn)行速度2.5 m/s。

根據(jù)上述化簡原則與荷載條件，建立單跨有限元計算模型(圖7)。

圖7 棧橋有限元計算模型

3.4 模態(tài)分析

3.4.1 模態(tài)提取方法

為達(dá)到結(jié)構(gòu)規(guī)范[26]要求，對所得所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量參與系數(shù)及累計值的判定方法。若考慮結(jié)構(gòu)所有振型，則各方向質(zhì)量參與系數(shù)之和為100%。通過檢查所有振型中橫、縱、豎向各階質(zhì)量參與系數(shù)之和，由此判斷是否滿足規(guī)范要求。由橫、縱、豎3個方向的質(zhì)量參與系數(shù)，能夠判斷出目標(biāo)結(jié)構(gòu)每一階振型的形式。

3.4.2 結(jié)構(gòu)動力特性

采取特征向量法對目標(biāo)模型進(jìn)行分析，得出前30階振型與頻率。在提取模型前10階振型信息后，得到以下結(jié)果(表3)。

表3 棧橋鋼桁架前10階模態(tài)參數(shù)

由表3可得，目標(biāo)棧橋前3階振動頻率分別為3.76，5.58和8.97 Hz，根據(jù)參數(shù)判定規(guī)則，一階振型為橫向平動，三階振型為豎向彎曲，五階振型為不規(guī)則扭轉(zhuǎn)(圖8)。

圖8 鋼桁架振型圖

目標(biāo)棧橋結(jié)構(gòu)節(jié)點編號如圖8、圖9所示。考慮結(jié)構(gòu)最不利荷載位置，選取具有代表性的跨中(35)及四分點(29、41)作為控制點，分別分析棧橋結(jié)構(gòu)在負(fù)載工況下及空載工況下的位移與加速度響應(yīng)(圖10、圖11)。

圖9 各節(jié)點編號

圖10 負(fù)載工況豎向振動位移曲線

圖11 空載工況豎向振動位移曲線

在動荷載作用下，3個分析控制點的動力響應(yīng)變化趨勢基本一致；在空載及負(fù)載工況下，跨中節(jié)點的位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)最大。負(fù)載工況下，跨中豎向位移最大為0.368 mm；空載工況下跨中節(jié)點豎向位移最大為0.049 mm。負(fù)載工況下豎向位移是空載下的7.8倍。說明負(fù)載運(yùn)行時輸煤棧橋的動力放大效應(yīng)要比普通梁橋大很多，如果按照傳統(tǒng)公路橋梁的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，不能滿足輸煤棧橋安全生產(chǎn)的要求。

3.5 頻域分析

目標(biāo)棧橋皮帶在正常運(yùn)行時激振頻率為7.16 Hz，但在實際工況中機(jī)器振動頻率難免有所波動。由于上述情況，將本模型求解頻率范圍設(shè)為0～15 Hz(圖12)。

圖12 控制點位移響應(yīng)曲線

通過分析圖12所示曲線可知結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有3個明顯區(qū)域。結(jié)構(gòu)在振動頻率為2.5～4.3 Hz時位移與加速度響應(yīng)比較大，應(yīng)為第1共振區(qū)，當(dāng)振動頻率為3.4 Hz時響應(yīng)達(dá)到最大值；結(jié)構(gòu)在頻率段為8.5～9.9 Hz范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)同樣有較大響應(yīng)，為第2共振區(qū)；結(jié)構(gòu)在頻率段為11.1～12.3 Hz時為第3個共振區(qū)，相較前2個共振區(qū)，結(jié)構(gòu)位移及加速度相應(yīng)相對較小。由上述分析可以看出第2共振區(qū)相較第1共振區(qū)相應(yīng)較小，且第2共振區(qū)的振動頻率范圍處于正常工作振動頻率范圍之外。當(dāng)輸煤棧橋處于加速至正常工作狀態(tài)或減速至靜止?fàn)顟B(tài)的過程中，盡量避免振動頻率處于第1共振區(qū)范圍內(nèi)，特別是3.4 Hz左右。

3.6 結(jié)果對比

為驗證數(shù)值計算結(jié)果，將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比數(shù)據(jù)均取其最不利位置的最大數(shù)據(jù)，基于現(xiàn)場實測的最大豎向位移為0.354 mm，通過數(shù)值計算的最大豎向位移為0.368 mm，兩者比值為0.96，數(shù)值解接近實測值，表明數(shù)值模型基本正確，可以作為參考依據(jù)。

表4 實測值與計算值對比

4 結(jié) 論

1)目標(biāo)輸煤棧橋前3階振動頻率分別為3.76，5.58和8.97 Hz，結(jié)構(gòu)一階振型為橫向平動變形，二階振型為豎向彎曲變形，三階振型為豎向彎曲變形。

2)時程分析中簡化棧橋動力荷載，對目標(biāo)棧橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進(jìn)行分析，目標(biāo)結(jié)構(gòu)跨中豎向位移最大值為0.368 mm。

3)頻域分析中，當(dāng)輸煤皮帶處于加速或減速過程時，避免結(jié)構(gòu)振動頻率與第1共振區(qū)頻率相同，防止結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)過大而產(chǎn)生破壞。