大型建筑鋼結構施工及防震安全研究

摘" 要：橋梁是公路交通系統的重要組成部分，起到銜接和樞紐的作用。橋梁的安全關系到整個公路交通網絡的安全。針對大型橋梁的建筑問題，提出一種用于大跨度鋼結構的施工技術——桁架施工方案，包括桁架施工的流程和關鍵點。針對橋梁在使用過程中可能受到的各種震動及其引發自振所帶來的安全問題，進一步提出防震安全測試方法。在這些方法中，提出了3種模型，分別是基于虛功的防震測試模型、基于增量的防震測試模型、基于自振的防震測試模型。實驗過程中，對施工橋梁多個點位進行測試，測試結果顯示，在3種防震測試方法中，基于自振的防震測試模型效果最好，可以為鋼結構橋梁的防震性能提供準確的分析和預測。

關鍵詞：橋梁施工;鋼結構;桁架結構;防震性能;安全分析

中圖分類號：U448" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0163-04

Abstract： Bridges are an important component of the highway transportation system， playing a role of connection and hub. The safety of bridges is related to the safety of the entire highway transportation network. A construction technology for large-span steel structures， truss construction scheme， is proposed to address the construction issues of large bridges， including the process and key points of truss construction. A seismic safety testing method is further proposed to address the various vibrations that bridges may experience during use and the safety issues caused by their self vibration. Among these methods， three models are proposed， namely the virtual work based seismic testing model， the incremental seismic testing model， and the natural vibration based seismic testing model. During the experiment， multiple points of the construction bridge were tested， and the test results showed that among the three seismic testing methods， the seismic testing model based on natural vibration had the best effect， which can provide accurate analysis and prediction for the seismic performance of steel structure bridges.

Keywords： bridge construction; steel structure; truss structure; seismic performance; safety analysis

隨著國家經濟的快速發展，我國的公路交通網絡規模不斷擴大、里程不斷延伸，基本實現了對國土的全覆蓋。公路交通的快速發展，也為經濟發展和人民生活提供了極大的便利。在公路交通網絡中，橋梁是非常重要的銜接和樞紐部分[1]。例如，在河流或高空峽谷的特殊區域，在多條公路的交叉疊加區域，都必須通過橋梁的施工架設完成銜接和過渡。因此，在公路交通系統中，橋梁已經發揮著越來越大的作用[2]。為了提升橋梁的建筑質量并改善作業效率，鋼結構在橋梁施工中得到了更多的應用，鋼結構本身的強度和穩定性，對于橋梁的大跨度施工問題也具有更好的針對性[3]。施工后的橋梁投入運營后，要特別注意安全性問題。其中，震動是影響橋梁安全的重要問題。影響橋梁震動的原因很多，如自然天氣、地質災害、車行通過的重量數量或速度等等。尤其是外部因素引發橋梁自振，會更加危險[4]?；谏鲜龇治觯瑢蛄菏┕栴}進行研究，并采用合理的模型進行鋼結構橋梁的防震性能分析，具有十分重要的意義，這也是本文主要開展的2項工作。

1" 大跨度橋梁的鋼結構施工

在公路交通系統中，橋梁一般用于對河流、峽谷的跨越，施工層面上表現為對兩側公路的銜接。因為騰空的橫跨設計，橋梁施工和普通的路面施工截然不同。橋梁因為騰空設計，自身較大的自重就表現出了更大的影響。同時，橋梁的跨度一般都比較大，對結構的穩定性有著更高的要求。

考慮到整體橫跨的施工難度較大，可以采用桁架結構從局部到整體的逐漸延伸，完成橋梁的施工。進一步考慮到橋梁承載力等方面的需求，桁架結構采用鋼質材料更佳。在橋梁結構中，給出一個局部的桁架鋼結構，如圖1所示。

從圖1中不難發現，雖然橋梁的整體跨度大、延伸長度長，但可以通過鋼結構的桁架搭建并不斷延伸，完成整體上的設計。這樣，每一個局部上的鋼梁或鋼架長度不需要特別長，施工上容易處理。另外，各個鋼架之間的鉸鏈非常重要，它起到了銜接和承載受力、確保桁架結構穩定的關鍵作用。具有桁架結構的鋼橋示意圖，如圖2、圖3、圖4所示。

上述3個示意圖中，鋼橋總體外觀雖然各有不同，但都采用了鋼桁架結構，其基本原理和特點是一致的。

為了確保大跨度鋼結構橋梁的施工安全，在施工過程中對于桁架結構要進行多步驟的處理，具體如圖5所示。

從圖5中可以看出，在橋梁鋼結構桁架施工的處理過程中，為了提升其整體安全性，主要采取了這樣的措施：根據橋梁鋼結構桁架的總體優化目標，進行桁架結構的應力分析并達到應力平衡，在應力分析的基礎上對桁架結構的安全性進行分析，主要包括截面應力分析、位移穩定性分析，結合這些分析結果，在確保安全的前提下降低桁架結構的重量，使得橋梁整體鋼結構的質量更輕，最關鍵的是要避免橋梁的桁架結構因外部某些因素產生共振[5]。因為一旦發生共振，就會導致桁架結構的使用壽命降低，甚至出現嚴重的質量問題，如振裂、坍塌等現象。

2" 大跨度鋼結構橋梁的防震性能分析方法

施工橋梁的主要安全問題，來自于震動對橋梁結構的影響。因此，對橋梁結構的防震性能進行分析，具有十分重要的意義。本文中，建立3種模型來完成這種分析，分別是基于虛功模型的防震性能分析方法、基于增量模型的防震性能分析方法、基于自振模型的防震性能分析方法，如圖6所示。

2.1" 基于虛功模型的防震性能分析方法

基于虛功模型的防震性能分析方法，是將影響橋梁桁架結構的各種指標設定為約束，再建立虛功模型加以分析的一種方法。其中，敏感性指標計算如下

式中：i為威脅橋梁桁架結構的第i個指標;k為威脅橋梁桁架結構的第k個指標;s為在第k個指標出現后橋梁桁架結構的第i個指標也出現的可能性，即敏感性指標;Δgi為橋梁桁架結構的第i個指標出現的改變量;Δνk為橋梁桁架結構中第k個指標的改變量。

為了便于在現實中完成求解，敏感性指標可以通過微分形式完成求解，計算如下

式中：i為威脅橋梁桁架結構的第i個指標;k為威脅橋梁桁架結構的第k個指標;s為在第k個指標出現后橋梁桁架結構的第i個指標也出現的可能性，即敏感性指標;dgi為橋梁桁架結構的第i個指標的微元;dνk為橋梁桁架結構中第k個指標的改變量微元。

在整個虛功模型中的假設條件下，橋梁桁架結構所受外力演變為內部虛功，二者作用相等，計算如下

，" " " " " " " " （3）

式中：δWe為橋梁桁架結構所承受的外力所對應的虛功總量;δWi為橋梁桁架結構所承受的內力所對應的虛功總量。

如果進一步考慮到橋梁桁架結構中的每一個鋼架構架，可以得到

式中：δWe為橋梁桁架結構所承受的外力所對應的虛功總量;k為橋梁桁架結構的鋼架順序;P為橋梁桁架結構的構件總數;ek為橋梁桁架結構的第k個鋼架。

2.2" 基于增量模型的防震性能分析方法

大跨度結構設計變量較多，若在優化過程中計算每一個設計變量的敏感性系數，整個優化過程將耗費大量時間，且對于整體結構優化來說，精確到構件層級的敏感性分析并不具有必要性，可通過概念判斷或工程經驗將設計變量成組[6]。

對于不同組的設計變量，若設計變量改變量相等，對于敏感性系數的比較可以轉換為對約束條件改變量的比較。等增量敏感性就是指不同構件組增加相同成本，引起某約束條件的變化量。通過比較約束條件的變化量，可判斷各構件組的敏感性。若約束條件改變量為正，構件組的敏感性系數為正;若約束條件改變量為負，構件組的敏感性系數為負;若約束條件改變量為零，構件組對約束條件不產生影響。

虛功敏感性系數分析法通過虛功原理等數學、力學方法推導建立設計變量和約束條件之間的顯式關系，再求出約束條件對某設計變量的偏導，即敏感性系數?？商崛〗Y構模型的真實工況和虛擬工況下構件受力、構件尺寸及材料參數，還可以通過編程計算單根構件敏感性系數，再對同一構件組進行敏感性系數的加權平均（權重為構件成本或體積）。程序僅運行一次即可獲得約束敏感性。

增量敏感性分析方法通過對不同構件組增加成比例的成本或體積，利用通用結構分析軟件比較約束條件的變化量，以此判斷各構件組的敏感性。構件分組越精細，計算結果越精確;但分組越精細，計算模型越多，耗費的時間也越長，因此要結合考慮工程需要和計算結果準確度等因素合理確定構件分組的數量。

2.3" 基于自振模型的防震性能分析方法

在很多情況下，橋梁桁架結構在能量守恒的過程中，整體上符合簡諧振動規律，這樣就形成了橋梁自振和虛功的對應，計算如下

式中：ω為橋梁桁架結構的固有頻率;W為橋梁桁架結構的虛功;M為橋梁桁架結構的質量大小;?為橋梁桁架結構的振型向量。

根據上面的推演，進一步計算得出

T=，" " " "（6）

式中：ω為橋梁桁架結構的固有頻率;T為橋梁桁架結構的振動周期。

3" 大跨度鋼結構橋梁的防震安全測試實驗

在前面的研究工作中，給出了大跨度橋梁桁架鋼結構的施工方案和方法，進而提出了3種模型用于對橋梁桁架結構的防震性能進行分析。在接下來的過程中，就通過具體的實驗完成這種測試。測試的過程中，在大跨度橋梁桁架鋼結構上選擇5個測試點位，這些點位所在的高度、水平方向上的位置都有所差異。當外部產生震動影響，橋梁桁架結構的振動敏感性指標表現如圖7所示。

從圖7的對比結果可以看出，在本文提出的3種分析方法中，基于自振模型的防震性能分析方法獲得了更高的振動敏感性參數，這一點在5個測試點位上都有同樣的表現。這表明，一旦外部產生了震動影響因素，橋梁桁架結構的防震效果，通過自振模型法可以最快、最有效地檢測出來。再橫向對比5個測試點位，也可以看出橋梁桁架結構上的5號測試點位，表現出了更為明顯的震動敏感性，這也是需要加固的點位。

4" 結論

在日益發展的公路交通系統中，橋梁發揮了不可或缺的重要作用。橋梁的安全關系到整個公路交通網絡的安全。針對大型橋梁的建筑問題，提出了一種用于大跨度鋼結構的施工技術——桁架施工方案，包括桁架施工的流程和關鍵點。針對橋梁在使用過程中可能受到的各種震動及其引發自振所帶來的安全問題，進一步提出了防震安全測試方法。在這些方法中，提出了3種模型，分別是基于虛功的防震測試模型、基于增量的防震測試模型、基于自振的防震測試模型。實驗過程中，對施工橋梁多個點位進行測試，測試結果顯示：在3種防震測試方法中，基于自振的防震測試模型效果最為理想，可以依據其分析得到最佳的防震安全策略。

參考文獻：

[1] 馬坤全，吳定俊，曹雪琴.高速鐵路鋼結構橋梁橋面結構布局探討[J].鐵道標準設計，2003（12）：56-59，115.

[2] 惠記莊，樊博涵，丁凱，等.基于虛擬現實的鋼結構橋梁裝配化施工仿真系統[J].建筑科學與工程學報，2022，39（4）：91-99.

[3] 暢三軍，陳少波，劉紅亮.橋梁鋼結構不銹鋼復合板對接焊縫超聲橫波檢測缺陷定位研究[J].無損探傷，2024，48（2）：53-61.

[4] 翟新峰.公路獨柱橋梁鋼結構支撐加固改造施工技術研究[J].工程機械與維修，2022（2）：179-181.

[5] 張巖.橋梁鋼結構施工技術控制要點分析[J].建材與裝飾，2017（21）：261.

[6] 韋建旺.鋼結構施工抗震性能研究[J].建材發展導向，2024，22（4）：61-63.

作者簡介：朱新瑤（1992-），女，工程師。研究方向為施工安全。