连续钢桁梁悬拼施工中人体对振动的适应性研究

徐 宏，郭 敏

(中国中铁一局有限公司，陕西 西安 710054)



连续钢桁梁悬拼施工中人体对振动的适应性研究

徐 宏，郭 敏

(中国中铁一局有限公司，陕西 西安 710054)

针对连续钢桁梁悬拼施工中的风荷载效应问题，以某下承式连续钢桁梁柔性拱桥悬拼施工为工程背景，建立三维有限元模型，分析了在不同风速时程作用下的动力响应对施工人员的影响。结果表明，横向风荷载是引起结构横桥向水平支反力的主要因素，而结构在三至六级风荷载作用下引起的横向振动不会对人体造成明显不适。

连续钢桁梁；悬臂拼装；风荷载作用；人体感受

0 引 言

平均风[1]对结构的作用通常被模拟成静力荷载，用来计算结构在风荷载作用下的内力、变形和屈曲稳定性；脉动风[2]对结构的作用通常被模拟成为动力荷载，主要用来计算结构在动风荷载作用下的各种响应。在钢桁梁悬拼施工中，分析平均风和脉动风作用下结构力学状态，确定施工各阶段结构强度、变形、稳定性状况及动力响应，对保证结构强度安全和施工人员的适应性至关重要[3-4]。本文通过对某钢桁梁悬拼施工仿真计算，分析横向风荷载对结构内力、变形及屈曲稳定性的影响。以风洞试验获得的实测风速时程模拟不同风级风荷载对结构的作用，计算结构的瞬态风致振动的加速度，进而评估施工人员在不同风级环境中身体的适应情况[5-6]。

1 工程概况

某跨径112 m+3×168 m+112 m下承式刚性连续梁柔性拱桥，主桁梁高16.0 m，节长14.0 m，圆曲线柔性拱矢高30 m，矢跨比为1/4.67，采用铸钢滑板支座，3号墩处为固定支座，其余为活动支座。

大桥第五跨钢梁在钢管桩平台上完成拼装，然后自左向右依次节段悬拼钢桁梁及桥面板，并在一至四跨跨中布设钢筋混凝土临时支墩。当钢梁拼装完毕后，在二至四跨桥面搭设膺架，完成拱肋及横向联结系安装，大桥总体布置如图1所示。

施工过程仿真计算采用“恒载+施工荷载+静风荷载+温度荷载”的方式进行分析。恒载取结构自重；施工荷载取吊机静荷载，简化成4个集中力荷载，前支点集中力分别取750 kN，后支点集中力分别取250 kN；静风荷载只考虑横向静风荷载；温度荷载取系统平均温差7 ℃，初始温度21 ℃。

2 风荷载作用分析

2.1 结构的风致响应分析时域法

脉动风对大跨径桥梁的动力响应较为显著，尤其是桥梁的横向动力响应，主要受横向脉动风荷载控制，且随风速的增大而增大。桥梁风振响应分析方法主要有频域分析法和时域(程)分析法，频域分析法把结构和风的相互作用看作线性时不变系统，通常忽略自激力和振型之间的耦合且不考虑结构的非线性；而时域分析法把风速时程作用于桥梁结构进行风振响应分析，能较好地考虑非线性因素[7]，因此通过风洞试验或者现场实测获得风速时程时，时域分析方法则有一定的优势。鉴于钢桁梁的构造特点，其桁架结构风的通过性较好，为简化计算，可以将风荷载近似模拟成为作用于桁架结构的瞬态冲击荷载进行分析。

对桥梁进行风致响应时程分析的关键是获得相应的风速时程曲线。通过风洞试验获得风速时程是目前较为可靠的技术手段之一，风速仪实测记录的风速时程统计样本可近似描述对应平均风速下脉动风的经历过程，将其作为脉动风的统计特征。基于该统计数据可近似模拟不同风速的时程曲线，进而计算结构的动力响应。

2.2 脉动风荷载的生成

通过风洞试验获得六级风(上限风速为13.8 m·s-1)的风速时程曲线，如图2所示。对应于ti时刻的风速为Vi，记录风速仪实测的脉动风速序列为(Vi)，i=1,2，…，m，其中m为连续风速参数组数。该风速时程的平均风速为

(1)

(2)

式中：V0为风洞试验获得的脉动风的平均风速；ti为风速时程第i个时间步的末点时刻；Vi为ti时刻实测的风速值；F(V0,ti)为V0作用到结构侧向产生的总风荷载；F(Vi,ti)为Vi作用于结构侧向产生的总风荷载；{F(V0,ti)}和{F(Vi,ti)}分别为风速V0、Vi作用下结构承受的侧向风荷载时程。

通过该方法可获得风力等级为三、四、五级风的上限风速时程序列，并分别将该风速时程计算得到的脉动荷载作为激励对结构进行动力响应分析。

2.3 横向脉动风作用下结构响应的计算

2.3.1 风致振动有限元模型建立

结合施工实际，建立最大悬臂拼装施工工况下结构三维ansysy有限元模型，如图3所示。将桥面板等效成恒载并转换成横梁质量密度作用在结构上，其余杆件均采用Beam4梁单元建模，钢桁梁全长168 m，钢桁梁节段长14 m，悬臂长度为84 m，固定端约束为固结，悬臂根部约束为铰接。横向风荷载等效成节点力施加在钢桁梁上下弦主节点上。

2.3.2 横向脉动风作用下结构动力响应计算

(1) 根据实测风速时程，生成脉动风荷载序列{F(Vi,ti)}。

(2) 将生成的脉动风荷载等效成节点集中荷载序列施加在钢桁梁上、下弦主节点上。

(3) 应用Ansys瞬态动力分析功能计算结构在上述激励下的位移响应，时间步取0.5 s，位移响应取悬臂端下弦主节点处位移响应值。

(4) 由位移响应生成每时间步0.5 s内横向平均位移对应的数据序列φ(ti)，i=0,0.5,1,…，63.5,64。

(5) 计算结构在每个时间步0.5 s内横向振动加速度序列。

强迫振动下结构悬臂端下弦节点横向振动速度序列按式(3)计算

(3)

式中：φ(ti)、φ(ti-1)分别为ti、ti-1时刻结构横向位移；Δt为有限元分析中实际采用的时间步长(ti-ti-1)，本算例取值0.5 s。

得到对应的横向振动加速度

(4)

结构悬臂端下弦节点在风速分别为5.4、7.9、10.7 m·s-1和13.8 m·s-1时的横向位移响应曲线和振动加速度曲线如图4～11所示。

2.4 风荷载对施工人员的影响

大跨度钢桁梁桥在悬拼施工过程中常会出现晃动现象，给施工人员造成不同程度的心理影响。人体对振动的敏感性主要由振动加速度决定，当钢梁的振动加速度达到一定程度时，桥上的作业人员会产生不适。一般情况下，一、二级风不会对施工造成任何影响，且施工规范要求风力大于六级时必须停止施工，所以只需要考虑三到六级风对施工人员的影响情况。不同等级横风荷载作用下结构悬臂端下弦节点的横向最大位移及振动加速度计算结果见表1。

表1 横向最大位移及振动加速度

研究表明，人体可明显感知的侧向振动加速度为0.12 m·s-2，人体能够接受的最大侧向振动加速度为0.2 m·s-2。表1计算结果表明，在三到六级风作用下，结构悬臂端下弦节点横向最大振动加速度为0.012 m·s-2，显然，人体均不会因结构侧向振动而感觉明显不适。

3 结 语

通过计算分析，可以得出以下主要结论。

(1) 悬臂拼装施工阶段横向静风荷载引起的结构应力、支反力均比较小，其最大值基本都在悬臂梁根部截面。横向风荷载可引起结构明显的横向偏位，最大偏位均发生在悬臂梁的悬臂端。

(2) 钢桁梁结构迎风面积较其他梁类型结构偏小，而横向抗弯刚度较大，因此风荷载引起的结构横向变形较小，84 m长悬臂端横向最大位移为0.014 m，为悬臂长度的1/6 000。

(3) 横向脉动风荷载会引起结构横向振动，但当风速等级小于六级时，结构横向振动不会引起施工人员身体出现明显不适。

[1] 马 骏,周 岱,李 磊,等.风时程模拟的高效高精度混合法[J].工程力学,2009,26(2):53-60.

[2] 江 勇,王肈民,王洪涛.大跨空间钢结构时域等效静力风荷载理论研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2008,31(2):202-206.

[3] 张 引.大跨多跨连续钢梁架设及施工监控研究[J].公路交通技术，2007(3):122-124.

[4] 李芳军，彭月燊.万州长江大桥钢桁拱系杆梁桥架设技术[J].中国铁道科学,2007,28(6):136-140.

[5] TZ203—2008,客货共线铁路桥涵工程施工技术指南[S].

[6] JTG D60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[7] 包龙生,刘克同,于 玲,等.大跨度桥梁空间脉动风场的数值模拟[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版，2010,26(2):238-243.

[责任编辑: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

国家自然科学基金(50808018)；陕西省重点科技创新团队计划项目(2012KCT-27)

U445.4

B