带式运输机过河廊道斜拉桥的设计与动力特性分析

陶小委　马赟　宋粉丽

摘 要：带式物料运输机在工业生产中已有较多应用，在跨越障碍时需要设置专用廊道桥。本文以某采矿项目带式运输机跨河廊道桥为工程背景，设计了主跨270m的大跨径斜拉桥结构，保证了桥下河流通航净空和泄洪要求。该桥的设计可为同类工程大跨廊道桥提供借鉴。同时，采用有限元计算软件对桥梁进行了动力特性分析。结果表明，桥梁具有较大柔性，桥梁振型较为密集，在采用反应谱分析或其他地震反应分析时应考虑更多数量的参与振型。

关键词：带式运输机;斜拉桥;设计;动力特性

中图分类号：U448.27 文献标识码：A 文章编号：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

带式运輸机能够实现物料的连续和长距离运送，具有结构简单、工作可靠，运行平稳、噪声小，运送量大且不损伤被输送物料等特点。近年来，由于工业和技术的发展，散装物料的带式输送机大量运用于冶金、化工、电站、港口、海口等工业领域[1]。带式输送机长距离运输时，往往需要跨越河流、山谷、道路、建筑物等，当跨度较小时采用普通钢筋混凝土廊道桥即可跨越，当跨度较大时可采用钢桁架廊道桥，当单跨跨度进一步加大并超过100m时，采用常规的梁式廊道桥已不能满足工程需求，需要采用跨越能力更强的结构形式。在公路和市政大跨度桥梁中，预应力混凝土梁式桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等桥型均有较多应用，但在工业带式运输机廊道桥中的应用较少。本文以某铝土矿带式运输机跨河廊道桥为工程背景，进行了大跨度廊道斜拉桥的设计，并进行了相关计算分析。

1 工程背景

某采矿项目皮带运输机跨河廊道跨越河流，主河道全宽约为400m，桥下通航净空要求不低于7.7m。跨河廊道需设置2条皮带机，单条皮带机设计恒载为4.1kN/m，设计物料活载为2.5kN/m;皮带机两侧需要设检修道，设计人群活载为2.0kN/m2。由于河道较宽且河流有泄洪和通航要求，采用常规的钢桁架桥梁廊道时，需要在河道中设置多处桥墩，其已不能满足项目要求。因此，跨河廊道需要设计为跨越能力更强的结构形式。另外，考虑桥位景观需求，斜拉桥或悬索桥更适合本项目需求。斜拉桥拉索的多点弹性支承使主梁的受力类似于多跨连续梁，从而减小了主梁弯矩和梁体尺寸，减轻了梁体重量，使其具有很强的跨越能力，与悬索桥相比，斜拉桥的抗风性能优越，且不需要庞大的锚固装置[2]。因此，设计最终选定主跨270m的斜拉桥跨河廊道方案。

2 廊道斜拉桥的设计

2.1 总体设计

如图1所示，桥梁设计为双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，设计跨径组合为（44+64+270+64+44）m，全桥共设置40对平行钢丝斜拉索，44m边跨梁上索距为8.0m，64m次边跨梁上索距为12.0m，270m主跨梁上索距为12.0m，其中主跨跨中无索区长度为22.0m。桥梁主塔设计为H型混凝土塔，承台以上塔高为77.0m，设计混凝土强度等级为C50，桥梁基础采用钻孔灌注桩基础。桥梁主梁采用Q345D钢，由边主梁、横梁和正交异性钢桥面板组成，主梁顶面设10cm厚混凝土铺装层;桥梁两边跨主梁设压重段，采用铁砂混凝土压重。

2.2 横断面设计

横断面设计首先要考虑皮带机设备安装和设备检修空间要求，然后结合拉索布置、栏杆设置等构造要求和受力需要进行确定。廊道桥横断面布置如图2和图3所示，主梁全宽为11.0m，主跨和次边跨标准段梁高为1.5m，边跨压重段设计梁高为1.8m;桥梁横向布置2条皮带机设备、4条检修道，外侧检修道设防护栏杆，中间1.3m为分隔带;斜拉索锚固区位于主梁两边最外侧，横向拉索间距为10.0m。

2.3 斜拉索设计

斜拉索设计采用抗拉强度标准值1 670MPa的平行钢丝斜拉索，其技术条件应满足《斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索》（GB/T 18365—2018）的技术要求[3]。采用零位移法[4]，以恒载状态下主梁控制点竖向位移作为控制目标，通过对索力的调整，使得主梁控制点竖向位移为零，并兼顾塔、梁关键截面内力和主塔位移，由此确定拉索的合理成桥索力和拉索型号。斜拉索设计型号和设计成桥索力如表1所示。

3 桥梁的动力特性分析

3.1 动力特性计算方法

斜拉桥是质量和刚度连续分布的结构体系，具有无限多个自由度，实际计算可对结构各部分离散处理，划分为有限个自由度的计算模型。一般阻尼对结构自振特性的影响很小，因此在求解结构的自振频率和振型时，通常忽略阻尼的影响。

假设结构离散划分后有[n]个自由度，则该体系的自由振动可用式（1）来表示。

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

式中，M、K分别为结构体系的质量和刚度矩阵;[U（t）]为结构体系各节点的位移矢量。

与上述[n]和自由度的振动模型相对应的特征方程可表示为：

（K-ω2M）U=0                             （2）

由于位移是任意的，其应当满足以下条件：

K-ω2M=0                                         （3）

式（2）的特征值問题通常采用子空间迭代法求解，所求得的[n]个实根分别代表结构的[n]个自振频率。一旦得到体系的振动频率矢量，将各个振型频率代入式（2），就可得到相应的振型或模态。上述过程可通过桥梁计算有限元软件实现。

3.2 有限元计算模型

借助有限元软件midas/Civil，采用子空间迭代法[5]求解桥梁动力特性，采用有限元计算软件midas/Civil建立桥梁计算模型，主塔、边主梁和横梁采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，斜拉索采用索单元进行模拟。如图4所示，有限元模型共划分为1 460个点、2 300个梁单元、1 204个板单元和80个索单元。

3.3 动力特性计算结果分析

斜拉桥的动力特性与多种因素有关，包括桥梁跨度和桥宽、主梁截面形式与材料、塔梁连接方式、桥塔形式和材料、斜拉桥纵横向布置以及辅助墩数目和位置等[6]。斜拉桥动力特性包括结构的自振频率和振型等，它反映了斜拉桥的质量分布和刚度指标，其计算是进行桥梁结构抗风、抗震设计的基础[6-8]。计算桥梁典型振型和频率，如表2所示，桥梁前3阶振型如图5至图7所示，桥梁扭转振型如图8所示。

上述计算结果表明，桥梁基频为0.319，相对于常规梁式廊道桥，其基频较小。由于桥梁主跨跨度较大，主梁宽度和高度相对较小，桥梁1阶振型为横桥向侧弯，体现了该桥型较大结构柔度的特性。计算可知，桥梁第70阶振型出现主梁扭转，对应振动频率为1.095Hz。桥梁振型较为密集，在一个并不宽的频段内分布着很多模态，因此对于该桥，在采用反应谱分析其他地震反应时，应考虑更多数量的参与振型。

4 结语

在工业生产中，带式物料运输机已有较多应用，其相对其他运输方式具有可连续运输、长距离运输和运输量大等优点。但是，带式运输机需要固定的运输廊道，在跨越障碍时需要设置专用廊道桥。本文以某铝土矿带式运输机跨河廊道桥为工程背景，设计了主跨270m的大跨径斜拉桥结构，实现了大跨度跨越河流，保证了桥下河流通航净空和泄洪要求，该桥的设计为工程同类大跨廊道桥提供了借鉴。桥梁动力分析结果表明，相对于常规梁式廊道桥，其基频较小，具有较大结构柔度的特性;桥梁振型较为密集，在采用反应谱分析或其他地震反应分析时应考虑更多数量的参与振型。

参考文献：

[1]樊娜.钢结构通廊振动分析及减振设计[D].西安：西安建筑科技大学，2016.

[2]戴杰.钢箱梁斜拉桥合理成桥状态与合理施工状态优化方法研究[D].西安：长安大学，2016.

[3]国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会.斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索：GB/T 18365—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[4]苑仁安.斜拉桥施工控制：无应力状态法理论与应用[D].成都：西南交通大学，2010.

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

[6]习勇.大跨度混合梁独塔斜拉桥地震反应分析及减震措施研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[7]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[8]交通运输部.公路桥梁抗震设计细则：JTG/T B02-01—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.