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摘  要：某試驗架因工藝布局要求，結構體系必須為大跨度無橫向支撐高聳結構，并且作為承載三維隨動系統(tǒng)桁車行走的軌道基礎，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現(xiàn)行規(guī)范，特別是在工作風速下特定頻域段結構體系的動態(tài)相應將對試驗的精度產(chǎn)生很大影響。本文在對結構體系進行靜動力及爆炸分析的基礎上，將工作狀態(tài)下脈動風作用在結構上產(chǎn)生的特定頻域段內(nèi)的動態(tài)響應進行了分析研究，得出了相應的結論。

關鍵詞：試驗架 爆炸分析 靜動力分析 特定頻域段動態(tài)相應

某試驗架因工藝布局要求，該結構體系必須為大跨度無橫向支撐高聳結構，并且作為承載三維隨動系統(tǒng)桁車行走的軌道基礎，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現(xiàn)行規(guī)范，特別是在工作風速下特定頻域段結構體系的動態(tài)響應將對試驗的精度產(chǎn)生很大影響，因此必須對該結構體系進行專門的分析和研究。

1 工藝技術要求

試驗架主體結構可用于試驗的有效內(nèi)部空間100m(長)×20m(寬)×80m(試驗凈高)，塔架設計時需要考慮一定的安全距離。圖1為試驗架空間要求示意圖。試驗架主體結構及設備不能進入圖2所

示的L2、L3、L4區(qū)域造成遮擋。L4區(qū)域為試驗區(qū)域，在試驗時，結構及設備的陰影不能落在L4區(qū)域。

圖1 試驗架空間要求示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)

圖2 試驗場區(qū)圖（平面圖）

根據(jù)內(nèi)部有效空間要求和隨動裝置自身結構狀況，結構只能采用高聳且無橫向支撐的體系，在結構主體上，設置大移動橋作為一級隨動系統(tǒng)，在一級隨動系統(tǒng)上設置雙向齒輪齒條作為二級縱向移動平臺和橫向移動橫梁；二級隨動裝置下面吊掛快速驅(qū)動裝置和探測器，為保證快速隨動裝置和探測器在移動過程中可保證一定的剛度，下部采用六根施加了預應力的鋼絲繩，通過特定的控制機構將其預應力控制在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。一級水平驅(qū)動系統(tǒng)的載荷為90T，二級水平隨動系統(tǒng)縱向移動載荷42T，橫向移動載荷為60T，快速水平隨動系統(tǒng)兩座標承載分別為2.5 T和4T。地面驅(qū)動系統(tǒng)單根鋼絲繩拉力為3T。

另外，除需滿足國家規(guī)范和標準外，整個主體結構應具有較強的結構可靠性，當以試驗用推進劑（TNT炸藥當量4.5kg）爆炸時塔架結構主體必須能保證完整性和安全性，在進行相應維護和維修后可以重新進行試驗。

2 結構體系分析

2.1結構方案

根據(jù)試驗場對塔架的條件要求，主體結構采用鋼結構空間剛架，對于高聳的塔架結構采用此種形式具有受力清晰，風阻系數(shù)小，整體穩(wěn)定性強，美觀大方等優(yōu)點。本結構方案采用兩榀外伸腿門式空間鋼桁架支撐兩根吊車桁架梁（凈主跨70m）外加門式鋼桁架平面外斜支撐組成，兩榀吊車桁架梁端部采用桁架連接。主要控制尺寸如下：1）外伸腿門式鋼桁架跨度上部為26m，下部為70m（兩邊各外伸22m），最頂端標高為98m；支腿截面尺寸為6mx6m，上部鋼桁架截面為6mx4m。2）兩根吊車桁架梁截面為6m×5m～6m×10m的變截面鋼桁架，其外側(cè)與門式鋼桁架連接，吊車桁架梁頂標高為90m，兩端封口鋼桁架截面為5mx5m。3）門式鋼桁架平面外斜支撐截面為6mx5m?？臻g示意、平面位置圖分別見圖3、圖4。

圖3 試驗架空間示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)

圖4 試驗場區(qū)圖（平面圖）

2.2荷載分析、工況組合及靜動力初步分析結果

主材暫定選用Q235-C鋼，擬采用無縫鋼管，因為H型鋼的風阻系數(shù)較圓鋼管稍大，外觀上也更加美觀，所以以采用圓鋼管為主。主要截面尺寸：Φ450×12，Φ250×10。

1）自然條件：抗震設防烈度：8度；設計基本地震加速度值為0.20g；設計地震分組：第一組；基本風壓：0.45 kN/m2;場地類別（Ⅲ類）。

2）荷載分析：恒荷載：包括結構構件自重、吊車（一、二級隨動系統(tǒng)，下同）自重、燈具及吊繩自重、檢修通道等自重；活荷載：快速隨動裝置、實驗模型、檢修荷載、動力沖擊荷載（吊車制動、平臺小車制動、輔助隨動橫向制動荷載等）；風荷載；地震荷載；局部爆炸沖擊荷載等。

3）荷載工況組合：根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》進行荷載組合；主要計算工況：

DL+吊車（含隨動）＋工作條件水平力＋工作狀態(tài)風荷載；

DL+吊車（含隨動）＋極限狀態(tài)水平力；

DL+吊車（含隨動）＋極限狀態(tài)垂直力；

DL+吊車＋地震荷載（含風荷載組合）；

DL+吊車＋風荷載；

DL+吊車＋爆炸荷載（含沖擊超壓分析、不含破片沖擊）；

部分靜動力分析結果見圖5：

圖5 模態(tài)1(1/s)(大跨度高聳試驗架結構方案)

圖6 模態(tài)2(1/s)

圖7 恒活荷載最大豎向位移(m)

圖8 Y向地震位移圖(m)

經(jīng)計算分析，結構前三振型周期分別為2.09、1.97和1.58s，其中前兩個振型為平動，第三振型為扭轉(zhuǎn)，較為合理；工作狀態(tài)最大垂直位移為38mm，滿足工藝條件要求；地震位移及風荷載引起的位移均滿足高聳規(guī)范的要求，吊車水平制動力引起的位移亦滿足鋼結構規(guī)范要求。

2.3爆炸作用分析

根據(jù)工藝條件，相關爆炸沖擊波的荷載見表1。

當爆點在距離其中一個支腿最近（27.5m）處為最不利工況，支腿所受沖擊波超壓最大值見表1。

當爆點在距離桁架底最近（15m）處為最不利工況，桁架所受沖擊波超壓最大值見表2。

表1 支腿沖擊波超壓表

表2 桁架沖擊波超壓表

經(jīng)計算分析，當發(fā)生爆炸時塔架結構主體能保證完整性和安全性，在進行相應維護和維修后可以重新進行試驗。

3 特定頻域段脈動風作用分析研究

3.1格構式平臺結構的風效應分析方法

已有研究表明，準定常假設適合于描述作用在格構式結構上的脈動風荷載，可以直接用來流的脈動風速譜描述塔架表面的脈動風荷載，基于脈動風速譜，通過計算機模擬風速時程，采用隨機模擬時程分析方法分析塔架結構的風振響應是切實可行的，該主要分析步驟為：1）根據(jù)風荷載的統(tǒng)計特性進行計算機模擬，人工生成具有特定頻譜密度和空間相關性的風速時程V(t)，并轉(zhuǎn)化為風壓時程作用在結構上；2）根據(jù)激勵樣本在時域內(nèi)采用Newmark逐步積分法對運動方程進行求解，得到每一時間步的節(jié)點位移 、速度 和加速度 ；3）對響應樣本進行統(tǒng)計分析，確定風振響應的均值、均方差和相應的頻譜特性。這種方法原則上適用于任意系統(tǒng)和任意激勵，并且可以得到較完整的結構動力響應全過程信息。

3.2 結構表面風荷載模擬

風包括兩種成分：平均風和脈動風。風荷載的時程曲線模擬也即包括平均風壓和脈動風壓模擬兩部分。結構各點的平均風速可以根據(jù)基本風速、地面粗糙度類別及結構各點的高度，根據(jù)風速剖面的指數(shù)律確定。在此基礎上考慮體型系數(shù)的影響，結構各點的平均風壓即可確定。確定結構上各點的脈動風荷載必須首先給出各點處的風速時程曲線。結構上各點的風速過程組成了一個隨機過程矢量，即風場對具有時間和空間相關性的風場應進行計算機模擬。

脈動風速向量可表示為：

式中：C是一個三角形矩陣，其元素由互相關函數(shù)確定； 是由互不相關的脈動風速過程組成的向量。

3.3 風工程分析結果

平臺風荷載的基本條件

1）風速模擬條件：平均風速：3.5m/s；地貌條件：B類；時間間距：0.01s（最大可辨識頻率為50Hz）。

2）平臺各部分的擋風系數(shù)及體型系數(shù)：1.76～1.85。

采用線性自回歸過濾器的模擬技術，對格構式平臺各點的脈動風速進行計算機模擬，并可將其轉(zhuǎn)化為風荷載時程作用下結構各節(jié)點位置。根據(jù)試驗架的結構形式及空間組成，選取了146個節(jié)點進行脈動風速模擬，考慮到這些節(jié)點之間的脈動風速空間相關性，匯總了平臺8個典型節(jié)點的脈動風速模擬結果（圖10），其這些節(jié)點的位置如圖9所示。

圖9 風速模擬典型節(jié)點

圖10脈動風速時程典型曲線

進行動力時程響應分析。動力時程分析的基本參數(shù)為：阻尼比取值為 ；時間步長 ，時間步為1200步。分析過程中，著重考慮了典型位置節(jié)點的位移響應、典型單元的應力響應和典型支座的反力響應，給出了響應時程、響應的譜密度和響應中周期為30ms~40ms之間的響應成分的分布特征，部分結果見圖11、圖12。

圖11 8點脈動風作用下位移響應曲線及響應譜

圖12 8點脈動風作用下30～40ms頻域位移響應曲線及局部桿件應力響應曲線

3.4 小 結

在10m高度處風速為3.5m/s的條件下，通過對平臺結構的風振時程響應分析，有以下主要結論：

1)從響應幅值大小來看：在此風速條件下，結構的振動位移幅度（在高度的1/15000以下）、單元應力響應和支座反力都比較小。

2)從位移響應、單元應力和支座反力響應的譜密度曲線來看，風振響應中，前兩階振型占主導地位，占總量的85％以上。

3)從目前已進行的研究來看，位移響應、單元應力和支座反力響應中，周期為30ms~40ms之間的響應成分占總響應的比例很小，在10－6以下。

4 結論及建議

通過對結構主體靜動力及爆炸分析，結果表明，該結構可滿足國家現(xiàn)行規(guī)范、標準及工藝條件要求；工作狀態(tài)下特定頻率段內(nèi)結構主體因脈動風引起的響應很小，可以認為不影響隨動系統(tǒng)的正常工作，這是由于結構主體的前3階振型對響應效應起主要作用的特性決定的。鑒于本分析僅僅考慮風速為3.5m/s的工況，此時對應的風荷載值非常小，風振效應不明顯，建議開展在最大設計風速條件下，塔架平臺的風振子項研究。

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 （總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）