摘  要：某试验架因工艺布局要求，结构体系必须为大跨度无横向支撑高耸结构，并且作为承载三维随动系统桁车行走的轨道基础，其水平方向的位移控制要求大大高于国家现行规范，特别是在工作风速下特定频域段结构体系的动态相应将对试验的精度产生很大影响。本文在对结构体系进行静动力及爆炸分析的基础上，将工作状态下脉动风作用在结构上产生的特定频域段内的动态响应进行了分析研究，得出了相应的结论。

关键词：试验架 爆炸分析 静动力分析 特定频域段动态相应

某试验架因工艺布局要求，该结构体系必须为大跨度无横向支撑高耸结构，并且作为承载三维随动系统桁车行走的轨道基础，其水平方向的位移控制要求大大高于国家现行规范，特别是在工作风速下特定频域段结构体系的动态响应将对试验的精度产生很大影响，因此必须对该结构体系进行专门的分析和研究。

1 工艺技术要求

试验架主体结构可用于试验的有效内部空间100m(长)×20m(宽)×80m(试验净高)，塔架设计时需要考虑一定的安全距离。图1为试验架空间要求示意图。试验架主体结构及设备不能进入图2所

示的L2、L3、L4区域造成遮挡。L4区域为试验区域，在试验时，结构及设备的阴影不能落在L4区域。

图1 试验架空间要求示意图(大跨度高耸试验架结构方案)

图2 试验场区图（平面图）

根据内部有效空间要求和随动装置自身结构状况，结构只能采用高耸且无横向支撑的体系，在结构主体上，设置大移动桥作为一级随动系统，在一级随动系统上设置双向齿轮齿条作为二级纵向移动平台和横向移动横梁；二级随动装置下面吊挂快速驱动装置和探测器，为保证快速随动装置和探测器在移动过程中可保证一定的刚度，下部采用六根施加了预应力的钢丝绳，通过特定的控制机构将其预应力控制在相对稳定的范围内。一级水平驱动系统的载荷为90T，二级水平随动系统纵向移动载荷42T，横向移动载荷为60T，快速水平随动系统两座标承载分别为2.5 T和4T。地面驱动系统单根钢丝绳拉力为3T。

另外，除需满足国家规范和标准外，整个主体结构应具有较强的结构可靠性，当以试验用推进剂（TNT炸药当量4.5kg）爆炸时塔架结构主体必须能保证完整性和安全性，在进行相应维护和维修后可以重新进行试验。

2 结构体系分析

2.1结构方案

根据试验场对塔架的条件要求，主体结构采用钢结构空间刚架，对于高耸的塔架结构采用此种形式具有受力清晰，风阻系数小，整体稳定性强，美观大方等优点。本结构方案采用两榀外伸腿门式空间钢桁架支撑两根吊车桁架梁（净主跨70m）外加门式钢桁架平面外斜支撑组成，两榀吊车桁架梁端部采用桁架连接。主要控制尺寸如下：1）外伸腿门式钢桁架跨度上部为26m，下部为70m（两边各外伸22m），最顶端标高为98m；支腿截面尺寸为6mx6m，上部钢桁架截面为6mx4m。2）两根吊车桁架梁截面为6m×5m～6m×10m的变截面钢桁架，其外侧与门式钢桁架连接，吊车桁架梁顶标高为90m，两端封口钢桁架截面为5mx5m。3）门式钢桁架平面外斜支撑截面为6mx5m。空间示意、平面位置图分别见图3、图4。

图3 试验架空间示意图(大跨度高耸试验架结构方案)

图4 试验场区图（平面图）

2.2荷载分析、工况组合及静动力初步分析结果

主材暂定选用Q235-C钢，拟采用无缝钢管，因为H型钢的风阻系数较圆钢管稍大，外观上也更加美观，所以以采用圆钢管为主。主要截面尺寸：Φ450×12，Φ250×10。

1）自然条件：抗震设防烈度：8度；设计基本地震加速度值为0.20g；设计地震分组：第一组；基本风压：0.45 kN/m2;场地类别（Ⅲ类）。

2）荷载分析：恒荷载：包括结构构件自重、吊车（一、二级随动系统，下同）自重、灯具及吊绳自重、检修通道等自重；活荷载：快速随动装置、实验模型、检修荷载、动力冲击荷载（吊车制动、平台小车制动、辅助随动横向制动荷载等）；风荷载；地震荷载；局部爆炸冲击荷载等。

3）荷载工况组合：根据《建筑结构荷载规范》进行荷载组合；主要计算工况：

DL+吊车（含随动）＋工作条件水平力＋工作状态风荷载；

DL+吊车（含随动）＋极限状态水平力；

DL+吊车（含随动）＋极限状态垂直力；

DL+吊车＋地震荷载（含风荷载组合）；

DL+吊车＋风荷载；

DL+吊车＋爆炸荷载（含冲击超压分析、不含破片冲击）；

部分静动力分析结果见图5：

图5 模态1(1/s)(大跨度高耸试验架结构方案)

图6 模态2(1/s)

图7 恒活荷载最大竖向位移(m)

图8 Y向地震位移图(m)

经计算分析，结构前三振型周期分别为2.09、1.97和1.58s，其中前两个振型为平动，第三振型为扭转，较为合理；工作状态最大垂直位移为38mm，满足工艺条件要求；地震位移及风荷载引起的位移均满足高耸规范的要求，吊车水平制动力引起的位移亦满足钢结构规范要求。

2.3爆炸作用分析

根据工艺条件，相关爆炸冲击波的荷载见表1。

当爆点在距离其中一个支腿最近（27.5m）处为最不利工况，支腿所受冲击波超压最大值见表1。

当爆点在距离桁架底最近（15m）处为最不利工况，桁架所受冲击波超压最大值见表2。

表1 支腿冲击波超压表

表2 桁架冲击波超压表

经计算分析，当发生爆炸时塔架结构主体能保证完整性和安全性，在进行相应维护和维修后可以重新进行试验。

3 特定频域段脉动风作用分析研究

3.1格构式平台结构的风效应分析方法

已有研究表明，准定常假设适合于描述作用在格构式结构上的脉动风荷载，可以直接用来流的脉动风速谱描述塔架表面的脉动风荷载，基于脉动风速谱，通过计算机模拟风速时程，采用随机模拟时程分析方法分析塔架结构的风振响应是切实可行的，该主要分析步骤为：1）根据风荷载的统计特性进行计算机模拟，人工生成具有特定频谱密度和空间相关性的风速时程V(t)，并转化为风压时程作用在结构上；2）根据激励样本在时域内采用Newmark逐步积分法对运动方程进行求解，得到每一时间步的节点位移 、速度 和加速度 ；3）对响应样本进行统计分析，确定风振响应的均值、均方差和相应的频谱特性。这种方法原则上适用于任意系统和任意激励，并且可以得到较完整的结构动力响应全过程信息。

3.2 结构表面风荷载模拟

风包括两种成分：平均风和脉动风。风荷载的时程曲线模拟也即包括平均风压和脉动风压模拟两部分。结构各点的平均风速可以根据基本风速、地面粗糙度类别及结构各点的高度，根据风速剖面的指数律确定。在此基础上考虑体型系数的影响，结构各点的平均风压即可确定。确定结构上各点的脉动风荷载必须首先给出各点处的风速时程曲线。结构上各点的风速过程组成了一个随机过程矢量，即风场对具有时间和空间相关性的风场应进行计算机模拟。

脉动风速向量可表示为：

式中：C是一个三角形矩阵，其元素由互相关函数确定； 是由互不相关的脉动风速过程组成的向量。

3.3 风工程分析结果

平台风荷载的基本条件

1）风速模拟条件：平均风速：3.5m/s；地貌条件：B类；时间间距：0.01s（最大可辨识频率为50Hz）。

2）平台各部分的挡风系数及体型系数：1.76～1.85。

采用线性自回归过滤器的模拟技术，对格构式平台各点的脉动风速进行计算机模拟，并可将其转化为风荷载时程作用下结构各节点位置。根据试验架的结构形式及空间组成，选取了146个节点进行脉动风速模拟，考虑到这些节点之间的脉动风速空间相关性，汇总了平台8个典型节点的脉动风速模拟结果（图10），其这些节点的位置如图9所示。

图9 风速模拟典型节点

图10脉动风速时程典型曲线

进行动力时程响应分析。动力时程分析的基本参数为：阻尼比取值为 ；时间步长 ，时间步为1200步。分析过程中，着重考虑了典型位置节点的位移响应、典型单元的应力响应和典型支座的反力响应，给出了响应时程、响应的谱密度和响应中周期为30ms~40ms之间的响应成分的分布特征，部分结果见图11、图12。

图11 8点脉动风作用下位移响应曲线及响应谱

图12 8点脉动风作用下30～40ms频域位移响应曲线及局部杆件应力响应曲线

3.4 小 结

在10m高度处风速为3.5m/s的条件下，通过对平台结构的风振时程响应分析，有以下主要结论：

1)从响应幅值大小来看：在此风速条件下，结构的振动位移幅度（在高度的1/15000以下）、单元应力响应和支座反力都比较小。

2)从位移响应、单元应力和支座反力响应的谱密度曲线来看，风振响应中，前两阶振型占主导地位，占总量的85％以上。

3)从目前已进行的研究来看，位移响应、单元应力和支座反力响应中，周期为30ms~40ms之间的响应成分占总响应的比例很小，在10－6以下。

4 结论及建议

通过对结构主体静动力及爆炸分析，结果表明，该结构可满足国家现行规范、标准及工艺条件要求；工作状态下特定频率段内结构主体因脉动风引起的响应很小，可以认为不影响随动系统的正常工作，这是由于结构主体的前3阶振型对响应效应起主要作用的特性决定的。鉴于本分析仅仅考虑风速为3.5m/s的工况，此时对应的风荷载值非常小，风振效应不明显，建议开展在最大设计风速条件下，塔架平台的风振子项研究。

参考文献

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[2] 张相庭 结构风工程 中国建筑工业出版社 2006

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[4] 王国强 使用工程数值模拟技术及在ANSYS上的实践 西北工业大学出版社 1999

[5] 张相庭 结构顺风风振的规范表达式及有关问题的分析 建筑结构 2004

[6] International Standard ISO4354. Wind Actions on Strucures,2004

 （总装备部工程设计研究总院，北京 100028）