某大跨度输煤栈桥动力性能测试及分析

某大跨度输煤栈桥动力性能测试及分析
摘要：我国对大跨度输煤栈桥的研究主要集中于结构的抗震方面，对于结构振动方面的研究比较少，尚未形成系统的研究成果。

为了给此类栈桥结构在抗振动方面寻求合理解决方法，特以某大跨度输煤栈桥为研究对象进行动力性能测试。

通过对比不同测点间的动力特性，寻找该类栈桥在动力荷载重复作用下的薄弱节点，为栈桥结构设计及加固设计提供参考。

关键词：大跨度输煤栈桥；动力特性；动力分析
中图分类号：k928.78 文献标识码：a 文章编号：
0 引言
输煤栈桥这种建筑结构在实际工程中已经使用多年，广泛地应用于大中型煤矿企业、矿山、电厂和其他工厂，它是煤矿等生产环节的连接通道，在整个生产过程中，起着非常重要的作用。

近几年来，工矿企业竞争日趋激烈，我国带式输送机朝着长距离、高运速、大运量、大功率的方向发展。

目前，因为产量的需求，众多煤矿企业采购并使用国外先进的大功率生产设备，但是同时，栈桥的设计在结构上并不能同时解决这些设备运行所带来的振动问题，发生了很多振动影响人员舒适度甚至是危害结构安全的现象。

随着结构的老化和结构动力性能的改变，这些影响会日益加剧，以至造成巨大的生命财产损失。

对大跨度输煤栈桥振动问题进行分
析，找出能抵抗这些大功率设备所带来的振动的结构设计方法，是急需研究和解决的课题。

1 结构特点及研究现状
1.1结构特点
栈桥结构是由栈桥本体和支架组成。

通常输煤栈桥在低侧设不动铰支座，承担竖向荷载及纵向地震作用效应，在高侧设滑动支座，承担竖向荷载，保证纵向变位，纵向地震作用效应全部由低侧承担，各支柱承担竖向荷载。

横向地震作用效应及风荷载由各支柱及支座分别承担，也可在栈桥中部设双柱支柱，作为纵向抗震结构承担纵向地震作用效应。

大跨度输煤栈桥因跨度大而本体刚度较小，故在跨中位置处振动强烈。

栈桥内部皮带运输机托辊与皮带的相互作用，是皮带支架产生振动的主要来源。

一般情况下，该动力荷载可通过皮带直接直接传递至走道板桁架上。

1.2研究现状
目前，常规的输煤栈桥计算分析首先是将楼面、屋面和侧面的荷载导算到钢桁架的各节点上，然后对钢桁架承重体系进行强度和变形计算，多数情况下钢桁架的变形起控制作用。

由于输煤栈桥结构与输煤皮带设备是两个体系，现行建筑结构设计规范中没有针对输煤栈桥结构进行动力特性方面的计算规定和控制要求，故常规的输煤栈桥计算分析中，只进行承重结构的强度和变形计算。

输煤栈桥的研究主要集中在结构的抗震方面，对于结构振动方面
的研究则很少，特别是大跨度输煤栈桥的振动是工程实际中出现的新问题。

2 结构动力特性及动力响应测试
结构的固有振动模态参数只与结构本身有关，而与结构所受外荷载无关，故这些参数皆可使用动力学理论方法进行计算。

但是，实际结构往往与理论计算模型存在差异，这些差异可能由实际材料缺陷、施工缺陷或计算软件缺陷导致，故得出参数的理论值与实际值必然存在误差。

一般情况下，只能够通过试验来准确确定上述参数。

2.1 工程概况
该栈桥位于某矿业有限公司工业场东部。

栈桥长177.85m，宽4.8m，为公司火车运煤输出通道的最后一段。

栈桥于2009年8月全部竣工，至动力测试时已竣工两年，使用一年多。

栈桥共有三类钢桁架，斜长分别为30m，52m，21m。

其中52m钢桁架作为该段栈桥的研究对象，其倾角为10°，并横跨神木至店塔高速公路，水平跨度51.21m，斜长52m，高3m，支撑于混凝土支架上。

现场图片见图2.1.1。

图2.1.1 栈桥现场图
2.2 栈桥使用特点及现状
该段栈桥承担了经加工后精煤火车装载通道的最后一段运输任务，且皆为上坡段。

其全段地形复杂多变，测试时的地形与原设计图中的地形相比已发生一定的变化，现已横跨一条六车道高速公路，其安全性不容忽视。

目前，全段栈桥由于皮带运煤量大、工作
时间长、运行速度高且承受动荷载反复作用，已出现明显振动现象。

栈桥内布置有一条宽1.8m的输煤皮带支架，支架在栈桥内未布置在正中央，偏南侧200mm。

皮带支架上布设一条201皮带，电机功率315kw，皮带运行线速度4.0m/s。

2.3 测试方案
2.3.1 测点布置
选取栈桥进行现场动力性能实测，分别在栈桥振动剧烈处以及结构分析点处设置测点。

各测点均采集x、y、z方向的位移、速度及加速度响应（x、y、z向分别是指栈桥横向、纵向及竖向）。

2.3.2 测试工况
栈桥动力测试借助于皮带机在正常生产作业产生的振动进行激振，其主要工况如下：
（1）自由振动法测试结构动力特性；
（2）空载状态下皮带机加速启动、正常运行、减速停机时的动力响应；
（3）负载状态下皮带机正常运行时的动力响应。

2.3.3 数据采集
现场采用16通道inv306型智能信号采集处理分析仪、频响范围为0.5～100hz的dlf放大器及若干拾振器等仪器采集各测点、各工况下不同方向的位移、速度、加速度振动数据，通过dasp大容量数据采集与信号处理分析软件工程版进行初步数据处理可直观
地得到各振动位移、速度、加速度峰值以及各方向的振动频谱特性。

4 动力测试结果及分析
4.1 测试结果
采用dasp软件，现场测试并记录下各测点各工况的位移、速度、加速度时程曲线图，以作为频谱分析的基本依据，通过软件的强大计算能力，进行结构动力特性分析。

将传感器分别沿x、y、z向布置得到三个方向上各测点的时域波形。

由于栈桥周围振动干扰源较多，通过自谱分析，得到第一阶自振频率及阻尼比为：
表4.1.1 通廊各方向自振频率、阻尼比的测试结果
4.2 动力分析
（1）测点a布置在钢桁架跨中上弦处，由数据分析可知，该桁架上弦x、z向振动较大，负载运行时的z向位移达到0.5644mm，负载运行时的x向加速度达到1.3717m/s2。

（2）测点b布置钢桁架跨中下弦处，由以上图表分析可知，该桁架下弦y向振动位移较大，空载启动时达到0.2767mm。

（3）测点c布置在钢桁架四分之一跨处的下弦，由以上图表分析可知，该处振动位移、振动速度和振动加速度均低于跨中部位。

（4）测点d布置在52m钢桁架的支座顶部，由以上图表分析可知，各方向的振动加速度均在振动容许值范围内。

由表4.1.1可见，该栈桥在x、y、z方向具有不同的振动频率及阻尼比，但基本都属正常值。

从动力响应的实测值来看，钢桁架跨
中下弦的位移及加速度响应相对其它部位都明显较大，说明大跨度栈桥跨中下弦部位属于结构振动显著部位。

钢桁架跨中上弦以及四分之一跨处有部分工况响应幅值超过0.2mm，相对跨中下弦影响较小，但也存在发生振动破坏的可能。

钢桁架支座顶对栈桥振动响应不明显，发生振动破坏的可能性低。

5 结语
针对目前各煤矿和电力企业出现的众多栈桥振动问题，本文选取了典型的52m大跨度输煤栈桥为研究对象，在单纯的结构抗震分析并不能解决实际振动问题的背景下，通过动力试验实际测试结构的动力特性及响应特征。

通过实测得到的数据结合其它地震时程分析成果得到以下结论：
（1）上部钢桁架主体结构整体变化较小，具有良好的抗震性能，但在反复的动力荷载作用下在跨中上、下弦及四分之一跨处会出现薄弱节点，因此进行结构设计时应预计到易破坏节点并做好加固处理；
（2）大跨度钢桁架的支架多为混凝土框架结构，经实测发现支架对钢桁架振动响应并不明显，不易发生振动破坏，故混凝土支架依然以抗震设计为主；
（3）依据国际标准《人承受全身振动的评价指南》
iso2631-1-1997给出了人的主观感觉（舒适程度）与加速度之间的关系，从中可以看出，当加速度介于0.8～1.6 m/s2时，人就会感觉不舒适。

本次测试得到的结果中，部分测点已达到给人造成“比
较不舒适”的感觉。

作者在现场测试时亦有明显的不适感，如暴露时间更长，则舒适性更差。

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作者简介：王林科(1963-)，男(汉族)，陕西西安人，高级工程师，研究方向为建筑结构检测及加固。