蘇通大橋：MD3600塔吊抗風(fēng)安全性評(píng)估研究

        南京長(zhǎng)江三橋MD3600塔吊在完成該橋國(guó)內(nèi)首座鋼塔安裝工程后轉(zhuǎn)入蘇通大橋進(jìn)行該橋索塔(塔高304 m，為世界最高鋼錨箱索塔)和上部結(jié)構(gòu)施工。該塔吊具有36 000 kN ·m 的抗傾覆能力，在蘇通大橋的起重高度達(dá)315 m，變幅近55 m，具有兩種倍率的起重方式(起重量為800 kN和200kN)，其作業(yè)高度和作業(yè)能力為同類型吊機(jī)的世界之最，是蘇通大橋工程建設(shè)過(guò)程中必不可少的重大關(guān)鍵設(shè)備。由于該塔吊在蘇通大橋擔(dān)任索塔施工和鋼錨箱吊裝以及斜拉索掛索作業(yè)等工作，塔吊只能布置在主墩上、下游側(cè)旁，其安裝、拆除和附墻設(shè)置條件及受力情況很不好(塔吊與索塔設(shè)6道附墻，過(guò)程中最多有3道附墻受力，按塔吊安裝高度通過(guò)鎖定和解鎖方式改變其附著條件)。
        蘇通大橋橋址處地域平坦，常年受季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)影響。全年出現(xiàn)6級(jí)風(fēng)以上的天時(shí)占2／3，冬季發(fā)生寒流時(shí)風(fēng)力均在1O級(jí)以上，夏季發(fā)生臺(tái)風(fēng)時(shí)風(fēng)力經(jīng)常在12級(jí)以上。該塔吊將面臨4次季風(fēng)和3次臺(tái)風(fēng)期的嚴(yán)峻考驗(yàn)。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，10 m高處平均風(fēng)速為35.4 m／s；按梯度風(fēng)推算200 m 以下平均風(fēng)速為52.5 m/s；200～300 m 范圍內(nèi)平均風(fēng)速為61.5 m／s。脈動(dòng)風(fēng)資料匱乏。對(duì)于索塔和塔吊類高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)載的動(dòng)力影響成為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的首要問(wèn)題。MD3600塔吊自身的抗風(fēng)安全和穩(wěn)定是工程成敗的關(guān)鍵。該塔吊在南京長(zhǎng)江三橋鋼塔吊裝施工中進(jìn)行的抗風(fēng)穩(wěn)定分析成果[1]和蘇通大橋施工階段索塔自立狀態(tài)氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)結(jié)果表明[2]，考慮到索塔一塔吊聯(lián)合體系，對(duì)于蘇通大橋具有較高阻尼比(工況1時(shí)為1 ～2 ，工況3時(shí)為3 ～4 )的混凝土索塔而言，體系在低風(fēng)速下的渦激振動(dòng)響應(yīng)不明顯；塔吊結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的顫振和馳振在設(shè)計(jì)中已經(jīng)避免；對(duì)于體系在脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中的抖振響應(yīng)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)成分析可循。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的靜力分析和常規(guī)工況下的受力分析結(jié)果與南京長(zhǎng)江三橋MD3600塔吊應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合 ，但沒(méi)有進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試，并且現(xiàn)有動(dòng)力分析模型過(guò)于簡(jiǎn)化，因此，體系在風(fēng)場(chǎng)中的動(dòng)力響應(yīng)分析工作成為其抗風(fēng)安全評(píng)估工作的關(guān)鍵。
        針對(duì)該塔吊在蘇通大橋橋址處風(fēng)況和工況條件，進(jìn)行了抗風(fēng)安全研究，該研究旨在解決塔吊在強(qiáng)紊流風(fēng)下的安全性分析評(píng)估難題。對(duì)于塔吊在風(fēng)場(chǎng)中的動(dòng)力分析，特別是抖振響應(yīng)分析，尚無(wú)系統(tǒng)、可信的理論分析方法，亟待通過(guò)數(shù)值分析手段等方式解決諸如數(shù)值風(fēng)場(chǎng)的建立、體系動(dòng)力特性識(shí)別、體系分析模型的建立和優(yōu)化等問(wèn)題。圍繞上述問(wèn)題開(kāi)展的科研工作沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)和路徑可循，涉及到目前橋梁風(fēng)工程研究的前沿課題和焦點(diǎn)問(wèn)題，理論的突破性和實(shí)用的緊迫性都很強(qiáng)。結(jié)構(gòu)在隨機(jī)變化的風(fēng)場(chǎng)中的抖振響應(yīng)分析，常用的方法是時(shí)程分析方法，當(dāng)荷載分布呈線性時(shí)，可以獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。對(duì)于MD3600塔吊，其結(jié)構(gòu)分布在垂直方向上極不均勻，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和附著在垂直范圍內(nèi)呈線性約束分布；變幅、起升和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為主要的荷載集中區(qū)，從總體而言其結(jié)構(gòu)荷載分布呈現(xiàn)出幾何上的非線性狀態(tài)。因此，對(duì)不同施工階段的索塔一塔吊聯(lián)合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，識(shí)別體系的模態(tài)參數(shù)(頻率、阻尼和振型)；建立索塔一塔吊聯(lián)合結(jié)構(gòu)體系的有限元分析模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)修正模型；根據(jù)蘇通大橋橋址處的場(chǎng)地特征進(jìn)行風(fēng)速場(chǎng)和風(fēng)荷載模擬，并通過(guò)修正模型進(jìn)行體系風(fēng)致響應(yīng)分析；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行塔吊抗風(fēng)安全評(píng)估的研究路線和方法是解決該塔吊風(fēng)載動(dòng)力響應(yīng)準(zhǔn)確分析的必由之路。本文對(duì)上述科研工作的方法和成果按實(shí)施進(jìn)程作簡(jiǎn)要介紹[7]。
抗風(fēng)安全研究
1. 工況分析
按照索塔施工不同時(shí)期的高度，結(jié)合季節(jié)風(fēng)況，對(duì)3種體系最不利施工高度對(duì)應(yīng)的工作和設(shè)計(jì)風(fēng)速、塔吊大臂90°和0°風(fēng)偏角、空載和滿載不同組合的6個(gè)子工況，共計(jì)18個(gè)子工況進(jìn)行了抗風(fēng)安全分析(見(jiàn)圖1，圖中僅示出工況3的體系狀態(tài))。
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