蘇通大橋：MD3600塔吊抗風安全性評估研究

        南京長江三橋MD3600塔吊在完成該橋國內(nèi)首座鋼塔安裝工程后轉(zhuǎn)入蘇通大橋進行該橋索塔(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)能力為同類型吊機的世界之最，是蘇通大橋工程建設(shè)過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，過程中最多有3道附墻受力，按塔吊安裝高度通過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，常年受季風和臺風影響。全年出現(xiàn)6級風以上的天時占2／3，冬季發(fā)生寒流時風力均在1O級以上，夏季發(fā)生臺風時風力經(jīng)常在12級以上。該塔吊將面臨4次季風和3次臺風期的嚴峻考驗。據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，10 m高處平均風速為35.4 m／s；按梯度風推算200 m 以下平均風速為52.5 m/s；200～300 m 范圍內(nèi)平均風速為61.5 m／s。脈動風資料匱乏。對于索塔和塔吊類高聳結(jié)構(gòu)，風載的動力影響成為結(jié)構(gòu)安全評估的首要問題。MD3600塔吊自身的抗風安全和穩(wěn)定是工程成敗的關(guān)鍵。該塔吊在南京長江三橋鋼塔吊裝施工中進行的抗風穩(wěn)定分析成果[1]和蘇通大橋施工階段索塔自立狀態(tài)氣動彈性模型試驗結(jié)果表明[2]，考慮到索塔一塔吊聯(lián)合體系，對于蘇通大橋具有較高阻尼比(工況1時為1 ～2 ，工況3時為3 ～4 )的混凝土索塔而言，體系在低風速下的渦激振動響應(yīng)不明顯；塔吊結(jié)構(gòu)風致振動的顫振和馳振在設(shè)計中已經(jīng)避免；對于體系在脈動風場中的抖振響應(yīng)沒有經(jīng)驗和現(xiàn)成分析可循。對結(jié)構(gòu)進行的靜力分析和常規(guī)工況下的受力分析結(jié)果與南京長江三橋MD3600塔吊應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果基本吻合 ，但沒有進行動力響應(yīng)測試，并且現(xiàn)有動力分析模型過于簡化，因此，體系在風場中的動力響應(yīng)分析工作成為其抗風安全評估工作的關(guān)鍵。
        針對該塔吊在蘇通大橋橋址處風況和工況條件，進行了抗風安全研究，該研究旨在解決塔吊在強紊流風下的安全性分析評估難題。對于塔吊在風場中的動力分析，特別是抖振響應(yīng)分析，尚無系統(tǒng)、可信的理論分析方法，亟待通過數(shù)值分析手段等方式解決諸如數(shù)值風場的建立、體系動力特性識別、體系分析模型的建立和優(yōu)化等問題。圍繞上述問題開展的科研工作沒有成熟的經(jīng)驗和路徑可循，涉及到目前橋梁風工程研究的前沿課題和焦點問題，理論的突破性和實用的緊迫性都很強。結(jié)構(gòu)在隨機變化的風場中的抖振響應(yīng)分析，常用的方法是時程分析方法，當荷載分布呈線性時，可以獲得準確的分析結(jié)果。對于MD3600塔吊，其結(jié)構(gòu)分布在垂直方向上極不均勻，標準節(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，對不同施工階段的索塔一塔吊聯(lián)合結(jié)構(gòu)體系進行振動測試，識別體系的模態(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)實測模態(tài)參數(shù)為目標修正模型；根據(jù)蘇通大橋橋址處的場地特征進行風速場和風荷載模擬，并通過修正模型進行體系風致響應(yīng)分析；在此基礎(chǔ)上進行塔吊抗風安全評估的研究路線和方法是解決該塔吊風載動力響應(yīng)準確分析的必由之路。本文對上述科研工作的方法和成果按實施進程作簡要介紹[7]。
抗風安全研究
1. 工況分析
按照索塔施工不同時期的高度，結(jié)合季節(jié)風況，對3種體系最不利施工高度對應(yīng)的工作和設(shè)計風速、塔吊大臂90°和0°風偏角、空載和滿載不同組合的6個子工況，共計18個子工況進行了抗風安全分析(見圖1，圖中僅示出工況3的體系狀態(tài))。
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