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【摘 要】文章结合某大跨度电厂输煤栈桥实例，对结构自振下的有限元分析法进行简要介绍，并对该大跨度电厂输煤栈桥的结构自振特性进行了分析，得出了该大跨度电厂输煤栈桥在结构动力方面的特性。
【关键词】输煤栈桥；大跨度；结构动力特性
对于电厂所使用的输煤栈桥而言，其大多跨度较大，在以往针对此类大跨度电厂输煤栈桥进行结构抗震计算的过程当中，多采取的是反应谱法计算，但由于反应谱法是以一致激励为基础所提出的，因此抗震计算中无法纳入对地震作用所产生空间效应问题的考虑，进而导致其在用于大跨度电厂输煤栈桥抗震结构计算分析上并不合理。针对此情况，当前实践中开始逐步尝试以随机振动功率密度谱法为基础，在纳入空间效应的前提下进行结构分析。而在这一过程当中，有关大跨度电厂输煤栈桥结构动力特性的研究工作是非常重要的。
1.实际案例
某大跨度电厂输煤栈桥的为钢结构栈桥，主体结构共七跨，第一跨～第四跨长度均为33.1m，第五跨长度为42.1m，第六跨为25.4m，第七跨为24.2。整个输煤栈桥矢高取值为3.0，上升坡度为8.9°，现场测量栈桥爬升高度为35.3m。结构构件主要包括上弦梁结构、下弦梁结构、腹杆、端柱、桥面、顶面横梁结构、纵向次梁结构、横向支撑、纵向支撑结构这几个部分。整个输煤栈桥主体结构共设置8组支柱，均为钢结构支柱，最低端支柱高度为5.0m，最高端支柱高度为40.2m。除第一组支柱外，第二～第八组支柱均布置横向支撑结构。
2.结构自振下有限元分析法
在利用有限元分析法对大跨度电厂输煤栈桥结构自振特性进行分析的过程当中，首先需要将结构离散为多个单元，然后通过单元分析的方式得到各个单元在力学属性上的特征，形成与单元相对应的刚度矩阵，并对多个单元分析结果进行合成，得到总体刚度矩阵，以展开结构整体自振特性的分析。
3.结构自振特性
自振特性是结构自身始终存在的性质之一，在桥梁谱反应计算、随机振动计算、以及动力时程计算等方面均发挥着重要的前提支持，同时，自振特性也是反映桥梁结构刚度指标的重要参数之一，在对桥梁结构安全性与稳定性进行评价，做出桥梁维护相关决策的过程中发挥着非常重要的意义与价值。对于大跨度电厂输煤栈桥而言，整个桥梁结构的自振特性分析内容主要包括两个方面：其一是结构自振频率，其二是主振型。以上自振特性的分析都会在不同程度上受到桥梁结构组成体系、刚度水平、质量分布情况、以及边界条件的影响。
对于本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥实例而言，在对该栈桥结构自振特性进行分析的过程当中，引入基于ANSYS的模态分析方法，前十阶自振特性分别为：
第一阶：固有频率取值为0.88Hz，振型特征为各组支柱对称纵向倾斜伴随各跨桥体竖向弯曲。
第二阶：固有频率取值为1.64Hz，振型特征为各组支柱对称横向倾斜伴随各跨桥体横向弯曲。
第三阶：固有频率取值为1.71Hz，振型特征为桥体第五跨竖桥向对称性弯曲。
第四阶：固有频率取值为1.91Hz，振型特征为桥体前两组支柱横向倾斜伴随桥体前两跨横向倾斜。
第五阶：固有频率取值为2.07Hz，振型特征为桥体各组支柱反向对称纵向倾斜伴随各跨桥体竖向弯曲。
第六阶：固有频率取值为2.19Hz，振型特征为桥体各组支柱反向对称横向倾斜伴随各跨桥体横向弯曲。
第七阶：固有频率取值为2.37Hz，振型特征为桥体前四跨竖向弯曲伴随第七组支柱纵向弯曲。
第八阶：固有频率取值为2.45Hz，振型特征为桥体前四跨竖向弯曲伴随第七组支柱纵向弯曲。
第九阶：固有频率取值为2.95Hz，振型特征为桥体前四跨竖向弯曲。
第十阶：固有频率取值为3.25Hz，振型特征为第七组支柱纵向弯曲。
4.结构动力特性
第一，对于大跨度电厂输煤栈桥而言，结构固有频率首先出现在结构刚度较小的方向以及位置上。由于本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥支柱高度较大并且跨度较大，因此支柱与支柱间的纵桥向支撑部件难以布置，受到此因素影响，导致大跨度电厂输煤栈桥中首先发生的振型为支柱顺桥向倾斜作用力影响而产生的振型。
第二，结合本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥实际案例而言，一阶振型频率取值为0.88Hz。结合当前我国铁道部所制定的《铁路桥梁钢结构设计规范》中的相关要求“一般情况下，桥梁结构一阶振型频率，即基频取值不得出现在人类敏感频率区间内（即2.0Hz～6.0Hz）”，根据这一规定，认为该大跨度电厂输煤栈桥结构在一阶振型频率上能够符合设计要求。同时，对于此类大跨度的电厂输煤栈桥结构，取值为0.88Hz的基频仍然相对较高。这一数据反映了：虽然本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥当中支柱高度较大，并且没有在支柱与支柱间布置纵桥向支撑结构，但落料塔作为最高支柱结构，仍然为整个输煤栈桥提供了较大的刚度支持。
第三，在本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥项目中，受到由桥面板以及各组支柱相互之间横向支撑结构的影响，导致栈桥桥体结构的横向刚度水平较大。研究显示，在针对本大跨度电厂输煤栈桥所进行的前十阶振型当中，基于横向弯曲的振型仅出现两次，基于横向倾斜的振型仅出现一次。从这一角度上来说，该大跨度电厂输煤栈桥对于所处环境条件下的风振以及地震作用力均有理想的防护效果。
第四，在针对本文所例举大跨度电厂输煤栈桥结构动力特性所展开的前十阶振型分析中发现，有六阶振型均表现出了强烈的竖向弯曲特点，与之相对应的频率带取值在1.7Hz～3.0Hz范围以内，且频率带分布上具有较为紧密的特点。从这一角度上来说，在对该大跨度电厂输煤栈桥结构动力特性进行研究的过程当中，需要尽量避免输煤栈桥在1.7Hz～3.0Hz这一频率带内出现竖桥向的振动激励源，避免其结构稳定性受到不良影响。
5.结束语
本次研究中，结合某大跨度电厂输煤栈桥实际案例，应用有限元分析法对该输煤栈桥的结构动力特性展开了分析与探究，得出以下几个方面的结论：第一，大跨度电厂输煤栈桥中首先发生的振型为支柱顺桥向倾斜作用力影响而产生的振型；第二，虽然本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥当中支柱高度较大，并且没有在支柱与支柱间布置纵桥向支撑结构，但落料塔作为最高支柱结构，仍然为整个输煤栈桥提供了较大的刚度支持；第三，该大跨度电厂输煤栈桥对于所处环境条件下的风振以及地震作用力均有理想的防护效果；第四，为了确保整个输煤栈桥结构的稳定性，需要尽量避免输煤栈桥在1.7Hz～3.0Hz这一频率带内出现竖桥向的振动激励源。
【参考文献】
[1]张万伟.扭剪型箱形网架结构在电厂输煤栈桥中的应用[J].钢结构，2006，21（6）：50-52，55.
[2]王玉.浅谈新乡中益电厂输煤栈桥的钢结构制作与吊装施工[J].科技创业家，2013，（12）：14-14.
[3]黄建文，姚正治，张焕娥等.某电厂输煤栈桥结构加固设计[C].首届全国既有结构加固改造设计与施工技术交流会论文集，2007：72-74.
【关键词】输煤栈桥；大跨度；结构动力特性
对于电厂所使用的输煤栈桥而言，其大多跨度较大，在以往针对此类大跨度电厂输煤栈桥进行结构抗震计算的过程当中，多采取的是反应谱法计算，但由于反应谱法是以一致激励为基础所提出的，因此抗震计算中无法纳入对地震作用所产生空间效应问题的考虑，进而导致其在用于大跨度电厂输煤栈桥抗震结构计算分析上并不合理。针对此情况，当前实践中开始逐步尝试以随机振动功率密度谱法为基础，在纳入空间效应的前提下进行结构分析。而在这一过程当中，有关大跨度电厂输煤栈桥结构动力特性的研究工作是非常重要的。
1.实际案例
某大跨度电厂输煤栈桥的为钢结构栈桥，主体结构共七跨，第一跨～第四跨长度均为33.1m，第五跨长度为42.1m，第六跨为25.4m，第七跨为24.2。整个输煤栈桥矢高取值为3.0，上升坡度为8.9°，现场测量栈桥爬升高度为35.3m。结构构件主要包括上弦梁结构、下弦梁结构、腹杆、端柱、桥面、顶面横梁结构、纵向次梁结构、横向支撑、纵向支撑结构这几个部分。整个输煤栈桥主体结构共设置8组支柱，均为钢结构支柱，最低端支柱高度为5.0m，最高端支柱高度为40.2m。除第一组支柱外，第二～第八组支柱均布置横向支撑结构。
2.结构自振下有限元分析法
在利用有限元分析法对大跨度电厂输煤栈桥结构自振特性进行分析的过程当中，首先需要将结构离散为多个单元，然后通过单元分析的方式得到各个单元在力学属性上的特征，形成与单元相对应的刚度矩阵，并对多个单元分析结果进行合成，得到总体刚度矩阵，以展开结构整体自振特性的分析。
3.结构自振特性
自振特性是结构自身始终存在的性质之一，在桥梁谱反应计算、随机振动计算、以及动力时程计算等方面均发挥着重要的前提支持，同时，自振特性也是反映桥梁结构刚度指标的重要参数之一，在对桥梁结构安全性与稳定性进行评价，做出桥梁维护相关决策的过程中发挥着非常重要的意义与价值。对于大跨度电厂输煤栈桥而言，整个桥梁结构的自振特性分析内容主要包括两个方面：其一是结构自振频率，其二是主振型。以上自振特性的分析都会在不同程度上受到桥梁结构组成体系、刚度水平、质量分布情况、以及边界条件的影响。
对于本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥实例而言，在对该栈桥结构自振特性进行分析的过程当中，引入基于ANSYS的模态分析方法，前十阶自振特性分别为：
第一阶：固有频率取值为0.88Hz，振型特征为各组支柱对称纵向倾斜伴随各跨桥体竖向弯曲。
第二阶：固有频率取值为1.64Hz，振型特征为各组支柱对称横向倾斜伴随各跨桥体横向弯曲。
第三阶：固有频率取值为1.71Hz，振型特征为桥体第五跨竖桥向对称性弯曲。
第四阶：固有频率取值为1.91Hz，振型特征为桥体前两组支柱横向倾斜伴随桥体前两跨横向倾斜。
第五阶：固有频率取值为2.07Hz，振型特征为桥体各组支柱反向对称纵向倾斜伴随各跨桥体竖向弯曲。
第六阶：固有频率取值为2.19Hz，振型特征为桥体各组支柱反向对称横向倾斜伴随各跨桥体横向弯曲。
第七阶：固有频率取值为2.37Hz，振型特征为桥体前四跨竖向弯曲伴随第七组支柱纵向弯曲。
第八阶：固有频率取值为2.45Hz，振型特征为桥体前四跨竖向弯曲伴随第七组支柱纵向弯曲。
第九阶：固有频率取值为2.95Hz，振型特征为桥体前四跨竖向弯曲。
第十阶：固有频率取值为3.25Hz，振型特征为第七组支柱纵向弯曲。
4.结构动力特性
第一，对于大跨度电厂输煤栈桥而言，结构固有频率首先出现在结构刚度较小的方向以及位置上。由于本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥支柱高度较大并且跨度较大，因此支柱与支柱间的纵桥向支撑部件难以布置，受到此因素影响，导致大跨度电厂输煤栈桥中首先发生的振型为支柱顺桥向倾斜作用力影响而产生的振型。
第二，结合本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥实际案例而言，一阶振型频率取值为0.88Hz。结合当前我国铁道部所制定的《铁路桥梁钢结构设计规范》中的相关要求“一般情况下，桥梁结构一阶振型频率，即基频取值不得出现在人类敏感频率区间内（即2.0Hz～6.0Hz）”，根据这一规定，认为该大跨度电厂输煤栈桥结构在一阶振型频率上能够符合设计要求。同时，对于此类大跨度的电厂输煤栈桥结构，取值为0.88Hz的基频仍然相对较高。这一数据反映了：虽然本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥当中支柱高度较大，并且没有在支柱与支柱间布置纵桥向支撑结构，但落料塔作为最高支柱结构，仍然为整个输煤栈桥提供了较大的刚度支持。
第三，在本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥项目中，受到由桥面板以及各组支柱相互之间横向支撑结构的影响，导致栈桥桥体结构的横向刚度水平较大。研究显示，在针对本大跨度电厂输煤栈桥所进行的前十阶振型当中，基于横向弯曲的振型仅出现两次，基于横向倾斜的振型仅出现一次。从这一角度上来说，该大跨度电厂输煤栈桥对于所处环境条件下的风振以及地震作用力均有理想的防护效果。
第四，在针对本文所例举大跨度电厂输煤栈桥结构动力特性所展开的前十阶振型分析中发现，有六阶振型均表现出了强烈的竖向弯曲特点，与之相对应的频率带取值在1.7Hz～3.0Hz范围以内，且频率带分布上具有较为紧密的特点。从这一角度上来说，在对该大跨度电厂输煤栈桥结构动力特性进行研究的过程当中，需要尽量避免输煤栈桥在1.7Hz～3.0Hz这一频率带内出现竖桥向的振动激励源，避免其结构稳定性受到不良影响。
5.结束语
本次研究中，结合某大跨度电厂输煤栈桥实际案例，应用有限元分析法对该输煤栈桥的结构动力特性展开了分析与探究，得出以下几个方面的结论：第一，大跨度电厂输煤栈桥中首先发生的振型为支柱顺桥向倾斜作用力影响而产生的振型；第二，虽然本文所例举的大跨度电厂输煤栈桥当中支柱高度较大，并且没有在支柱与支柱间布置纵桥向支撑结构，但落料塔作为最高支柱结构，仍然为整个输煤栈桥提供了较大的刚度支持；第三，该大跨度电厂输煤栈桥对于所处环境条件下的风振以及地震作用力均有理想的防护效果；第四，为了确保整个输煤栈桥结构的稳定性，需要尽量避免输煤栈桥在1.7Hz～3.0Hz这一频率带内出现竖桥向的振动激励源。
【参考文献】
[1]张万伟.扭剪型箱形网架结构在电厂输煤栈桥中的应用[J].钢结构，2006，21（6）：50-52，55.
[2]王玉.浅谈新乡中益电厂输煤栈桥的钢结构制作与吊装施工[J].科技创业家，2013，（12）：14-14.
[3]黄建文，姚正治，张焕娥等.某电厂输煤栈桥结构加固设计[C].首届全国既有结构加固改造设计与施工技术交流会论文集，2007：72-74.