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原文传递大跨度输煤栈桥的地震与风振动力特性分析及安全性评价

论文题名：	大跨度输煤栈桥的地震与风振动力特性分析及安全性评价
关键词：	大跨度输煤栈桥;地震作用;风致振动;动力特性;安全性评价
摘要：	随着我国工业的进步以及煤炭能源的需求不断加大，用于煤矿、选煤厂以及火电厂等能源工程的大跨度输煤栈桥不断增多。大跨度输煤栈桥高柔度、高支架、质量和刚度沿竖向分布不均匀、薄弱部位多，抗震防线少，安全储备低，致使其对地震与风荷载异常敏感。我国80％以上的矿区位于强地震区，地震灾害经常伴随各种次生灾害（如风灾）同时发生，且风灾发生频率高、持续时间长，因此关于大跨度输煤栈桥的地震与风振动力特性分析及安全性评价的问题亟待解决。本文应辽宁阜新矿业（集团）有限责任公司总部与恒大煤业公司委托，基于地震工程学、结构风工程、计算流体力学、计算固体力学、弹塑性力学和结构动力学，通过现场实测、数值模拟以及理论分析多种手段对实际工程恒大煤业公司选煤厂大跨度输煤栈桥的地震与风振动力特性分析及安全性评价进行研究。主要研究工作及成果如下: 　　(1)大跨度输煤栈桥动力特性实测、风速实测及强风作用下结构响应实测。基于大跨度输煤栈桥现场实测所用的仪器及数据采集系统，获得了输煤栈桥的自振频率、现场实测风速及其风振响应数据。通过对数据的分析计算发现，现场实测风速谱与Karman谱相对吻合，表明实测数据与现场工程实际基本吻合。　　(2)大跨度输煤栈桥地震与风振动力特性及安全性评价数值模型的建立。考虑流固耦合效应，使用ABAQUS软件建立“栈桥桁架-框架柱”整桥模型、风场模型，并基于实测数据对数值模型修正，通过现场实测与数值模拟结果对比分析，表明该数值模拟方法的可行性与高效性。　　(3)强震作用下大跨度输煤栈桥的动力特性。输煤栈桥与框架柱连接部位以及框架柱的梁柱节点处形成高应力集中区，且发生较大的动力响应，表明连接部位及框架柱节点处属于结构体系的薄弱处;框架柱是主要的抗震防线，作为抗侧力构件，其弹塑性水平振动位移相对较大，耗散了大量栈桥桥身桁架的地震能量，导致靠近框架柱的栈桥桁架振动频率明显降低，表现出良好的变形延性与耗能能力;输煤栈桥桥身桁架具有较高的抗震承载力，在7度罕遇地震作用下的变形仍有较大富余，且可抑制框架柱的侧向水平位移，同时具有明显的复位作用，能够起到“第二道抗震防线”的作用。　　(4)紊流风场下大跨度输煤栈桥的动力特性。输煤栈桥与框架柱连接部位以及框架柱的梁柱节点处由于狭道效应形成风压集中区，且发生较大的动力响应，说明连接部位及节点处属于结构体系的薄弱处;沿输煤栈桥结构流固耦合处出现明显的压缩、压强及速度集中区域，导致结构空气动力失稳引发输煤栈桥大幅颤振，且输煤栈桥的振动主要集中在约1.0Hz-2.0Hz的低频段内，与风场的卓越频率相近，容易引发涡激共振，表明风场的流固耦合效应不容忽视。　　(5)风—地震联合作用下大跨度输煤栈桥的动力特性。输煤栈桥与框架柱连接部位以及框架柱的梁柱节点处因地震作用形成高应力集中区，发生较大响应;栈桥桥身桁架节点处由于紊流风场作用的狭道效应形成风压集中区，产生大幅颤振。说明以上部位属于结构体系的薄弱处，应对这些部位定期检查，尤其是连接部位，确保输煤栈桥的安全使用。　　(6)大跨度输煤栈桥的“风场影响区域空间三维效应理论”。通过紊流风场下输煤栈桥不同位置处的无量纲位移谱特性的研究得出:输煤栈桥桥身中部为来流湍流旋涡碰撞区，输煤栈桥桥身两端为气流分离区，框架柱上部为旋涡脱落区，框架柱下部为旋涡再附区。　　(7)忽略风场流固耦合效应的大跨度输煤栈桥的抗震设计比较保守。考虑流固耦合效应的风—地震联合作用下的动力响应值比地震作用下动力响应值减小了11.18％，表明在气动弹性稳定的条件下，描述风与结构的流固耦合效应的气动阻尼值为正，流固耦合作用对输煤栈桥结构起抑制作用，引起结构能量耗散。　　(8)大跨度输煤栈桥地震与风振动力安全性评价。通过对同一大跨度输煤栈桥结构抗震、抗风以及风—地震联合作用下抗震性能及其动力特性的系列深入研究发现，结构变形远低于相关规范的规定，表明辽宁阜新矿业（集团）有限责任公司集团旗下恒大公司选煤厂敞开段输煤栈桥结构具有良好的抗震与抗风性能，无需加固改造。
作者：	吴王平
专业：	结构工程
导师：	刘书贤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	辽宁工程技术大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文