中国交建第四航务工程勘察设计院 海外事业部 土建室
摘要：为满足港口货物在不同标高海域平台间的运输需求，钢引桥需设计为倾斜爬升状。本文以一座水平长106m、爬升垂直高度为21.6m的海域爬升段钢引桥工程为例，对该结构进行结构静力分析、结构抗风分析与抗连续倒塌分析。得出该结构的受力响应模式，与抗连续倒塌结构性能。
关键词：爬升段；钢引桥；抗连续倒塌分析；抗风分析
1.工程概况
本工程为一座倾斜段钢引桥，位于马达加斯加图里沙矿港。为满足船舶吃水深度的要求，停泊码头设置在离岸较远位置处，该引桥为码头与陆域港口的主要连接通道。[1]下图图1为钢引桥立面图。如图所示，该钢结构引桥由6段水平投影长度为18m的钢桁架桥与5座高度递增的钢桁架支座塔组成。其中左侧两座钢桁架塔为四支座空间桁架，其余钢桁架塔均为两支座平面桁架。所有桁架塔支承在水工的墩台上。为满足不同标高海域平台的运输需求，该钢引桥存在角度为11.5°的倾角
2.设计参数
该引桥的设计基准期为30年；设计地震极值加速度为0.05g；10min平均风速为54.4m/s2；皮带机廊道荷载大小为2kN/m，沿着钢引桥均匀布置，同时考虑1.1倍的动力放大系数；钢结构容重为78.5kN/m3，在整体模型中施加9.8m/s2竖直向下的重力加速度，由程序自动计算恒荷载，同时考虑到结构紧固件自重，结构自重放大1.1倍；人行荷载为2.0kN/m2，各结构主要结构构件尺寸如下表所示：
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图1 钢引桥立面图
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整体模型采用通用有限元分析软件进行分析。钢材容重定义为7850kg/m3，弹性模量2.06x105Mpa，泊松比为0.3。
3.模态分析
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图2 模态工况1
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图3 模态工况2
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图4 模态工况3
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上图2-5为钢引桥模态分析结果，第一阶模态的固有频率为0.102Hz，显示形态为横向半波变形，第二阶模态的固有频率大小为0.132Hz，显示形态为横向一个波长变形，以上两个模态说明结构横向刚度较柔，横向模态出现在第一与第二模态中。第三阶模态的固有频率为0.154Hz，显示模态为第三榀立柱桁架发生屈曲，所以结果显示第三榀立柱的刚度较弱，这一处应在设计中适当加强。
依据以上结构不利振型，本文主要对该结构进行横风向与恒活荷载工况下的结构分析
4.结构横风工况屈曲分析
根据欧洲风荷载规范 BS EN 1991-1-4：2005，[2]作用在中部镂空桁架结构上的风作用力为：
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（1）
式中：
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：对于高度小于30m的结构，该参数取1。
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：桁架风敏感系数Cf由公式（2）得出：
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（2）
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图5 风敏感系数取值
如上图所示，系数
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根据实积比
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查得，
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根据上图，实积比
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由公式（3）得出。
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（3）
其中A为桁架杆件投影面积之和，AC为桁架总包络面积。
末端效应系数
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根据规范取0.9。
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：考虑受风面高度的基本风压。
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：受风面积。
将上述风荷载经过换算输入计算模型，进行风荷载作用下的静态屈曲分析。得到结构屈曲模态：
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图6 第一阶风荷载屈曲模态
上图6为结构在风荷载作用下的屈曲模态分析，结果显示结构第三跨钢桁架支塔发生屈曲，其屈曲荷载因子大小为1.97，进行换算后可得到结构的临界屈曲风速为76.35m/s2。由以上结果可知，虽然结构在规定荷载作用下能满足承载力极限状态的计算要求，但其最容易出现破坏的部位是竖向支撑构件，该构件的失效会导致整体结构的内力重分布以及可能的结构破坏，所以需要适当加强该处构件的截面，提高该构件的惯性矩。
5.结构抗连续倒塌分析
连续倒塌是指结构初始的局部破坏引起构件发生连锁反应，最终导致与初始局部破坏不成比例的结构大范围破坏或整体的倒塌。框架结构倒塌过程可能经历弯曲效应、悬链线效应、压拱效应和空腹效应。[3]
本文将对结构进行构件失效后的非线性弹塑性分析。具体分析步骤是：1对结构进行初始荷载的静力计算，保持结构在构件失效后的应力场与应变场。2由前文得到的第三跨最容易失稳，遂定义结构失稳构件，赋予该构件一个预定义场，使其刚度急剧下降，此时结构发生应力重分配。3逐渐增大风荷载，对结构进行动力弹塑性分析。
定义钢材本构采用通用有限元分析软件自带的强化的双折线塑性本构模型，屈服应力为345Mpa，极限应力为460Mpa，极限应变为0.21。
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图7 第三跨结构应力云图
上图7为结构在第三跨结构柱失效情况下的应力云图，由图可以观察到第三跨柱处出现较大垂直向下挠度，大小为340mm。该点右侧上弦杆进入了塑性，mises应力达到了350.6Mpa，没有杆件应力达到极限强度或发生受压失稳。说明当第三跨柱失效后，结构没有发生进一步的破坏与连续倒塌现象。因为当第三跨柱失效后，结构发生了内力重分布，原本两个18m跨的桁架协同工作变成了一榀36m跨度的桁架，而36m跨的桁架承受住了该极限荷载，防止了结构进一步破坏。
6.结论
本文采用通用有限元软件对一座爬升段钢引桥进行了模态分析、横风工况下的屈曲分析与抗连续倒塌分析。通过计算结果得出以下主要结论：
（1）经过模态分析发现结构第一二阶模态表现为横向变形，说明结构侧向刚度较小。第三阶模态表现为第三跨桁架柱屈曲模态，应适当加强该桁架柱的刚度，采用更大截面面积的构件。
（2）经过结构在风荷载工况下的屈曲模态分析，可以得到结构的第一阶屈曲模态荷载因子大小为1.97，有较大的的承载力富余度。
但屈曲部位是竖向支撑构件，该构件的失效会导致整体结构的内力重分布以及可能的结构破坏，所以需要适当加强该处构件的截面，提高该构件的惯性矩。
（3）经过对结构的抗连续倒塌分析，可以发现竖向构件失效后，由内力重分布使得结构相邻两跨桁架协同工作，避免了结构进一步破坏。所以该结构在第三跨柱失效工况下的抗连续倒塌性能较好，有着防止结构进一步倒塌的第二道防线。
参考文献：
[1]大跨径海港钢引桥抗风动力特性分析 广东公路交通，2007，40（3）：45-49
[2]Eurocode 1：Actions on structures-General actions — Wind actions
[3]基于能量法的半刚性钢框架连续倒塌抗力分析，力学与实践，2006，42（4）：1-5