基于性能的集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)地震易損性分析

楊　毅， 王貢獻(xiàn)， 王　東， 李　哲

(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢　430063)

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基于性能的集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)地震易損性分析

楊毅， 王貢獻(xiàn)， 王東， 李哲

(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063)

摘要：根據(jù)集裝箱起重機(jī)(簡(jiǎn)稱岸橋)結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞表現(xiàn)特征，定義了4個(gè)破壞等級(jí)和3個(gè)性能水準(zhǔn)，以門框位移角為量化指標(biāo)，給出一種岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的確定方法?？紤]結(jié)構(gòu)和地震動(dòng)的不確定性，對(duì)兩臺(tái)岸橋?qū)嵗M(jìn)行地震易損性分析，得到結(jié)構(gòu)易損性曲線。分析結(jié)果表明：兩臺(tái)岸橋門框構(gòu)件延性變形能力較差，在強(qiáng)震作用下的倒塌概率較大。易損性曲線明確了岸橋結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)強(qiáng)度下的性能水準(zhǔn)概率，為岸橋結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估和災(zāi)害分析提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)；性能水準(zhǔn)；地震需求分析；易損性曲線；門框位移角

集裝箱起重機(jī)(簡(jiǎn)稱岸橋)是集裝箱港口的重要裝卸設(shè)備。隨著岸橋大型化發(fā)展，其結(jié)構(gòu)尺寸、重量顯著加大，更易遭受地震等自然災(zāi)害的破壞[1]。裝卸設(shè)備的破壞不僅導(dǎo)致自身功能失效，更會(huì)使得港口喪失震后災(zāi)區(qū)救援的“物流生命線”功能。港口裝卸設(shè)備，特別是岸橋結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全評(píng)估引起社會(huì)各界的重視。由于地震動(dòng)大小、頻譜及持時(shí)等存在不確定性，以及港口地區(qū)的設(shè)計(jì)地震存在被超越的可能，因此有必要進(jìn)行岸橋結(jié)構(gòu)的抗震風(fēng)險(xiǎn)分析，即對(duì)岸橋運(yùn)行期內(nèi)遭受地震的可能性及發(fā)生不同程度地震破壞的概率進(jìn)行研究。

結(jié)構(gòu)地震風(fēng)險(xiǎn)分析主要包括地震危險(xiǎn)性分析、地震易損性分析和地震災(zāi)害損失評(píng)估等3個(gè)部分[2]，其中地震易損性分析可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下發(fā)生各級(jí)破壞的概率，對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固具有重要應(yīng)用價(jià)值。吳巧云等[3]提出一種考慮近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震不同性質(zhì)的鋼筋混凝土框架房屋地震易損性分析方法。張?jiān)频萚4]針對(duì)柱式柔性墩隔震橋梁結(jié)構(gòu)，給出一種基于性能的橋梁地震易損性分析方法。姚霄雯等[5]考慮地震動(dòng)的不確定性，對(duì)混凝土拱壩進(jìn)行地震易損性分析研究。在岸橋結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在岸橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力行為試驗(yàn)[6-7]、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析建模[8-10]和抗震可靠性[11]等方面，鮮有針對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)地震易損性的研究報(bào)道。

本文根據(jù)岸橋結(jié)構(gòu)的震害表現(xiàn)特征，研究岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的定義及其量化指標(biāo)的確定方法，以兩臺(tái)典型岸橋?qū)嵗秊檠芯繉?duì)象，分析結(jié)構(gòu)的概率地震易損性，并對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的易損性進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比分析。

1結(jié)構(gòu)地震易損性分析方法

地震易損性表示在不同強(qiáng)度地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)超過某個(gè)性能水準(zhǔn)的條件概率，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

PF=P[R>LS|IM]

(1)

式中：PF為結(jié)構(gòu)易損性概率；R、LS分別為結(jié)構(gòu)響應(yīng)和性能水準(zhǔn)；IM為地震動(dòng)參數(shù)，可采用地震動(dòng)峰值加速度(PGA)或譜加速度(Sa)來表示。

岸橋結(jié)構(gòu)易損性分析中需考慮地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)的不確定性，利用隨機(jī)抽樣方法生成多組結(jié)構(gòu)-地震動(dòng)樣本進(jìn)行時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，即結(jié)構(gòu)地震需求。對(duì)結(jié)構(gòu)地震需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，與岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)對(duì)照，確定不同強(qiáng)度地震動(dòng)下岸橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)到達(dá)各級(jí)性能的概率分布，從而得到易損性曲線。分析流程如圖1所示。

圖1　岸橋結(jié)構(gòu)地震易損性分析流程Fig.1 Flowchart for seismic fragility analysis of container crane

2岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的確定

結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)對(duì)易損性分析結(jié)果具有直接影響，由于當(dāng)前缺乏可直接參考的抗震性能規(guī)范，因此有必要對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)、破壞等級(jí)及其極限狀態(tài)進(jìn)行研究。

2.1結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)定義

根據(jù)岸橋震害表現(xiàn)[12-13]，岸橋結(jié)構(gòu)具有兩種破壞形態(tài)，一類是大車跳脫軌，一類是結(jié)構(gòu)損傷。岸橋在非工作狀態(tài)下，一般采用防風(fēng)裝置將整機(jī)固定在軌道上，在工作狀態(tài)時(shí)，為輪軌接觸的約束方式，如圖2所示。本文僅對(duì)工作狀態(tài)的岸橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖2　岸橋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Shematic of container crane

岸橋主要承重結(jié)構(gòu)為門框結(jié)構(gòu)，該局部結(jié)構(gòu)是抗震薄弱部位，一旦發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞，岸橋整體可能倒塌。參照建筑抗震規(guī)范[14]，并加入跳脫軌破壞，將岸橋結(jié)構(gòu)破壞等級(jí)分為：基本完好、跳脫軌破壞、輕微破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌?？紤]到單純的跳脫軌和結(jié)構(gòu)輕微變形的維修成本相當(dāng)[15]，可將兩者歸入同一性破壞等級(jí)。根據(jù)破壞等級(jí)的極限狀態(tài)，定義岸橋結(jié)構(gòu)的3個(gè)性能水準(zhǔn)：正常運(yùn)行(NO)、修復(fù)運(yùn)行(RO)和防止倒塌(CP)。岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)、破壞等級(jí)的極限狀態(tài)限值如圖3所示，其中，“基本完好”的極限狀態(tài)具有兩種定義，該限值LS1等于先出現(xiàn)的破壞形態(tài)所對(duì)應(yīng)的量化指標(biāo)。

圖3　岸橋結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)、破壞等級(jí)和極限狀態(tài)限值Fig.3 Performance levels, damage states and limit states of container crane

2.2性能水準(zhǔn)的量化指標(biāo)

已有研究表明[1, 8-9]：地震作用下岸橋門框搖擺模態(tài)響應(yīng)是導(dǎo)致岸橋脫軌、結(jié)構(gòu)損傷甚至倒塌的主要原因，門框水平變形程度可反應(yīng)整體結(jié)構(gòu)所受地震作用的大小。因此，本文以門框位移角θ(門框水平位移與門框高度比值)作為性能水準(zhǔn)量化指標(biāo)。

根據(jù)岸橋結(jié)構(gòu)重心位置和門框變形能力的不同，岸橋跳脫軌可能先于結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)，也可能伴隨著結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)。為便于分析，本文忽略兩種破壞形態(tài)的耦合作用。對(duì)于跳脫軌破壞，采用文獻(xiàn)[10]提出的基于單自由度框架模型的跳軌臨界加速度來量化。對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷，以門框構(gòu)件的變形能力水準(zhǔn)容許值來量化岸橋結(jié)構(gòu)破壞的性能水準(zhǔn)。

2.2.1岸橋跳軌臨界加速度

由岸橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律，可建立如圖4所示的單自由度框架簡(jiǎn)化模型[10]，其中門腿為柔性體，其余桿件為剛性。該模型中岸橋等效質(zhì)量為m，重心高度H，重心與陸側(cè)、海側(cè)門腿距離分別為l1和l2，門腿高度h2，陸側(cè)、海側(cè)車輪支座反力分別為R1和R2，在地震作用下岸橋質(zhì)心的水平絕對(duì)加速度為a，車輪剪力為Vb，u為門框水平位移。

圖4　岸橋結(jié)構(gòu)單自由度框架簡(jiǎn)化模型[10]Fig.4 Schematic of simple frame model[10]

由于結(jié)構(gòu)重心偏向海側(cè)門腿，以海側(cè)門腿支點(diǎn)為原點(diǎn)，由力矩平衡原理有：

LR1+Hma-(l2-u)mg=0

(2)

當(dāng)陸側(cè)輪壓減為0，即R1=0時(shí)，得到岸橋陸側(cè)門腿跳軌時(shí)質(zhì)心處臨界加速度acr：

acr=(l2-u)g/H

(3)

由于u相對(duì)很小可忽略，則有：

acr=l2g/H

(4)

式(4)表明，岸橋跳軌的臨界加速度值acr僅與其重心距離軌道的水平距離l2和重心高度H的比值有關(guān)。

設(shè)Vbcr為跳軌臨界車輪剪力，則有：

Vbcr=macr

(5)

根據(jù)跳軌臨界車輪剪力，可求出對(duì)應(yīng)的臨界跳軌門框位移角θDR。因此，當(dāng)岸橋跳脫軌先于結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，“基本完好”的極限狀態(tài)限值為：

LS1=θDR

(6)

2.2.2門框結(jié)構(gòu)變形的極限狀態(tài)與能力水準(zhǔn)

岸橋門框結(jié)構(gòu)一般由加勁箱型截面構(gòu)件組成，對(duì)于受彎箱型截面鋼梁、柱構(gòu)件，F(xiàn)EMA356標(biāo)準(zhǔn)[16]建立了構(gòu)件的彎矩-轉(zhuǎn)角本構(gòu)關(guān)系，如圖5所示。

圖5中，點(diǎn)A-B-C-D-E實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件本構(gòu)曲線的控制，B點(diǎn)表示鉸屈服，C點(diǎn)表示塑性鉸開始失去承載力，即構(gòu)件的延性極限，D點(diǎn)代表構(gòu)件殘余強(qiáng)度，E點(diǎn)表示完全失效。My為構(gòu)件屈服彎矩，θy為屈服轉(zhuǎn)角。本構(gòu)曲線上標(biāo)示了構(gòu)件的三個(gè)變形能力水準(zhǔn)容許限值立即使用(IO)、生命安全(LS)和防止倒塌(CP)。針對(duì)不同截面特征的梁、柱構(gòu)件，F(xiàn)EMA356標(biāo)準(zhǔn)給出了各個(gè)拐點(diǎn)參數(shù)a、b、c和構(gòu)件能力水準(zhǔn)容許準(zhǔn)則的計(jì)算方法，詳見該標(biāo)準(zhǔn)的“表5～6”。

在定義以結(jié)構(gòu)損傷為主的“基本完好”破壞等級(jí)時(shí)，還需考慮岸橋其它非結(jié)構(gòu)部件(如各種運(yùn)行機(jī)構(gòu))在地震作用下不被破壞，為得到更為可靠的性能水準(zhǔn)，將“基本完好”的極限狀態(tài)限值定義為：

LS1=2/3θy

(7)

式中：θy為岸橋門框構(gòu)件的屈服轉(zhuǎn)角。

對(duì)于“輕微破壞”和“嚴(yán)重破壞”，其極限狀態(tài)限值分別定義為：

LS2=θIO

(8)

LS3=θCP

(9)

兩式中θIO和θCP分別為門框構(gòu)件的立即使用(IO)和防止倒塌(CP)能力水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的門框位移角。

綜上所述，將岸橋結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)級(jí)量化指標(biāo)匯總于表1，其中極限狀態(tài)限值LS1取式(6)、(7)中的較小值。

表1　岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)定義與量化指標(biāo)

3實(shí)例分析

3.1岸橋結(jié)構(gòu)建模

本文選取兩臺(tái)典型岸橋作為分析對(duì)象，超巴拿馬級(jí)岸橋(代號(hào)CR-A)和巴拿馬級(jí)型岸橋(代號(hào)CR-B)，具體結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2，主要結(jié)構(gòu)特征尺寸參數(shù)見圖6。兩種岸橋結(jié)構(gòu)件主要由箱型截面框架、工字鋼拉桿和圓管支撐桿組成。建立岸橋有限元模型時(shí)，僅對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)件建立桿系模型，將非結(jié)構(gòu)件質(zhì)量、工作負(fù)載等附加到對(duì)應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)件中。岸橋車輪與軌道之間采用鉸接輪軌方式建模，由此邊界約束模型得到岸橋結(jié)構(gòu)抗震能力具有相對(duì)的保守性[9]。同時(shí)忽略碼頭地基與岸橋結(jié)構(gòu)的耦合作用。

選用有限元軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析。岸橋結(jié)構(gòu)的非線性主要體現(xiàn)在門腿、橫梁等構(gòu)件，可采用桿端塑性鉸來模擬。對(duì)于僅受彎的橫梁，采用單向彎曲的彎矩M3鉸來模擬，對(duì)于同時(shí)受壓受彎的門腿構(gòu)件，采用軸力-彎矩鉸(P-M3鉸)來模擬。塑性鉸滯回模型選用隨動(dòng)硬化模型。根據(jù)岸橋?qū)嵗T框構(gòu)件的幾何尺寸參數(shù)，按照FEMA356標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出構(gòu)件塑性鉸拐點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表3。表中，bf為翼緣板寬度，tf為翼緣板厚度，F(xiàn)ye為材料屈服應(yīng)力，h為兩翼緣板中心面距離，tw為腹板厚度，θy為構(gòu)件屈服轉(zhuǎn)角，My為屈服彎矩。從計(jì)算結(jié)果可知，兩臺(tái)岸橋門框構(gòu)件的塑性鉸特征參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)相同。

表2　岸橋結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6　岸橋結(jié)構(gòu)特征尺寸圖(m)Fig.6 Schematic of structural dimensions for the container cranes

對(duì)于地震動(dòng)輸入方向，由于岸橋門框搖擺響應(yīng)僅對(duì)X向的地震作用敏感，Y向和Z向地震動(dòng)對(duì)門框水平變形的影響很小[8]，分析時(shí)采用X水平單向地震輸入。

表3　岸橋門框構(gòu)件參數(shù)及其塑性鉸特征參數(shù)

3.2岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的量化

圖7　岸橋結(jié)構(gòu)能力曲線及性能水準(zhǔn)Fig.7 Capacity curves & performance levels for the cranes

對(duì)岸橋模型進(jìn)行推覆分析，可得到岸橋結(jié)構(gòu)車輪剪力和門框位移角的關(guān)系曲線。由于在沿小車運(yùn)行方向，岸橋上層結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)于門框結(jié)構(gòu)要大得多，推覆力施加點(diǎn)的位置對(duì)分析結(jié)果的影響不大。同時(shí)，考慮到岸橋結(jié)構(gòu)重心偏向海側(cè)門腿，推覆力方向設(shè)置為陸側(cè)門腿至海側(cè)門腿。經(jīng)過分析，兩臺(tái)岸橋結(jié)構(gòu)抗震能力曲線與門框構(gòu)件能力曲線如圖7所示，其中橫坐標(biāo)為門框位移角θ百分比值，縱坐標(biāo)分別為岸橋車輪剪力Vb和門框構(gòu)件所受負(fù)載M，圖中水平橫線為兩臺(tái)岸橋跳軌臨界車輪剪力Vbcr。

圖7(a)中，岸橋CR-A門框位移角θDR小于“輕微破壞”限值，因此以θDR作為該岸橋正常運(yùn)行(NO)性能水準(zhǔn)的量化指標(biāo)；圖7(b)中，岸橋CR-B的門框位移角θDR遠(yuǎn)大于任一結(jié)構(gòu)破壞限值，該岸橋在地震作用下以結(jié)構(gòu)損傷為主，其正常運(yùn)行(NO)的量化指標(biāo)按式(7)定義。兩臺(tái)岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的門框位移角量化限值見表4。

表4　岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)量化指標(biāo) θ

3.3岸橋結(jié)構(gòu)概率地震需求分析

3.3.1結(jié)構(gòu)-地震動(dòng)樣本

地震動(dòng)的不確定對(duì)動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果的影響很大，本文從PEER地震數(shù)據(jù)庫(kù)[17]中選取20條實(shí)際地震動(dòng)記錄，所選地震波震級(jí)范圍5.5～7.8級(jí)，震中距范圍4.1～53.9 km，峰值加速度為0.48～7.90 m/s2。圖8給出了地震動(dòng)記錄反應(yīng)譜加速度曲線，反應(yīng)譜的離散性反映了地震動(dòng)的不確定性。

圖8　地震動(dòng)記錄反應(yīng)譜Fig.8 Response spctra of ground motion records

結(jié)構(gòu)的不確定性主要包括：結(jié)構(gòu)材料屈服強(qiáng)度、阻尼比、結(jié)構(gòu)恒荷載等參數(shù)，其中恒荷載為岸橋總重量。上述結(jié)構(gòu)參數(shù)中，Q235、Q345結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布[18]，變異系數(shù)分別為0.076和0.077；鋼材阻尼比服從正態(tài)分布[19]，阻尼比為2%，變異系數(shù)為0.3；岸橋總重量服從正態(tài)分布[11]，變異系數(shù)為0.067。

以結(jié)構(gòu)參數(shù)作為隨機(jī)變量，忽略隨機(jī)變量之間的相關(guān)性，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和地震動(dòng)記錄進(jìn)行拉丁超立方抽樣，抽出10個(gè)岸橋結(jié)構(gòu)-地震動(dòng)樣本。選用Sa(T1, 2%)作為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)IM，取增量步長(zhǎng)0.1 g，將所選20條地震動(dòng)記錄從0.1～1.3 g進(jìn)行比例調(diào)幅，分別賦給10個(gè)結(jié)構(gòu)樣本，這樣每個(gè)岸橋結(jié)構(gòu)形成2 600個(gè)計(jì)算樣本。

3.3.2結(jié)構(gòu)地震需求分析

圖9　岸橋結(jié)構(gòu)地震需求條帶分布圖Fig.9 Schematic of structural demand distribution

對(duì)所形成的岸橋結(jié)構(gòu)-地震動(dòng)樣本進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，得到以最大門框位移角θmax為需求參數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖9所示，數(shù)據(jù)點(diǎn)呈豎向條帶分布，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表岸橋結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。圖9中水平虛線表示岸橋結(jié)構(gòu)的不同性能水準(zhǔn)量化指標(biāo)LS1～LS3，具體取值見表4。從圖中可看出，岸橋CR-A的門框變形要略大于岸橋CR-B，兩者地震響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散性相差不大。

由于在同一地震動(dòng)強(qiáng)度下(較低IM水平，結(jié)構(gòu)不倒塌)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布[20]，因此對(duì)相同Sa水平下結(jié)構(gòu)地震需求樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(部分統(tǒng)計(jì)信息見表5)，得到岸橋門框位移角θmax服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，將岸橋結(jié)構(gòu)需求u的概率密度函數(shù)用對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)表示如下：

(10)

圖10　結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率密度Fig.10 PDF of lognormal distributions for structural seismic response

從圖10可以看出，隨著地震動(dòng)強(qiáng)度增大，岸橋結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分布的概率密度逐漸減小，概率密度曲線所覆蓋的最大門框位移角的范圍增大，該圖直觀表現(xiàn)了岸橋結(jié)構(gòu)在不同Sa水平下的地震需求水平。

3.4易損性曲線的生成

結(jié)構(gòu)易損性曲線表示在一定地震動(dòng)IM水平下，結(jié)構(gòu)地震需求超過性能水準(zhǔn)限值LSi的概率[3]：

P(u>LSi|IM=im)=

(11)

P(C|IM=im)=NC/NT

(12)

式中：NC表示結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的數(shù)量，NT表示總的分析次數(shù)。

聯(lián)合式(11)、(12)得到結(jié)構(gòu)在給定IM=im水平下結(jié)構(gòu)需求超過特定性能水準(zhǔn)限值LSi的概率：

P(u>LSi|IM=im)=P(C|IM=im)+

(13)

根據(jù)前述性能水準(zhǔn)量化指標(biāo)限值和地震需求的概率分布，由式(13)計(jì)算出易損性概率，并進(jìn)行曲線擬合，得到兩臺(tái)岸橋結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線，如圖11所示。圖中橫坐標(biāo)表示地震動(dòng)強(qiáng)度水平Sa，縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)需求超越不同性能水準(zhǔn)的概率，三條易損性曲線分別對(duì)應(yīng)岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)：正常運(yùn)行(NO)、修復(fù)運(yùn)行(RO)和防止倒塌(CP)，性能水準(zhǔn)之間對(duì)應(yīng)著不同破壞等級(jí)。

從圖11(a)、(b)可看出，隨著破壞等級(jí)的增加，兩臺(tái)岸橋結(jié)構(gòu)易損性曲線表現(xiàn)出一定的扁平降低趨勢(shì)，即超越概率降低，但降低趨勢(shì)不明顯，特別是倒塌概率曲線。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)Sa超過1.1 g時(shí)，兩臺(tái)岸橋結(jié)構(gòu)的倒塌概率均達(dá)到50%，其主要原因是岸橋門框構(gòu)件延性變形能力較差。由于兩臺(tái)岸橋的結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致正常運(yùn)行(NO)和修復(fù)運(yùn)行(RO)之間的破壞狀態(tài)不同，岸橋CR-A表現(xiàn)為跳脫軌和結(jié)構(gòu)損傷的耦合破壞，而岸橋CR-B僅以結(jié)構(gòu)損傷為主。從圖11(c)兩臺(tái)岸橋地震易損性曲線對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)尺寸、重量更大的岸橋CR-A的整體抗震性能要低于岸橋CR-B，岸橋結(jié)構(gòu)的大型化對(duì)其抗震性能提出更高的要求。

表5　岸橋結(jié)構(gòu)地震需求統(tǒng)計(jì)信息

(a) 岸橋CR-A(b) 岸橋CR-B(c) 兩臺(tái)岸橋易損性曲線對(duì)比圖11 岸橋結(jié)構(gòu)地震易損性曲線Fig.11Seismicfragilitycurvesofthecontainercranes

4結(jié)論

本文提出一種基于性能的岸橋結(jié)構(gòu)地震易損性分析方法，定義岸橋結(jié)構(gòu)的4種破壞狀態(tài)和3個(gè)性能水準(zhǔn)，研究結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)量化指標(biāo)的確定方法，對(duì)兩臺(tái)岸橋?qū)嵗M(jìn)行易損性分析，得出以下結(jié)論：

(1) 以門框位移角作為岸橋結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的量化指標(biāo)，將跳脫軌破壞和結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行統(tǒng)一量化，便于易損性分析。

(2) 兩臺(tái)岸橋門框構(gòu)件延性變形能力較差，導(dǎo)致其倒塌超越概率過高，建議進(jìn)行抗震加固。結(jié)構(gòu)尺寸、重量更大的岸橋CR-A的整體抗震性能要低于岸橋CR-B。

(3) 通過易損性分析，可明確岸橋結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)強(qiáng)度下發(fā)生不同破壞等級(jí)的超越概率，為抗震性能評(píng)估和災(zāi)害分析提供理論依據(jù)。

由于篇幅限值，僅對(duì)岸橋工作時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行易損性分析。對(duì)于非工作狀態(tài)，雖然結(jié)構(gòu)響應(yīng)和性能水準(zhǔn)會(huì)有所不同，但參照文中的方法同樣可得到岸橋在該狀態(tài)下的易損性曲線。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275369)

收稿日期：2015-11-05修改稿收到日期：2015-11-05

通信作者王貢獻(xiàn) 男，博士，副教授，1976年生

中圖分類號(hào):TH212;TH213.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.036

Performance-based seismic fragility analysis of container cranes

YANG Yi, WANG Gong-xian, WANG Dong, LI Zhe

(School of Logistic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:According to the structure damage failure modes of container cranes, four damage states and three performance levels were defined based on the portal drift angle, and a method for solving the limit values of the three performance levels was put forward. A seismic fragility analysis on two typical cranes was carried out considering uncertainties due to the variability of ground motion and structures. The results show that the poor ductility of portal frame structure is the main reason for the high collapse probability of the cranes under strong earthquake. The probability of exceeding performance levels for the container cranes under various earthquake intensity was calculated, which provides a theoretical basis for the performance evaluation and seismic hazard analysis of container cranes.

Key words:container crane; performance level; seismic demand analysis; fragility curve; portal drift angle

第一作者 楊毅 男，博士生，1979年生

E-mail:wgx@whut.edu.cn