基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的岸橋地震動(dòng)態(tài)特性研究

李 哲，伍世英，王貢獻(xiàn)，胡吉全

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢 430063)

世界經(jīng)濟(jì)的全球化加速了貨物流通，國(guó)際貿(mào)易中物質(zhì)運(yùn)輸總量的95%是通過海運(yùn)來承擔(dān)的，在強(qiáng)大的運(yùn)輸需求推動(dòng)下，海上運(yùn)輸?shù)闹饕d體—集裝箱運(yùn)輸發(fā)展十分迅速[1]。為集裝箱運(yùn)輸而建立的配套設(shè)施和各種裝卸搬運(yùn)機(jī)械也得到了相應(yīng)的發(fā)展，集裝箱碼頭裝卸機(jī)械化系統(tǒng)的能力和生產(chǎn)效率在很大程度上取決于碼頭前沿岸橋的工作效率。隨著大型集裝箱船的出現(xiàn)，各港口對(duì)岸橋的主要技術(shù)參數(shù)提出了新的要求：額定的起升重量成倍增長(zhǎng)達(dá)80 t以上，外伸距達(dá)到70 m甚至更長(zhǎng)，起升高度在27 m以上，軌距大幅增加，工作速度大幅提高。要滿足以上的要求，新一代的岸橋結(jié)構(gòu)無論是在外形尺寸上還是在自身重量上都成倍的增加。工程結(jié)構(gòu)的大型化使得其自身的潛在危險(xiǎn)系數(shù)增加，針對(duì)大型岸橋，在穩(wěn)定性、抗風(fēng)等方面的研究比較成熟，在起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中都給出了計(jì)算公式。但早期岸橋尺寸、重量較小且分布較少，地震災(zāi)害引發(fā)的岸橋破壞的案例較少，致使岸橋地震方面的研究沒有引起重視。

近年來地震給大型岸橋帶來的巨大破壞，引起了各港口業(yè)主對(duì)岸橋抗震性能的重視。通過對(duì)這類大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震實(shí)驗(yàn)研究，科研工作者才能掌握岸橋在不同工況下的地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)，預(yù)測(cè)其在不同地震情況下危險(xiǎn)發(fā)生的部位，并以此為依據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固改進(jìn)，提高自身的抗震性能，避免地震來臨時(shí)發(fā)生重大事故[2]。對(duì)這類大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震實(shí)驗(yàn)研究，通常無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，目前采用較多的方法是進(jìn)行有限元地震時(shí)程計(jì)算，結(jié)合地震災(zāi)害案例分析，可以初步了解岸橋結(jié)構(gòu)地震動(dòng)態(tài)特性，對(duì)抗震設(shè)計(jì)提供一定的參考。文獻(xiàn)[3]建立了某一大型岸橋結(jié)構(gòu)的多自由度地震仿真模型，基于該模型提出了一種控制岸橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)的方案，該方案設(shè)想在岸橋門框橫梁與立柱之間、門腿與大車行走機(jī)構(gòu)之間各安裝一臺(tái)減振裝置，并通過地震仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)不同隔振方案下的岸橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)[4]采用數(shù)值仿真方法對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)的跳脫軌、門框搖擺等地震響應(yīng)進(jìn)行研究，仿真結(jié)果用來指導(dǎo)后期試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱骱蛣?dòng)力學(xué)試驗(yàn)方案，可以對(duì)試驗(yàn)提前進(jìn)行預(yù)判，避免試驗(yàn)的盲目性、縮短試驗(yàn)周期、減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、提高效率。文獻(xiàn)[5]通過有限元地震時(shí)程分析對(duì)不同型號(hào)岸橋仿真模型中邊界約束方式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鉸接輪軌模型最符合實(shí)際情況。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)比有限元時(shí)程計(jì)算結(jié)果，對(duì)岸橋仿真模型中阻尼設(shè)置方法進(jìn)行對(duì)比，提出適用于岸橋結(jié)構(gòu)的阻尼計(jì)算公式。文獻(xiàn)[7-8]通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)的地震行為進(jìn)行了研究，建立了岸橋原型結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用有限元軟件ANSYS對(duì)其結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，得到其模態(tài)振型和對(duì)應(yīng)的固有頻率，選取強(qiáng)震記錄和人工地震記錄，采用動(dòng)力時(shí)程分析的方法對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，得到了不同地震激勵(lì)下岸橋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和整體穩(wěn)定性。岸橋地震仿真分析比較多見，但是振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)?zāi)壳斑€處于起步階段。

為了研究大型岸橋結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力學(xué)特性并對(duì)其抗震性能做一個(gè)初步的判斷，文章以上海某一港口大型集裝箱起重機(jī)為研究對(duì)象，建立有限元模型并進(jìn)行了一系列的地震時(shí)程分析，設(shè)計(jì)制作了1:20的縮尺模型并進(jìn)行了相關(guān)振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)，綜合分析了岸橋結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其抗震設(shè)計(jì)及有限元參數(shù)設(shè)置提供了參考依據(jù)。

1 岸橋結(jié)構(gòu)有限元模型與仿真分析

1.1 岸橋仿真模型

上海某港口J248型岸橋可以視為目前大型岸橋的代表，其結(jié)構(gòu)主要由門架結(jié)構(gòu)、大梁、拉桿等組成，示意圖如下。

圖1 岸橋結(jié)構(gòu)示意圖

在大型非線性仿真軟件ABAQUS中按原先尺寸建立岸橋結(jié)構(gòu)的有限元模型，設(shè)置材料參數(shù)如下：Q345鋼，屈服極限345 MPa，彈性模量E=2.06×1 011 N/m2，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3；其主要構(gòu)件如：門腿、立柱、門框上下橫梁、前后大梁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，梯形架撐桿、門架撐桿、前后拉桿采用桿單元進(jìn)行建模；機(jī)器房、運(yùn)行小車及吊具、集裝箱均簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量，岸橋前后大梁的連接、梯形架上橫梁耳板與拉桿的連接、前后大梁耳板與拉桿的連接均通過釋放對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行模擬；箱型梁中所布置的加強(qiáng)筋、隔板等部件在模型中以附加質(zhì)量的形式均布到整結(jié)構(gòu)中；岸橋臺(tái)車系統(tǒng)的模型用相同長(zhǎng)度及剛度的等效梁?jiǎn)卧?。模型與軌道之間的接觸約束采用摩擦單元進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[5]。建成后的岸橋有限元模型如圖2所示。

圖2 岸橋結(jié)構(gòu)有限元模型

岸橋結(jié)構(gòu)巨大、構(gòu)件數(shù)量多，仿真模型中可測(cè)點(diǎn)數(shù)量較大，進(jìn)行地震時(shí)程分析或試驗(yàn)測(cè)試不可能給出每一個(gè)點(diǎn)的結(jié)果。結(jié)合以往文獻(xiàn)研究成果[9]，選取岸橋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)位置選取岸橋測(cè)點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)位置見圖3所示。

1.2 地震時(shí)程計(jì)算

岸橋在地震下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要為加速度和位移。加速度響應(yīng)反映了結(jié)構(gòu)對(duì)地震激勵(lì)的縮放作用，位移（相對(duì)位移）響應(yīng)反映了結(jié)構(gòu)變形情況，在時(shí)程分析結(jié)果中提取岸橋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)能直觀了解岸橋結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件在地震激勵(lì)下的振動(dòng)特性。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

在ABAQUS中對(duì)岸橋模型進(jìn)行地震時(shí)程計(jì)算，取工程中常用的地震加速度記錄EL-Centro、Taft、Northridge、Kobe、San Fernando作為輸入，持續(xù)時(shí)間20 s，采樣間隔Δt=0.02 s。加速度峰值統(tǒng)一調(diào)整為0.2 g，輸入方向?yàn)榇怪庇诖筌囓壍婪较颍╔向）。在不同地震作用下，岸橋結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵點(diǎn)在20 s有效持時(shí)內(nèi)的最大加速度響應(yīng)見表1。

由表中數(shù)據(jù)可見：A5、A9、A13、A17、A26、A25六個(gè)測(cè)點(diǎn)由下至上依次分布在岸橋結(jié)構(gòu)模型上，在地震作用下加速度最大峰值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)即門架頂點(diǎn)，其中A13及上部側(cè)點(diǎn)加速度峰值呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象；所有測(cè)點(diǎn)中最大值為0.494 g，Kobe地震波下的A25；最小值為0.173 g，Taft地震波下的A9；這種結(jié)果反映了岸橋結(jié)構(gòu)對(duì)輸入地震加速度峰值的動(dòng)力放大或縮小效應(yīng)，這與以往研究分析的結(jié)果相似。

為了表征結(jié)構(gòu)在地震下各點(diǎn)加速度響應(yīng)特點(diǎn)，引入最大動(dòng)力放大系數(shù)K(i)，其表達(dá)式為

式1中：a(i)為結(jié)構(gòu)i點(diǎn)加速度時(shí)程響應(yīng)中最大值（絕對(duì)值），a(g)為輸入有限元模型的地震加速度記錄最大值。最大動(dòng)力放大系數(shù)K(i)反映了岸橋結(jié)構(gòu)不同位置對(duì)地震加速度的縮放效應(yīng)。

圖4為不同地震波下岸橋模型上各測(cè)量點(diǎn)的加速度放大系數(shù)包絡(luò)線對(duì)比圖，由圖所示，除了Kobe地震波，其余地震波輸入模型后不同位置對(duì)加速度有縮小或放大效果（小于1為縮小，大于1為放大）。在A9點(diǎn)縮小效果最為顯著，頂端位置A25放大效果最明顯，Kobe地震波下岸橋結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)。

表1 岸橋在不同地震激勵(lì)作用下的最大加速度響應(yīng)

圖4 不同地震波下測(cè)量點(diǎn)加速度放大系數(shù)包絡(luò)

在地震作用下，結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵點(diǎn)在有效持時(shí)內(nèi)的最大位移響應(yīng)（與岸橋結(jié)構(gòu)底部支撐點(diǎn)之間的相對(duì)位移）見表2。位移最大值均出現(xiàn)在門架頂點(diǎn)（結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)），位移值由下至上依次增大。其中Kobe波下A25為所測(cè)最大值151.2 mm。

岸橋結(jié)構(gòu)門腿測(cè)點(diǎn)之間位移變化最大，越往上位移變化越小，說明在門腿處變形量是最大的，驗(yàn)證了地震災(zāi)害調(diào)查中關(guān)于岸橋主要破壞集中于門腿處的說法。

表2 岸橋在不同地震激勵(lì)作用下的最大位移響應(yīng)

圖5為不同地震波下岸橋模型上各測(cè)量點(diǎn)最大位移響應(yīng)包絡(luò)圖，由圖所示，隨著測(cè)量點(diǎn)的位置上升其位移變化趨緩，變化最大區(qū)間在A5和A9之間，包絡(luò)圖清楚反映了岸橋結(jié)構(gòu)在地震載荷下發(fā)生變形最大的位置，即門腿中下部。

圖5 不同地震波下各測(cè)量點(diǎn)最大位移包絡(luò)線

2 振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)

根據(jù)振動(dòng)臺(tái)性能設(shè)定基本相似常數(shù)—尺寸相似常數(shù)為1/20，采用量綱法推導(dǎo)其余相似常數(shù)，見表3。

表3 岸橋振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)相似常數(shù)

按表中的幾何相似常數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鳂?gòu)件外形尺寸以及截面尺寸，加工制作出來的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图罢駝?dòng)臺(tái)系統(tǒng)見圖6所示。模型中加裝的車輪和平衡梁較好地模擬了岸橋的邊界特性-輪軌接觸。

圖6 岸橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

選取前文岸橋仿真分析中所用的地震波EL Centro、Taft、Kobe作為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入激勵(lì)。地震波持續(xù)時(shí)間按相似關(guān)系壓縮為原地震波的1/20。繪制各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線，見圖7。

提取不同地震作用下試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鳒y(cè)點(diǎn)加速度峰值，通過式1計(jì)算各加速度放大系數(shù)K，繪制試驗(yàn)岸橋模型上各測(cè)量點(diǎn)的加速度放大系數(shù)包絡(luò)線對(duì)比圖，見圖8。

圖8中0代表有限元計(jì)算值，1代表試驗(yàn)測(cè)試值。如圖中顯示在不同地震激勵(lì)下，有限元模型時(shí)程計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)試值存在一定差別，但加速度放大系數(shù)包絡(luò)線走勢(shì)（右下至上趨勢(shì)）基本一致，說明仿真實(shí)驗(yàn)和模型試驗(yàn)下岸橋結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)態(tài)特性相似，結(jié)構(gòu)中各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)實(shí)為對(duì)輸入激勵(lì)的縮放，同時(shí)也驗(yàn)證了本研究中有限元地震時(shí)程參數(shù)設(shè)置是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)某一大型岸橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模并進(jìn)行了一系列不同地震載荷工況下的時(shí)程分析，結(jié)合縮尺模型振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)，綜合分析了岸橋結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)態(tài)特性。論文的研究結(jié)論可以為岸橋地震動(dòng)力學(xué)研究及結(jié)構(gòu)抗震分析提供參考依據(jù)，并能指導(dǎo)有限元仿真實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，具體如下：

（1）岸橋地震動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征之一為：結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)對(duì)底部輸入的激勵(lì)呈現(xiàn)不同倍率的放大或縮??；

（2）簡(jiǎn)化處理后的岸橋仿真模型在一定程度上能正確模擬岸橋地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

（3）岸橋振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相似，也存在一定誤差。

圖7 Taft波下各測(cè)點(diǎn)加速度測(cè)試值

圖8 不同地震下各測(cè)量點(diǎn)加速度放大系數(shù)包絡(luò)線對(duì)比圖