吊運危險物品起重機械抗震性能研究

方 維 高 良 鞏 銳

吊運危險物品起重機械抗震性能研究

方 維 高 良 鞏 銳

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，無錫 214174）

本文參照相應的抗震研究規范和現有抗震研究方法，提出針對吊運危險物品起重機械抗震性能研究的設想。本文提出利用ANSYS譜分析技術將模態分析和地震反應譜進行耦合，并對研究過程的一些關鍵問題進行了闡述。通過研究起重設備在地震過程中動態響應，可以為起重機械相應的抗震設計內容提供補充，促使相關標準進一步完善，并通過分析結果，為震后有關起重設備的檢測和修復提供一定的指導。

危險物品 起重機械 抗震研究 反應譜

引言

近代建筑結構的抗震研究從靜力理論階段發展到動力理論階段，已經有了長足發展，而針對非建筑結構構件及其附屬機電設備的抗震性能研究，卻鮮有涉及[1]。非結構構件包括建筑非結構構件和建筑附屬機電設備自身及其與結構主體的連接。隨著經濟的發展,附屬機電設備附加值不斷提高，對于這些附屬設備，地震引起設備損壞造成的經濟損失已經很大，而對于某些特殊用途的設備，其抗震設防標準不僅要做到大震不倒，還要做到在大震時不喪失其基本功能，防止發生嚴重的次生災害[2]。

1 起重機械抗震性能研究方法

我國大多數起重機制造廠家未專門針對起重機的抗震性能進行設計計算，也無相應的行業標準或規范。現有的大多數研究都是依據《建筑抗震設計規范》，針對塔式起重機、核電廠專用起重設備等進行地震響應研究，且大部分研究集中在設備線性階段的動態特征，對非線性階段設備的地震響應分析很少，對于吊運危險物品（熔融金屬、危化品等）起重設備的抗震研究領域存在大量的空白。

起重機設計規范GB3811-2008規定：“地震載荷一般不考慮，對于在地震區工作的起重機可以根據訂貨單位要求，考慮地震水平載荷。地震水平載荷按有關地震規范確定[3]。”

交通部水運司制定的《港口起重運輸機械設計手冊》中規定，安裝在震區的大高度起重機（特別是固定塔式起重機）必須考慮水平作用的地震載荷[4]。地震載荷PE=k1×G，其中G為起重機自重載荷；k1為地震載荷系數，與地震烈度有關。

表1　地震載荷系數

在計算地震載荷時，起重機處于無風空載靜止工況。地震載荷所產生的水平加速度，抵抗驅動車輪與軌道之間摩擦力或制動轉矩。此方法簡單易行，但對分析的主體系統過度簡化，忽略了地震對起重設備的響應是一個時間過程，分析結果在某些情況下存在較大的誤差，不能準確反映系統的動態響應。

上海交通大學金玉龍博士以岸橋起重機的減震控制為目標，通過數值仿真和振動臺試驗研究了岸橋起重機在不同工況、有無隔振系統和不同地震激勵下系統的動態特性和地震響應；制造岸橋1:50的等效試驗模型，利用錘擊模態試驗在振動臺上模擬地震輸入，對系統的動態特性和地震響應進行對比分析。同時引入了可靠性理論，對該岸橋結構的抗震可靠性進行了綜合評估[5]。

大連理工大學的楊郁青對某型號核級燃料操作門吊進行靜力學動力學研究，在不同工況下得到結構在地震載荷作用下危險處的位移、應力等參數，并根據《EJ-T801-93核電廠專用起重機設計準則》對其結構的抗震性能進行校核[6]。

煙臺大學的曲淑英等人考慮局部動力效應的影響和不同標高出系統加速度譜值的變化，推導了大型環形起重機設備在地震作用下的地震響應計算公式，并編制計算程序，對比分析了局部動力及加速度譜值變化對系統的影響[7]。咸陽師范學院的吉軍等人在ANSYS中建立塔式起重機的有限元模型，并編制了地震反應譜，對塔機進行了地震譜分析[8]。大連重工集團的呂宏以核電環行起重機為例，基于美國ASME NOG-1-2004標準提供的有限元反應譜分析方法,介紹了反應譜法在核電起重機抗震計算中的應用[9]。

根據《核電廠抗震設計規范》對核電廠I類設備進行抗震計算時，可采用動力分析方法，及反應譜法和時程法；也可以采用靜力法，但必須充分證明是偏于安全的時候才可以選用。對各設備地震響應分析中一般采用確定性的線性分析方法，某些弱非線性性狀，可以在系統中利用較大的阻尼比進行等效。因而在起重設備的抗震分析中，從計算結果的有效性和經濟性考量，可以將結構看成線性系統，采用線性分析方法，而且在設計分析中僅需關注結構的反應最大值（應變和應力等），因此可以選用反應譜法對其進行分析[6]。

本文提出利用ANSYS軟件譜分析技術，將模態分析和地震反應譜進行耦合，針對吊運危險物品起重機械進行靜態和動態特性分析，確定地震載荷下起重機械結構的動態響應。參照現有其他設備的有關規范，對起重機的安全性進行校核，對提高設備的抗震性能提出相應的解決辦法。希望通過本課題的研究，為通用起重機械的抗震設計內容提供補充，促使相關標準進一步完善，并通過分析結果，為震后有關起重設備的檢測和修復提供一定的指導。

2 關鍵問題分析

（1）地震輸入。地震反應譜的曲線形式有加速度—周期和位移—周期兩種，縱坐標的加速度和位移是結構在相應周期或頻率下的最大值，稱為地震設計反應譜。任何分析過程必須輸入與結構體系相適應的地震設計反應譜曲線，才有可能求得準確的結果。由于地震地面運動的特性受許多因素的影響，在不能直接獲得當地地震中加速度或反應譜的前提下，如何通過現有的地震記錄儀采集到的地震加速度或位移記錄來確定設計地震反應譜，是求解地震響應的一個重要問題。

（2）模型的簡化。吊運危險物品起重機的大小車架一般均為箱形梁結構，在ANSYS中可以采用梁單元或板單元進行模擬；定滑輪、動滑輪、減速器、電機等可作為集中載荷（質量點）處理并耦合在附近的節點上；鋼絲繩可采用抗彎模量較小的梁單元進行模擬，彈性模量按實際鋼絲繩選取；起升載荷可以視為集中載荷并與鋼絲繩節點進行耦合。對應不同的具體的起重機結構形式需要采用合理的簡化方法，保證建模的準確性與經濟性。

（3）載荷組合與工況選擇。起重機的計算載荷由基本載荷和地震載荷組合而成，基本載荷又分為空載、滿載兩種情況；而小車與起升載荷的位置組合對起重機結構的響應和支撐結構的響應有直接的影響，當小車位于跨中和跨端兩個位置時，應分別與起升載荷處于上下極限位置進行組合考慮。需要綜合考慮地震對結構造成的最大響應，根據所列工況進行組合分析，以期得到全面的分析結果。

3 結束語

通過研究吊運危險物品起重設備在地震過程中動態響應，根據分析結果可以就如何避免其在地震中出現結構破壞，提高設備的抗震性能提出相應的措施，預防次生災害；同時可以補充起重機械的抗震設計內容，促使相關標準進一步完善，分析結果也可以為震后起重機械的檢驗檢測和修復提供一定的指導。

[1]高小旺，龔思禮，蘇經宇，等.建筑抗震設計規范理解與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]秦權，聶宇.非結構構件和設備的抗震設計和簡化計算方法[J].建筑結構學報，2001，（3）：15-20.

[3]中國標準出版社編.GB3800-2008，起重機設計規范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]交通部水運司.港口起重運輸機械設計手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]金玉龍.集裝箱岸橋結構的抗震分析與隔震研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[6]楊郁青.門式起重機模態分析及抗震性能分析[D].大連：大連理工大學，2000.

[7]曲淑英，王心健，呂永高.大型起重機械的局部抗震分析[J].煤礦機械，2002，（4）：36-37.

[8]吉軍，張輝，劉紫玉.塔式起重機的地震譜分析[J].咸陽師范學院學報，2009，（4）：19-22.

[9]呂宏.核電起重機的抗震計算[J].起重運輸機械，2010，（1）：14-16.

Assumption of Seismic Behavior of the Lifting Ma chinery for Lifting Hazardous Goods

FANG Wei, GAO Liang, GONG Rui
(Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection,Wuxi 214714)

This thesis presents the assumption of seismic be havior of the lifting machinery forlifting hazardous goods, referrin g to existing norms and methods of seismic research. In this thesis, the modal analysis and seismic response spectrum are coupled by using ANSYS spectrum analysis technique, meanwhile, some key issues of the research are also discussed. Through studying on dynamic response of the lifting machinery during earthquake, th e assumption provides additional content for seismic design, promp ts further improvement for relevant standards, and offers guidance f or detection and repair of lifting equipments after earthquake by an alyzing the results.

hazardous goods, lifting machinery, seismic research, response spectrum