纜索起重機塔架抗震性能分析

張　旭，胡宗軍

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009)

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纜索起重機塔架抗震性能分析

張旭，胡宗軍

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009)

文章應用ANSYS軟件對怒江四線特大橋施工使用的LQ2000/200KN型纜索起重機塔架結構了進行地震反應譜分析。根據規范，設計7種不同多遇地震荷載作用于塔架結構，獲得不同方向地震作用下結構響應的變化規律，并對計算結果進行了分析。

有限元分析；纜索起重機；塔架結構；模態分析；地震反應譜分析

許多學者和工程技術人員對纜索起重機的性能開展了一系列研究。顏小華結合云南景洪30T平移式纜索起重機對塔架結構設計做了比較全面的闡述。張益鋒等通過對朔準鐵路跨黃河特大橋工程LQ2800kN型纜索起重機進行了有限元靜力分析,對結果進行分析比較,為纜索起重機的安全運行和優化 提供了有效參考。宋振華等分析了纜索起重機塔架結構不同工況下的靜態響應,并對塔架的動態特性進行模態分析和瞬態動力分析。

由于云南保山地區為地震多發地帶,本文以新建大理到瑞麗四線怒江特大橋施工使用的LQ2000/200kN型纜索起重機塔架結構為研究對象,應用ANSYS有限元軟件對其進行抗震性能研究。

1　塔架模型及分析方法

1.1塔架模型

纜索起重機塔架采用格構式門架結構,使用Φ800×16mm或Φ800×12mm的鋼管和萬能桿件125mm×125mm×10mm、 75mm×75mm×8mm等型鋼組成,材質均為Q345-B低合金鋼,彈性模量E=2.10×1011Pa,考慮到聯接件重力,鋼材密度適度放大,密度ρ=8.2×103kg/m3,重力加速度取-9.8m/s2,泊松比μ=0.3。2組主塔中心間距31.656m。主塔采用8m高的標準節進行組合拼裝,纜索起重機塔架結構全塔共設15個標準節段,全塔高度120m。在第5、10、15標準節段上設置3道橫梁,沿上橫梁頂面鋪設聯通兩主塔塔頂的索鞍滑移軌道。在塔架立柱上共設12道纜風繩,塔架背面設置4道背索。應用ANSYS軟件中Beam188梁單元和Link180桿單元分別模擬鋼結構和索結構,建立LQ2000/200KN型纜索起重機塔架結構的有限元模型,如圖1所示。有限元模型整體坐標系x軸平行于河道方向,y軸沿豎直方向,正方向朝上,z軸垂直于河道方向,正方向指向河道中央。

1.2分析方法

目前國內外進行抗震分析的主要方法有:靜力法、反應譜法、時程分析法和隨機振動法等。反應譜法可以將動力問題巧妙的轉化為靜力問題,從而使得地震計算變得簡明,本文采用ANSYS譜分析的方法進行結構的地震反應譜分析。彈性反應譜理論的核心是反應譜曲線。本文參考文[8]中的設計反應譜,即規范給出的地震影響系數曲線,如圖2所示。

圖2　地震影響系數曲線

結構的地震影響系數應根據地震烈度、場地類別、設計地震分組和結構自振周期及阻尼比確定。本文中纜索起重機所在云南保山地區的設防基本烈度為8°,設計基本地震加速度值為0.20g,場地土類別為Ⅱ類,設計地震分組第3組,則多遇地震下特征值周期Tg=0.45s,水平地震影響系數最大值αmax=0.16,豎直地震影響系數最大值αvmax=0.65×0.16=0.104。阻尼比取ζ=0.03。豎向地震影響系數取αv=0.65α。可得到地震頻譜值如表1所列。

表1　地震頻譜值

2　模態分析

模態分析是動力分析的基礎,是用來確定結構的振動特性的一種技術。由于結構在地震荷載作用下的響應情況取決于結構的振動特性,因此地震反應譜分析之前必需要對結構進行模態分析。本文給出纜索起重機塔架結構的前 10 階頻率以及前3階振型圖。前 10 階頻率如表 2 所列。

表2　塔架結構前10階模態頻率

由表2可知,門式纜索起重機塔架結構的的基本周期約為 1.87s。圖3、圖4、圖5分別為塔架結構的前 3 階振型。

圖3　第1階振型

圖4　第2階振型

圖5　第3階振型

第1階振型圖反映的是x軸方向整體結構的水平振動。第2階振型圖反映的是z軸方向的整體結構的水平振動。第3階振型圖反映的是繞y軸方向的整體結構的扭轉振動。

3　地震反應譜分析計算結果

根據表1數據和反應譜分析理論,應用ANSYS軟件對塔架結構在8度多遇地震作用下分別按照如下工況進行分析:① x軸方向水平地震反應譜分析;② z軸方向水平地震反應譜分析;③ y軸豎向地震反應譜分析;④ x和z雙向水平地震反應譜分析;⑤ x和y向地震反應譜分析;⑥ y和z向地震反應譜分析;⑦ x、y和z三向地震反應譜分析。

圖4為塔架結構在各向地震作用下的總位移分布圖。

圖6　各向地震作用下的總位移分布圖

由各向地震作用下的總位移分布圖可見,x向和x+y向的總位移分布圖與模態分析中第1階振型相似,z向和y+z向的總位移分布圖與模態分析中第2階振型相似,x+z向和x+y+z向的總位移分布圖與模態分析中第1階振型和第2階振型的組合振型相似。

為了進一步分析塔架結構用反應譜分析方法得出的結構在地震作用下的最大反應,列出結構在不同地震作用下各方向的最大位移和結構在不同地震作用下的最大應力,分別如表4、表5所列。

表4　不同地震作用下各方向最大位移

表5　不同地震作用下最大應力

比較發現塔架結構在豎向(y軸方向)地震作用下,各個方向的位移都相對較小;

x向水平地震作用下,結構整體向x軸方向傾斜,最大位移發生在結構的頂部,值為52.995mm;

z向水平地震作用下,結構整體在中橫梁向z軸方向起拱,中橫梁附近發生最大位移,值為31.851mm。z向水平地震作用下結構豎向位移達到5.383mm,明顯大于豎向(y軸方向)地震作用和x向水平地震作用的影響;

在x+z水平雙向地震作用下,塔架結構整體向x軸方向傾斜并且在中橫梁位置處向z軸方向起拱,最大位移發生在結構的頂部,值為54.311mm,稍大于x向水平地震作用;

在x+y雙向地震作用下,結構在x、y、z方向的位移變化規律與水平單向地震作用下位移的變化規律基本相同,數值差距很小,說明豎向地震作用對位移的影響較小;

在z+y雙向地震作用下,結構在x、y、z方向的位移變化規律與水平單向地震作用下位移的變化規律基本相同,但是數值差距很大,而且z向和y向共同作用與僅在z向水平地震作用下各方向的位移反而有所減小。

在x+y+z 3向地震作用下,結構在x、y、z方向的位移變化規律與在x+z向地震作用下位移變化規律相似,不過各方向數值都有僅有略微的變大。這說明在三向地震作用下,對塔架結構起主導作用的地震仍是水平地震作用,豎直地震作用的影響比較小。

塔架結構在豎向地震作用下應力值最小,為4.34MPa,在3向地震作用下應力值最大,為34.7MPa。在有z方向水平地震作用的結構最大應力都出現在最下方第2個標準節的立柱上。x方向水平地震作用對中橫梁的應力影響比較大。

4　結　　論

本文應用ANSYS軟件對纜索起重機塔架結構進行了模態分析和地震反應譜分析,討論了8°多遇地震時,在水平x向、水平z向、豎直y向、水平雙向x+z向、x+y向、y+z向和x+y+z 3向地震作用7種不同工況下,塔架結構的變形和應力情況,計算分析發現:① 豎向地震作用對塔架結構變形和應力的影響均較小,對塔架結構的動力響應特性起主導作用的是水平地震作用。② 在水平z方向和豎直y方向地震共同作用時,z向水平地震作用對塔架結構的影響會消弱。3向地震作用下塔架結構的變形和應力都比較大。

本文分析結果為塔架結構抗震設計提供了一定的參考依據。

[1]嚴自勉,顧斯照.纜索起重機[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]顏小華.云南景洪30t纜索起重機塔架結構的設計[J].制冷空調與電力機械，2005,(3):84-86.

[3]張益鋒.門式纜索起重機結構的有限元分析和力學性能研究[D].合肥工業大學，2011.

[4]宋振華.纜索起重機靜動態特性研究[D].西南交通大學，2012.

[5]Yang W,Li Y,Fang Z,He K,editors.Study on dynamic optimum design of tower crane structure[C].Mechanic Automation and Control Engineering (MACE),2011 Second International Conference on; 2011.

[6]張亮.龍門起重機地震響應分析及抗震研究[D].武漢理工大學，2014.

[7]何銀暉,谷立臣,姬鵬斌.基于ANSYS的塔式起重機抗震分析[J].機械設計與制造，2012，(7):188-90.

[8]GB50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

(責任編輯陳化鋼)

The seismic response analysis of the tower structure of portal cable crane

ZHANG Xu，HU Zong-jun

(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

The portal cable crane of LQ2000/200KN type is employed in the construction of Nu river four lane bridge.In order to get the dynamic properties and seismic response of the cable crane,the seismic response spectrum analysis is done using the finite element software ANSYS.According to the specification,7 different seismic loads are designed to act on the cable crane structure.Then the change law of the structural seismic responses is obtained under earthquake action in different directions.At last the results are analyzed and summarized.

finite element analysis; cable crane; tower structure; modal analysis; seismic response spectrum analysis

2016-03-24；

2016-03-30

張旭(1991-)，男，安徽合肥人，碩士生，從事鋼結構研究;

胡宗軍(1975-)，男，山東日照人，副教授，研究生導師，從事工程力學研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.003

TH218

A

1671-6221(2016)03-0009-05