碼頭岸邊裝卸起重機抗震設計分析

石瑾 呂海濤 尼瑪扎西

摘 要：地震的不可預測性給人類社會帶來了極大的災難，地震帶上存在有當今最為繁忙的港口，而港口中岸橋設備較為集中，這些岸橋不僅是各國進行貿易運輸的主動脈，而且是進出口貿易基地不可或缺的裝卸機械。本文對抗震理論的發展進行了簡要的介紹，并對國內外岸橋多種抗震結構設計進行了介紹，并指出當前研究存在的不足以及發展的方向。

關鍵詞：地震；岸橋；抗震；結構設計

中圖分類號：U653.92 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0062-02

1 引言

隨著經濟全球化的快速發展，各國國際貿易額逐年增長，而海洋面積占地球面積的70%，國際貿易絕大多數是通過海運業務實現的[1]。在強勁的海運需求刺激下，集裝箱和散貨運輸的發展十分迅猛。集裝箱碼頭岸邊裝卸起重機（岸橋）是當今全球用來裝卸整箱貨物的主流裝備，這種設備不僅在大型港口的使用率高、應用廣，而且在一定程度上決定了船舶、港口、航道等的格局，促進了全球經濟一體化的發展[2]。早在20世紀50年代末，美國一公司研制成功了世界上首臺岸邊集裝箱起重機，經過多年的發展，起重機不斷地更新換代，集裝箱碼頭岸邊裝卸起重機正朝著自動化、高速化、大型化和智能化發展[3]。

就目前的科研成果而言，主流研究方向多集中在重力壩、橋梁及高層建筑等的動態地震分析和結構建模，而對岸橋的研究則明顯不足[4]。本文主要針對岸橋起重機國內外研究現狀進行了分析，為岸橋起重機抗震裝置的選型和設計提供必要的理論依據。

2 國內外岸橋起重機抗震研究

地震的不可預測性給人類社會帶來了極大的災難（人員的傷亡和財產的損失）。而我國地處全球最為活躍的兩大地震帶：環太平洋地震帶和歐亞地震帶，是世界上受地震災害最為嚴重的國家之一[5]。這些地震帶上存在有當今最為繁忙的港口，而港口中岸橋設備較為集中，這些岸橋不僅是各國進行貿易運輸的主動脈，而且是進出口貿易基地不可或缺的裝卸機械。因此，在地震過后，這些岸橋仍能保持裝卸能力，即要求岸橋具有抗震設計，對于救災而言就具有極為重要的作用。

隨著科學技術的進步，人們對于抗震理論的研究也在不斷發展和完善，抗震設計理論發展經歷了以下四個階段[6]：（1）靜力理論階段：靜力理論起源于意大利，而在日本實現了快速發展，靜力理論通過求解各質點在地震作用下的最大值，在結構上施加后，按照靜力分析法則求解出地震響應，但是該方法并沒有考慮隨著時間變化，地震作用的變化，因而該方法求解出的準確度較低，不適用于柔性結構，即便如此，該理論也具有劃時代的意義；（2）反應譜理論階段：M.A.Biot利用已有的地震記錄計算反應譜，使得抗震研究得到了重要的發展，從而進入反應譜理論階段，美國學者于50年代繪制了反應譜曲線，從而完善了該理論，該理論是由單自由度理論發展而來，而后發展到多自由度理論階段，也稱為振型分解反應譜理論，同時，該理論從只能求解彈性階段發展到塑性階段求解，20世紀初，我國學者修正了反應譜理論，該理論使得十分復雜的地震響應問題的求解變得簡單；（3）時程分析階段：20世紀60年代，隨著大量的地震記錄的積累，人們把地震波輸入結構動力方程，然后通過積分法求解地震響應和地震作用，即時程分析法，該分析法考慮到了地震三要素（頻譜、幅值和持時），同時該方法能夠求解出各種反應量，以及結構響應的全過程，但該方法的前提是構建構件的非線性恢復力模型；（4）隨時振動理論階段[7]：該理論目前并未完善，尚需進一步研究，應用隨機振動的過程來統計分析地面運動的相關資料，隨即提出了函數和模型，該方法不僅考慮到了隨機性的地面運動，而且考慮到了多點激勵、波的特性和非一致激勵，該方法的優點在于：消除地震波波形的影響，而其缺點在于：計算耗時大，計算量驚人，數學模型復雜。

岸橋抗震裝置一般具有四大功能[8]：觸發功能、滑動功能、衰減功能、復位功能。這四個功能為基本功能，可根據實際情況任意組合，來構成不同的抗震裝置。上海振華重工有限公司[9]于2006年設計制造的全球第一臺雙偏心回轉支撐式隔震裝置的岸橋，其自身體積巨大、重量重，而同時要達到很好的減震效果，所以其對阻尼裝置和減震彈簧的要求很高，雖然最終解決了該問題，但成本很高，降低成本成為其后續推廣應用的主要方向，必須對減震系統進行相關改進。楊郁青[10]通過有限元分析計算，算出了地震載荷下，門式起重機小車位于不同位置時的最大應力、最大結構位移、小車車輪和軌道間的作用力。通過計算發現，在地震作用下，起重機的最大結構應力小于材料的許用應力、最大結構位移在規定范圍內，小車性能及門架支撐結構能夠保證性能完整。吉軍[11]等，通過時程分析法和振型分解反應譜法對地震條件下的塔式起重機結構進行了動態響應研究，通過ANSYS實現了8級地震下塔式起重機的時程分析和地震譜分析。研究表明：塔臂受損最為嚴重，塔臂斷裂是由豎向地震造成的。李增光[12]通過有限元軟件構建了環形吊車結構模型，以40米處高的安全殼作為地震反應譜，計算了環形吊車結構的地震響應。計算表明：地震條件下，環形吊車垂直應力響應和垂直位移較小，但水平應力響應和水平位移較大，環形吊車結構可以滿足抗震設計的要求，最大應力值小于材料的屈服強度。張海軍[13]對地震條件下的塔式起重機的變形情況和內應力情況進行了分析，分析結果表明：在滿載條件下，當鋼索長度在最有利范圍內，地震對塔式起重機的影響最小，該研究結果為應急處理提供了很好的建議。日本Sugano T.等[14]通過縮小比例，對岸橋設計了具有滑移機制的抗震裝置，通過多次試驗，得到了抗震裝置開啟和關閉時，岸橋結構的地震特性。研究表明：當抗震裝置開啟后，不同結構處的位移響應和加速度響應均明顯減少，抗震效果顯著。隨后通過有限元模擬進行驗證，得出的結果與實驗結果具有一致性，進一步說明了該設計的合理性。Shibakusa T.等[15]設計了一種疊層橡膠抗震系統，專門用于避免岸橋大車跳軌和構件損壞現象的發生。該設計能夠使得岸橋在地震條件下，延長其結構部分的固有周期，并能阻止地震能量的向上傳輸。Marano K.等[16]設計出了搖擺式抗震系統，并構建了兩種有限元模型，分析比對其在不同地震震級下的抗震特性。計算表明：通過設計合理的阻尼參數，搖擺式抗震系統能夠對模型扭轉形態進行阻隔，且該種設計更為簡單有效。

3 結語

雖然在相關領域，國內外學者取得了一定的成績，但是多數學者僅從結構靜強度這方面考慮岸橋的抗震計算，對于地震動態破壞行為和震后岸橋設備損害形式了解不足。前人的研究存在很多不足，如：岸橋結構的縮比模型設計尚需討論、缺少極限狀態下岸橋結構抗震分析數據、缺少非線性岸橋結構抗震模型的分析等。在這些方面，我們尚需加強研究。

參考文獻

[1]尹竹.條條船滿艙 月月收入增[N].中國郵政報，2007-01-01.

[2]羅勝男.岸橋式起重機安全評估方法研究[D].武漢工程大學，2015.

[3]朱永軍.岸橋結構參數化建模分析及其系統的開發[D].武漢理工大學，2014.

[4]成旭金.大型集裝箱起重機地震激勵方法研究[D].武漢理工大學，2012.

[5]秦四清，李培，薛雷，等.環太平洋地震帶巨震預測[J].地球物理學進展，2015，（02）：540-558.

[6]謝禮立，馬玉宏.現代抗震設計理論的發展過程[J].國際地震動態，2003，（10）：1-8.

[7]朱斌.動臂式塔式起重機金屬結構有限元分析及其起重臂優化設計[D].太原理工大學，2009.

[8]黃炯鵬.岸橋摩擦型抗地震裝置設計分析及應用[D].上海交通大學，2014.

[9]楊宇華.集裝箱起重機抗地震裝置[P].中國專利：CN1666947A. 2005.09.14.

[10]楊郁青.門式起重機模態分析及抗展性研究[D].大連理工大學，2000.

[11]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.

[12]李增光，王炯，吳天行.核電站環形吊車抗震計算分析[J].核動力工程，2008，（1）：46-49.

[13]張海軍.塔式起重機工作時地震響應分析[J].鐵道建筑技術，2010，（增刊）：240-242.

[14]Sugano T.，Shibakusa T.，Fujiwara K.，et al. Study on the Seismic Performance of Container Crane-Development of the Container Crane with Isolation System[J]. Report of the Port and Airport Research Institute，2003，42（2）：222-250.

[15]Shibakusa T.，Sugano T.，Fujiwara K.，et al. Development of Seismic Isolated Container Crane Using Laminated Rubber Bearings[C].Nippon Kikai Gakkai Kotsu， Butsuryu Bumon Taikai koen Ronbunshu，2001，10th：181-184.

[16]Marano K.，Yoshida K. Proposal of Rocking Type of Vibration Isolation System for Container Crane[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers.C，2002，68（665）：90-95.