岸橋主要構件對整機地震響應的影響分析

李 哲，伍世英，王貢獻

(1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州434023，2.武漢理工大學 物流工程學院，武漢430063)

上世紀末日本阪神大地震重創了神戶港的絕大多數起重設備，引起相關部門對港口大型起重機地震研究的重視，一些業主對岸橋這類大型結構提出了抗震性能要求，有關岸橋地震方面的研究也相繼開展起來。地震研究最核心的問題是明確地震激勵下結構物的反應，在結構地震反應分析中，結構物的動態數據可以來自震害經驗、模型試驗、實物實測的分析和總結、有限元的仿真計算等[1]。地震極為復雜，包含有大量未知因素，岸橋結構龐大，原型實驗存在諸多不可控情形，目前的條件只能進行仿真分析和縮尺模型試驗。

開展大型結構物的縮尺模型地震試驗，首先要對結構中的主要構件進行分析，清楚地震激勵下各構件所受動載荷情況以及其對整體結構的影響。先期采用仿真軟件進行地震模擬分析，可大幅降低試驗中的黑箱現象[2]，提高試驗效率同時降低成本。文獻[3]將岸橋結構主要組成構件進行分類：彎曲梁單元、桿單元、質量單元，采用該分類形式建立相應的有限元模型并進行仿真計算，將結果與原模型計算值進行對比分析，結果表明這種分類方式適用于岸橋結構的動力學仿真計算，不僅能得到準確的結果且大幅降低了計算量。文獻[4-5]在此基礎上制作了相似比為1:15 的岸橋試驗模型，鑒于安裝在岸橋結構上的部分設備如控制臺、運行小車及吊具等在結構振動時主要起慣性作用,將這些設備簡化成相應的質量單元，安放在模型對應的位置，使得模型盡可能與原型保持一致，并在該模型上進行了大量的動力學試驗并取得較好的結果。文獻[6-7]在設計岸橋結構的相似模型時，為了保證模型與原型的相似關系，采用截面慣性半徑相似的方法控制抗彎剛度設計梁截面尺寸，通過附加質量的辦法保證了各構件的質量相似關系，最后成功制作一臺相似比為1:50的岸橋試驗模型。

為了提高岸橋地震實驗效率，避免黑箱效應，在對岸橋各構件進行分類的基礎上，文章首先通過實際地震災害案例分析，明確岸橋結構地震激勵下的主要破壞形式以及主要失效構件，再采用仿真計算對比各主要構件對岸橋整體結構地震響應的影響，以此確定仿真模型中哪些構件需要精細化建模或者可以簡化處理，而試驗模型中哪些構件需要絕對相似或等效相似，使建立的仿真模型與制作的試驗模型具有更強的針對性。

1 岸橋地震災害分析

結構地震研究中，震害現場分析結果的可靠性高于人們對結構地震反應的估計和仿真計算結果。地震災害發生后，根據各類結構物所受不同程度的損壞以及各種破壞形式，可以得到豐富的地震災害經驗，有助于改進結構設計而提高其抗震性能。

1995年1月17日阪神發生7.2級地震，給神戶港的裝卸設備帶來了一場破壞性極大的災難，55臺大型起重機中有52臺遭到不同程度的損毀[8]。災后相關專業人員對神戶港的岸橋及其他設備的受損情況進行了深入的調查。

調查報告中將岸橋的破壞程度和狀況分為以下五類：

(1)支撐車輪脫離軌道，其他部位沒有明顯損傷；

(2)門腿部位出現擴展且有小量變形；

(3)門腿部位可見縱向彎曲，變形明顯；

(4)前大梁損壞；

(5)整機坍塌。

神戶港六甲島、波特島和摩耶碼頭的港口岸橋損壞數據統計見下表所示。

52臺遭到損壞的岸橋中，上部結構（前大梁）損壞的岸橋一臺；整機坍塌一臺，坍塌的主要原因是門腿部位的擴展變形導致箱型梁斷裂；其余的50臺岸橋門腿底部均出現了明顯的彎曲變形。

岸橋的全部重量由4個門腿的大車運行機構分擔支撐，長懸臂、重心高以及軌道和車輪輪緣的位移約束致使地震下結構的響應以垂直于軌道方向的搖擺為主，這種搖擺最終導致門腿立柱部位發生彎曲變形，是地震破壞岸橋的主要原因，見圖1所示。

圖1 地震中岸橋門腿彎曲變形

2 岸橋結構主要組成構件

岸橋結構主要由門架、大梁、拉桿系統組成，以J248 型岸橋為研究對象，其主要構件示意如圖2所示。

圖2 岸橋結構的主要構件

表1 岸橋損壞情況統計

在Abaqus中建立岸橋結構模型，材料Q345鋼，彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。將其主要構件進行分類處理：門腿、立柱、門框上下橫梁、前后大梁可用彎曲梁代替；各種撐桿、拉桿采用桿單元模擬；控制室、貨運小車、吊具均可簡化為集中質量。建成后的岸橋結構仿真模型如圖3(a)所示，在結構上選取測試點，編號及對應位置見圖3(b)。

圖3 岸橋結構模型

3 岸橋主要構件對整機地震響應的影響分析

岸橋結構中構件種類繁多，在不同載荷激勵下受力形式也不盡相同。在結構振動研究中，構件主要性能體現在質量及剛度方面，質量不管在仿真模型中還是在試驗模型中都是固定的，因此剛度成為考察的對象。以岸橋門腿為例，研究門腿剛度改變對結構地震響應的影響，通過調節截面尺寸來改變門腿的彎曲剛度，在工況、約束、激勵一致的情況下對改變后的岸橋模型進行地震時程分析，提取計算結果與岸橋原型地震時程結果進行對比，分析門腿剛度對整機結構地震響應的影響。

岸橋構件主要為箱型梁和桿件，在地震下的響應以梁的彎曲振動為主，箱型梁彎曲剛度（EI）是通過截面慣性矩（I）來確定的，而岸橋結構中的另一個主要構件桿主要是受拉和受壓，桿的抗拉（壓）剛度（EA）是通過截面面積（A）來確定的。岸橋主要構件截面示意圖如4所示。

圖4 截面示意圖

由截面慣性矩公式可得門腿繞Z軸的梁截面慣性矩

Iz表示繞Z軸的梁截面慣性矩，L、H、t1、t2分別表示岸橋梁單元截面長度、寬度、左右厚度及上下厚度。

改變岸橋結構主要構件的截面尺寸，通過式(1)計算其原始尺寸下的截面慣性矩以及修改尺寸后的截面慣性矩（彈性模量E取值一致，彎曲剛度、拉壓剛度與截面慣性矩、截面積成線性關系），計算各構件截面積及質量，通過附加質量或者修改密度來保證構件原型質量與修改尺寸后的構件質量一致。

3.1 門腿彎曲剛度改變對地震響應的影響

門腿是岸橋地震激勵下最易發生破壞的部位，其繞Z軸彎曲剛度直接影響整體結構的動力特性。在保證質量與原構件相同的情況下，通過改變截面尺寸調整其截面慣性矩Iz，進行地震仿真時程分析，取地震工程中常用的EL-Centro、Taft、Northridge、Kobe波作為輸入動載荷，截取地震記錄中有效持續時間段均為20 s，采樣間隔Δt=0.02 s，觀察岸橋結構在不同彎曲剛度（門腿繞Z軸彎曲）下地震響應。

1)門腿截面第一組改動

表2中所示為岸橋門腿的截面尺寸，海陸側門腿均為箱型梁。在原截面尺寸的基礎上，按照表中改動1 對其進行修改，使得修改前后截面積均為78 360 mm2，且海陸側門腿繞Z軸的截面慣性矩Iz都為2.50×1010mm4。加速度放大系數包絡線能清楚反映結構不同位置對輸入地震加速度的放大或縮小效應，故從下至上依次選取6 個測點繪制加速度放大系數包絡線作為岸橋結構地震響應指標。繪制不同地震波下原型與修改1后模型上相關測點加速度放大系數包絡線進行對比，見圖5所示。（注：用0 表示原型測點加速度包絡線，用1 表示修改后模型測點加速度包絡線。）

表2 門腿截面尺寸

圖5 門腿改動1下各測量點加速度放大系數包絡線對比圖

由圖5可見原型與修改后模型對應測點加速度放大系數包絡線基本重合，說明在保證海陸側門腿立柱質量一致的前提下，保持門腿截面慣性矩Iz相同即可使修改后的模型與原型具有一致的地震響應。

2)門腿截面第二組改動

按照表2中改動2對門腿截面尺寸進行調整，修改后截面積變為78 360 mm2，繞Z軸的截面慣性矩Iz為2.53×1011，與之前的2.50×1010有較大的差距，故其繞Z軸的彎曲剛度較原型有相當大的差距。

提取結構上各測點的加速度時程值計算加速度放大系數并繪制成包絡線，與原型測點的加速度放大系數包絡線進行對比，見圖6。

圖6中可見兩條包絡線存在明顯差異，這說明在門腿繞Z軸的彎曲剛度改變后，即便質量保持一致，岸橋整體結構的動力特性隨之產生較大的變化。

3.2 岸橋各構件改變對地震響應影響綜合分析

按上述方法，對結構中主要構件逐一進行改動并進行仿真時程分析，再與原型仿真結果進行對比綜合分析。為方便起見，對岸橋各構件進行編號，見表3。

表3 岸橋構件編號

針對箱型梁和桿制定了不同的截面修改形式見表4。

改一針對門腿、門框橫梁、前后大梁等箱型梁構件進行截面尺寸改動，并保證其截面積一致、與主要彎曲方向所對應的截面慣性矩一致，即改變前后的質量、彎曲剛度一致。在改一情況下對岸橋模型的時程分析進行對比，能了解該構件非主要彎曲方向所對應的剛度是否對整機地震響應產生影響；改二與改一對象相同都為箱型梁，保證截面積一致，而與主要彎曲方向所對應的截面慣性矩不一致，非主要彎曲方向所對應的截面慣性矩不作要求，即改變前后的質量、彎曲剛度不一致，通過改二對比分析能了解該構件彎曲剛度是否對整機地震響應產生影響；改三、改四針對桿構件進行改動，其區別在于改三截面積一致而改四截面積不一致，質量都沒有變化，拉壓剛度EA產生了變化，通過分析對比可知各桿剛度對整機地震響應產生的影響。

圖6 門腿改動2下各測量點加速度放大系數包絡線對比圖

表4 截面改動形式

表5所示為不同構件在不同改動下對整機動態性能的影響，其中以：輕微、較小、較大來作為影響的指標。為了增加結果的可靠性在表最后加入1-10全部構件的整體改動。

現繪制表5中1-10 整體改動后測點加速度放大系數包絡線對比圖，見圖7。

表5 構件改動對整機動態性能影響匯總

圖7 加速度放大系數包絡圖對比

0 代表原型，1 代表構件1 即門腿不改動、構件2-5 改二、構件6-10 改三，2 代表構件1 按改二方式進行修改、構件2-5改二、構件6-10改三。

觀察圖7，0和1所代表的模型在地震激勵下，各測點加速度放大系數包絡線非常接近，而與2 所代表的模型有著很大的差異。說明岸橋結構在地震載荷下，對整體結構地震響應影響比重最大的是門腿繞Z軸的彎曲剛度。

4 結語

文章首先對岸橋地震災害調查報告進行分析，通過對地震中損壞岸橋的破壞形式以及相對應數量的統計，用直觀的數據展示地震激勵下岸橋結構主要破壞形式為門腿的屈曲變形。采用仿真對比分析法研究岸橋各構件對整機地震響應的影響，確定門腿彎曲剛度對整機地震響應影響最大。岸橋模型制作中對所有構件逐一進行相似比設計異常復雜，且多數構件的加工尺寸難以得到保障以至無法滿足相似比要求，論文的研究結論可以為岸橋地震模型的簡化提供參考依據，在提高實驗效率的同時還能保證試驗結果的準確性，具體如下：

（1）岸橋結構地震下的破壞形式主要為門腿的彎曲變形；

（2）岸橋門腿彎曲剛度（沿大梁方向）對整機地震響應影響最大，其他構件在保證質量不變的前提下改變其彎曲剛度對整機影響較小；

（3）門腿部位的彎曲剛度可以代替整機的彎曲，試驗模型設計時可以對門腿進行精細化建模，其他構件則可以簡化處理。