大型水電站主廠房大噸位橋式起重機抗震分析*

李永亮

太原重工股份有限公司技術中心 太原 030024

0 引言

水電站1 000 t/100 t橋式起重機（以下簡稱為橋機）是某水電站主廠房內重要的起重設備，主要用于廠房內重要發電設備及輔助裝置的吊裝和檢修。為精確計算校核該橋機在技術規格書中要求的地震設防烈度為8度，地震加速度水平0.2g，垂直0.13g時的結構抗震特性，確保橋機、吊裝設備的安全與穩定，依據GB/T 3811—2008《起重機設計規范》[1]、ASME NOG-1—2015《橋式和門式起重機制造標準》[2]及相關技術要求，采用譜分析法，結合有限元分析程序Ansys，對該橋機進行地震動態響應分析研究。同時，依據規范要求對抗震分析結果進行分析和評定，計算出橋機大車車輪在地震載荷工況下的響應力峰值，為相關部件及其他承載結構、設備的設計校核提供極限接口數據。

1 計算模型及邊界工況

本文所述水電站橋機主要包括大車橋架及主、副運行小車，均采用箱形框架焊接結構，其主要承載件材料選用Q345B。橋機沿廠房軌道大跨度行走，主副小車在橋架主梁上蓋板鋪設的小車軌道上運行起吊設備。橋機結構圖如圖1所示。

圖1 主廠房橋式起重機結構示意圖

根據橋機整體結構尺寸參數、截面特性、各部件重量及分布情況等設計數據，結合Ansys有限元分析程序中的Beam 188 3D梁單元、Link 180桿單元和Mass 21質量單元等作為基本單元，建立圖2所示整機抗震計算模型。在圖2中，以橋機主梁長度方向為X軸方向，Y軸為水平沿端梁長度方向，Z軸垂直向上為正，建立總體直角坐標系。

圖2 主廠房橋式起重機抗震計算模型

根據該橋機實際運行工況及相關規范要求，在小車車輪與橋架軌道之間采用耦合自由度的方式連接[3]。大車車輪處采用簡支約束，邊界約束條件如圖3所示。計算時，將模擬起升鋼絲繩的Link 180單元參數設置為僅承受拉力，不承受壓力狀態。

圖3 邊界約束條件示意圖

按照技術規格書的要求，參照ASME NOG-1—2015《橋式和門式起重機制造標準》，按照主小車在橋架的吊載位置（跨中、一側極限位置）、起升繩高度位置等因素組合，建立表1所示橋機在設防地震載荷作用時的最危險的工況組合。

表1 橋機地震工況組合

2 材料特性及許用應力

主廠房橋機主要承載部件選用材料為Q345B，彈性模量E＝210 GPa，泊松比γ＝0.3，材料密度ρ＝7 850 kg/m3，材料屈服極限σs＝345 MPa，強度極限σb＝470 MPa[4]。

依GB/T 3811—2008《起重機設計規范》中對結構件材料許用應力的要求，橋機在地震極限工況下強度安全系數為1.22，且材料的屈強比σs/σb＞0.7，故橋機主要承載部件的許用應力[σ]＝0.5σs+0.35σb＝276 MPa。

3 計算方法及地震設防參數

采用譜分析方法對橋機進行地震載荷及自重載荷組合作用時的結構動響應分析。抗震計算輸入地震載荷為根據橋機技術規格書中要求的地震設防參數（見表2），計算出地震影響系數曲線，進而得到地震加速度反應譜中X、Y、Z方向的地震加速度。

表2 地震設防參數

主廠房橋機的結構復雜，由模態分析結果可知其前幾階自振周期比較接近，各振型間存在耦聯關系，故計算時模態組合采用CQC方法。為了滿足規范中要求的模態參與質量系數超過模型總質量90%的要求，選取橋機前50階固有頻率作為計算頻率。根據模態分析結果，在Ansys中輸入地震加速度譜進行抗震反應譜分析。

4 抗震計算及結果分析

對主廠房橋機進行固有頻率計算及地震反應譜分析，計算得到橋機各部件的應力響應、輪壓響應及整車上拋情況等地震極限工況結果。

4.1 模態分析

模態分析可以計算出橋機的固有頻率和振型。由圖4所示橋機整機模態分析結果可知，除去起升鋼絲繩的固有頻率后，橋機第1階固有頻率f1＝3.17 Hz，振型主要特征為主小車整體沿橋架X方向平動；第2階固有頻率f2＝3.27 Hz，振型為橋架沿Y向的平動；橋機第3階固有頻率f3＝4.43 Hz，振型為橋架沿豎直Z向的擺動。

圖4 橋機各固有頻率時的振型云圖

4.2 應力響應結果

根 據 ASME NOG-1—2015《 橋 式 和 門 式起重機制造標準》中的相關要求，采用公式進行結構最大應力響應計算。其中，σmax,X、σmax,Y、σmax,Z分別為設防地震X、Y、Z方向載荷引起的結構應力動態響應。將動響應值與自重（靜力）工況結果疊加，進而組合計算出結構在地震工況時的總響應值。

表3為主廠房橋機在設防地震多種工況組合作用下的最大應力響應計算結果。由表3計算結果可知，主廠房橋機在地震載荷作用下，橋架主梁最大應力響應值為205.12 MPa，副主梁最大應力響應值為141.74 MPa，端梁最大應力響應值為25.17 MPa。結合橋機材料許用應力可知，在設防地震工況下，橋機主要結構最大應力滿足要求。

表3 主廠房橋機最大應力響應匯總表 MPa

主廠房橋機主小車位于跨中吊重1 000 t上極限位置時，橋架在靜力作用及設防地震X、Y、Z方向地震加速度載荷作用時的應力云圖如圖5所示。

圖5 位于跨中吊重1 000 t時橋架的應力云圖

4.3 輪壓響應及上拋力

與應力響應組合一致，通過譜分析計算得到地震載荷作用下橋機的輪壓垂直動響應，與靜載輪壓相組合（考慮受力方向），得到橋機所受最大垂直輪壓及上拋力，判斷空載時橋架、小車是否會出現上拋情況。

表4為橋機吊載1 000 t于上極限位置，在設防地震載荷作用下，大車車輪垂直支反力動響應Rzd的計算結果匯總表，表中車輪位置參見圖2。Rz，X、Rz,Y、Rz,Z分別為設防地震X、Y、Z方向載荷引起的結構輪壓動態響應。與靜載時輪壓Rzj疊加，即可求得橋機最大垂直輪壓響應為Rzmax＝Rzj+Rzd。

表4 主廠房橋機最大輪壓響應匯總表 kN

由表4可知，主廠房橋機在地震載荷作用下，大車車輪響應力最大為5 261.03 kN。車輪力響應結果將作為設計校核廠房承軌梁、軌道、連接銷軸、螺栓等關鍵部件在地震極限載荷作用時的接口數據。

表5、表6為橋機空載運行時，在設防地震載荷作用下，大車及運行小車上拋力的計算結果匯總表。其中上拋力計算公式為F＝Rzd-Rzj。

表5 主廠房橋機大車上拋力匯總表 kN

表6 主廠房橋機小車上拋力匯總表 kN

由橋機上拋力計算結果可知，在設防地震載荷作用下，空載運行時大車車輪最大上拋力為-44.54 kN，小車車輪最大上拋力為-298.79 kN，方向均豎直向下，即地震時均無上拋情況發生。地震上拋力可用于起重機抗震裝置設計、廠房基礎校核等。

5 結語

本文結合某大型水電站抗震設計要求及相關的規范準則，采用譜分析方法，對水電站主廠房1 000 t橋機進行了設防地震多種極限載荷工況組合的抗震計算。由各項分析結果可知，該橋機各主要部件的強度等參數滿足抗震設計要求，在地震載荷作用時，整車無上拋情況發生。同時，計算得到的輪壓響應等數據可作為廠房及橋機內部關鍵部件設計校核的接口數據。

通過本文的研究，可對大型水電站大噸位橋機研發中抗震性能設計校核提供參考和借鑒，同時也可推廣應用于其他大噸位常規起重機的抗震分析與優化設計中，應用前景較為廣闊。