不同地震分量对岸桥动力响应影响的振动台试验研究

李 哲，伍世英，王贡献

(1.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023； 2.武汉理工大学 物流工程学院，武汉 430063)

大型机械、土木工程结构的地震动力学研究是一门涉及多个不同学科的复杂科研课题。位于地震高发区的大型工程结构，具有良好的抗震性能是至关重要的[1]。以岸桥起重机为例，由于近年来的几次大地震给大型岸桥带来了巨大破坏，引起业界专家学者对岸桥抗震性能的重视。只有对这类大型结构进行深入的地震实验研究，科研工作者才能掌握岸桥在不同工况下的地震动态响应，预测其在不同地震情况下危险发生的部位，并以此为依据对结构进行抗震加固改进，避免地震来临时发生重大事故[2]。

对这类大型结构进行地震实验研究，通常无法进行现场试验，目前采用较多的方法是仿真实验配合模型在振动台上进行的地震模拟试验。在进行模型试验前，结合地震灾害案例对结构进行地震动力学仿真实验分析，可以初步了解其地震动态特性，指导试验模型的制作以及为试验方案提供参考，试验结果可用来验证仿真实验的正确性与可靠性且能指导仿真参数的设置。最终达到提高试验效率、降低试验开销的目的，更重要的是，可靠的仿真数据与正确的试验结果能对结构地震实验进行优化，例如在结构地震动力学研究中，地震波的输入一直是研究中的热点，文献[3]提出一种真实地震波选择方法以满足高墩桥梁抗震时程分析需求，并以某百米高墩桥梁抗震时程分析为例验证了方法的有效性。文献[4]研究了拱坝-地基系统在双向地震波输入时不同振动方向对拱坝-地基系统地震响应的影响。文献[5]提出了地震波垂直输入时的一种简化输入方法，并在某隧道结构地震响应算例中验证了该方法的有效性。文献[6－8]根据振动台的性能参数选取用于岸桥地震研究所用的地震波，并对地震波输入方式、加速度峰值调整、地震波时长截取、采样间隔等做了一系列研究，最终在数值仿真分析与模型试验中取得较为理想的结果。

本文通过数值仿真实验配合振动台上模型地震试验来分析不同地震分量对岸桥结构动力响应的影响。将地震激励分解为空间坐标系中3个方向的地震分量，通过仿真计算与试验分析发现沿大梁方向水平地震分量（X向）对岸桥结构地震响应的影响最大，沿轨道方向水平地震分量（Z向）影响较小，竖直方向地震分量（Y向）能增强水平分量对结构的影响。因此提出在一般岸桥地震仿真计算和模型试验中忽略Z向地震激励，只采用X+Y向地震输入即可得到所需结果，在特定情况下可以只输入水平单向地震激励（X向）也可满足要求，以此为基础对地震输入进行简化，最后对岸桥相似模型进行了相关试验验证。

1 岸桥地震灾害及与地震相关的自身特性分析

1.1 岸桥地震灾害分析

结构地震研究中震害案例是最有说服力的，地震灾害发生后，根据结构物的损坏形式可以初步了解结构物抗震性能，例如哪个方向的地震激励对其造成的损伤最大。1995年日本阪神发生7.2级强震，位于地震中心带的55台岸边集装箱起重机中有52台遭到不同程度的破坏[9]，相关专业人员在关于神户港的岸桥设备受损情况调查报告书中将岸桥的破坏情况分成5类：

(1)行走车轮与轨道分离；

(2)门腿部位出现X向微量弯曲；

(3)门腿部位可见X向明显弯曲变形；

(4)前大梁损坏；

(5)整体结构倒塌。

神户港六甲岛、波特岛和摩耶码头的港口岸桥损坏数据统计见表1。

表1 岸桥损坏情况统计

由灾害调查报告可见，岸桥门腿底部的弯曲变形是岸桥破坏的主要原因，从统计学的角度可以初步说明造成结构门腿X向弯曲的载荷为X向地震激励即垂直于大车轨道的水平地震分量。国内外大量文献研究表明岸桥结构主要振型为X方向上的摆动，本文将通过仿真实验与模型试验系统性分析不同地震分量对岸桥结构主振型方向上动力响应的影响。

1.2 岸桥地震特性分析

结构地震研究中地震激励是相关科研人员经过大量实验积累总结而得，各行业结构差异巨大，需要对岸桥地震特征进行相应的分析，选取合适的地震分量作为岸桥结构地震研究的外部激励输入。岸桥结构下列特征使其在遭受地震时所受载荷情况及受损情况不同于其他结构：

（1）轮轨接触式的边界条件。整台岸桥设备通过其刚性车轮与固定在码头上的刚性轨道相互作用，车轮轮缘与轨道在沿大梁方向（X向）形成一定的限位约束，当地震发生时轨道向车轮输入沿大梁方向的动载荷，会使上部结构大幅度摆动，车轮轮缘与轨道产生卡死现象，造成结构底部强制变位，支撑门腿弯曲变形损坏等。沿轨道方向（Z向）没有位移约束，轨道向车轮输入沿轨道方向的动载荷时，结构可以沿轨道方向滑动。竖直方向（Y向）轨道对车轮起到支撑作用，在地震激励下岸桥会产生跳轨现象（车轮腾空），如图1所示。

（2）行走机构的独特组成形式：均衡梁+台车。岸桥起重机的行走机构一般由四组运行台车组成，每组运行台车有若干个行走轮，结构重量通过均衡梁平均分配到各个车轮上，即使上部结构发生沿轨道方向的轻微偏摆，车轮始终与轨道接触不会抬起。地震发生时，车轮可沿轨道滑移且均衡梁中的活性铰可保持结构的稳定性（结构不会沿着轨道方向大幅摇摆），使得沿轨道方向的激励对岸桥结构影响很小。

图1 岸桥行走机构与轨道

（3）长悬臂结构，重心偏高且偏向海侧。新一代大型岸桥重量一般在1 200 t至2 000 t之间，结构体积庞大，整机重心离地面大约40 m左右，相对总高度75 m属于重心偏高型结构。以大梁方向和竖直方向为基准面，岸边集装箱起重机结构是不对称的。前伸大梁的长度远大于后侧大梁的长度，梯形架更靠近海测，使得结构的重心偏向海侧。地震激励下岸桥整机海侧台车或陆侧台车更容易发生抬起腾空现象。沿悬臂方向的地震动载荷更容易造成结构的破坏，而长悬臂结构是集装箱装卸搬运机械的特征，随着集装箱船型的增大岸桥悬臂还有加长的趋势。

（4）结构主要由杆和箱型梁组成。岸桥结构采用完全刚性的连接形式，轨道在地震载荷的作用下产生移位很容易造成岸桥支撑腿弯曲变形。

（5）岸桥结构竖向刚度大。地震发生时，单纯竖直方向地震波分量对于岸桥结构影响很小，但是可以加大水平方向地震分量的作用。

2 岸桥结构有限元模型与仿真分析

2.1 岸桥模型

岸桥结构主要由门架结构、大梁、拉杆等组成，以J248型岸桥为例，其示意图如下。

在ABAQUS中建立其有限元模型，结构中各构件采用弯曲梁、杆、质量单元，梁杆均选用Beam23单元，机器房等部件采用质量单元，附加在模型上的相应节点处，材料为Q345钢，屈服极限为345 MPa，弹性模量E=2.06×1 011 N/m2，泊松比为 0.3，密度为7 850 kg/m3，采用轮轨接触模型模拟岸桥的边界约束条件，大梁和门架采用节点耦合约束，建成后的岸桥有限元模型如图3(a)所示，选取岸桥测点编号及对应位置见图3(b)。

2.2 地震仿真分析

为了分析岸桥地震研究中何种分量对结构损坏起主要作用，现在有限元软件ABAQUS中对有限元模型进行地震仿真时程分析，取地震工程中常用的

EL-Centro、Taft、Northridge、Kobe波作为输入动载荷，截取地震记录中有效持续时间段均为20 s，采样间隔Δt=0.02 s。

图2 岸桥结构示意图

图3 岸桥结构模型

分别输入调整后的水平单向（OX向）、水平双向（OX+OZ向）地震分量进行计算，提取结构各测点在20 s有效持时内的加速度时程响应值。选取具有代表的测点（A5、A9、A13、A17、A26、A25 6个测点由下至上依次分布在岸桥结构模型上）绘制时程曲线，对比不同输入模式下各测点加速度响应曲线。岸桥仿真模型在相互垂直的水平双向地震同时作用下，加速度最大峰值均出现在结构门架端点处，相同地震波作用下结构不同测点处加速度时程曲线走势相同而且相互之间呈现线性关系，即在结构不同位置按一定比例放大或缩小，这与单向地震波作用下的响应结果一致。

图4为单向水平地震作用和双向水平地震共同作用下，岸桥结构测点A9的加速度时程曲线。从图中可见，在双向水平地震共同作用下，各测点的加速度峰值比单向水平地震作用下要稍微高出，曲线趋势相同，说明Z向地震分量对结构主要振动方向的动态响应有一定影响，但影响很小。

图5为水平单向地震作用和水平双向地震共同作用下岸桥结构不同位置的加速度放大系数包络线对比图，代表单向和双向的包络线几乎重合，因此可以认定Z向地震对主要方向的动力影响较小，可忽略不计。

在仿真分析中同时进行了空间三向地震分量（OX+OZ向+OY向）的输入，结果显示竖直方向的地震分量加大了结构主要振型方向的地震响应，在进行仿真计算及物理模型试验时，提高输入中的水平地震加速度峰值即可达到同样的需求。所以在进行相似模型振动台地震试验时可以只考虑垂直于大车轨道方向地震分量的作用，这样能大大降低实验成本。

3 相似模型振动台地震模拟试验

基于结构动力学相似理论及实验室空间、振动台性能等，以1:20为基准相似比设计推导了岸桥结果缩尺模型的相似常数，见表2。

表2 岸桥结构振动台模型试验设计相似常数

按上表中的几何相似常数设计试验模型各构件外形尺寸以及截面尺寸，加工制作出来的试验模型及振动台系统见图6。模型中加装的车轮和平衡梁较好地模拟了岸桥的边界特性-轮轨接触。

选取前文岸桥仿真分析中所用的地震波EL Centro、Taft、Kobe作为振动台台面激励。

图4 测点A9地震波加速度时程响应对比图

图5 加速度放大系数包络图

图6 岸桥试验模型以及轮轨接触示意图

如表3所示，在7度基本地震工况下，根据水平单向输入与水平双向输入地震波试验所测得加速度最大值之间差别很小，最大偏差为Kobe作用下测点A5的4.67%，可以认为Z向地震分量对岸桥结构主要振型方向的响应影响可以忽略不计。

表3 7度基本地震岸桥模型各测点最大加速度反应/g

表4为8度基本地震工况下根据试验所测得加速度最大值，不同输入模式下测点加速度最大偏差为Taft作用下测点A25的6.13%，证明Z向地震分量对岸桥结构主要振型方向的响应影响可以忽略。

表4 8度基本地震岸桥模型各测点最大加速度反应/g

表5显示在8度罕遇地震工况下根据水平单向输入与水平双向输入地震波试验所测得加速度峰值之间最大偏差为ELCentro作用下测点A25的6.63%，验证了在一般岸桥地震试验研究中Z向地震分量可以去除。

4 结语

对岸桥地震灾害调查报告进行分析，提出岸桥地震实验研究中可以忽略沿轨道方向的地震分量，并采用有限元时程对比分析和模型试验对比的方法来进行验证。论文的研究结论可以为岸桥地震实验的简化提供参考依据，在提高实验效率的同时还能保证试验结果的准确性，具体如下：

表5 8度罕遇地震岸桥模型各测点最大加速度反应/g

（1）岸桥结构地震下的主要振型方向为沿大梁方向（X向）；

（2）在岸桥地震实验研究中可以只输入X向地震激励，降低实验成本；

（3）当进行振动台地震模拟试验中需要考虑竖直方向地震激励时，如果振动台设备没有竖直方向加振功能，可以对X向地震激励进行峰值放大的近似等效处理。