码头岸边装卸起重机抗震设计分析

石瑾 吕海涛 尼玛扎西

摘 要：地震的不可预测性给人类社会带来了极大的灾难，地震带上存在有当今最为繁忙的港口，而港口中岸桥设备较为集中，这些岸桥不仅是各国进行贸易运输的主动脉，而且是进出口贸易基地不可或缺的装卸机械。本文对抗震理论的发展进行了简要的介绍，并对国内外岸桥多种抗震结构设计进行了介绍，并指出当前研究存在的不足以及发展的方向。

关键词：地震；岸桥；抗震；结构设计

中图分类号：U653.92 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0062-02

1 引言

随着经济全球化的快速发展，各国国际贸易额逐年增长，而海洋面积占地球面积的70%，国际贸易绝大多数是通过海运业务实现的[1]。在强劲的海运需求刺激下，集装箱和散货运输的发展十分迅猛。集装箱码头岸边装卸起重机（岸桥）是当今全球用来装卸整箱货物的主流装备，这种设备不仅在大型港口的使用率高、应用广，而且在一定程度上决定了船舶、港口、航道等的格局，促进了全球经济一体化的发展[2]。早在20世纪50年代末，美国一公司研制成功了世界上首台岸边集装箱起重机，经过多年的发展，起重机不断地更新换代，集装箱码头岸边装卸起重机正朝着自动化、高速化、大型化和智能化发展[3]。

就目前的科研成果而言，主流研究方向多集中在重力坝、桥梁及高层建筑等的动态地震分析和结构建模，而对岸桥的研究则明显不足[4]。本文主要针对岸桥起重机国内外研究现状进行了分析，为岸桥起重机抗震装置的选型和设计提供必要的理论依据。

2 國内外岸桥起重机抗震研究

地震的不可预测性给人类社会带来了极大的灾难（人员的伤亡和财产的损失）。而我国地处全球最为活跃的两大地震带：环太平洋地震带和欧亚地震带，是世界上受地震灾害最为严重的国家之一[5]。这些地震带上存在有当今最为繁忙的港口，而港口中岸桥设备较为集中，这些岸桥不仅是各国进行贸易运输的主动脉，而且是进出口贸易基地不可或缺的装卸机械。因此，在地震过后，这些岸桥仍能保持装卸能力，即要求岸桥具有抗震设计，对于救灾而言就具有极为重要的作用。

随着科学技术的进步，人们对于抗震理论的研究也在不断发展和完善，抗震设计理论发展经历了以下四个阶段[6]：（1）静力理论阶段：静力理论起源于意大利，而在日本实现了快速发展，静力理论通过求解各质点在地震作用下的最大值，在结构上施加后，按照静力分析法则求解出地震响应，但是该方法并没有考虑随着时间变化，地震作用的变化，因而该方法求解出的准确度较低，不适用于柔性结构，即便如此，该理论也具有划时代的意义；（2）反应谱理论阶段：M.A.Biot利用已有的地震记录计算反应谱，使得抗震研究得到了重要的发展，从而进入反应谱理论阶段，美国学者于50年代绘制了反应谱曲线，从而完善了该理论，该理论是由单自由度理论发展而来，而后发展到多自由度理论阶段，也称为振型分解反应谱理论，同时，该理论从只能求解弹性阶段发展到塑性阶段求解，20世纪初，我国学者修正了反应谱理论，该理论使得十分复杂的地震响应问题的求解变得简单；（3）时程分析阶段：20世纪60年代，随着大量的地震记录的积累，人们把地震波输入结构动力方程，然后通过积分法求解地震响应和地震作用，即时程分析法，该分析法考虑到了地震三要素（频谱、幅值和持时），同时该方法能够求解出各种反应量，以及结构响应的全过程，但该方法的前提是构建构件的非线性恢复力模型；（4）随时振动理论阶段[7]：该理论目前并未完善，尚需进一步研究，应用随机振动的过程来统计分析地面运动的相关资料，随即提出了函数和模型，该方法不仅考虑到了随机性的地面运动，而且考虑到了多点激励、波的特性和非一致激励，该方法的优点在于：消除地震波波形的影响，而其缺点在于：计算耗时大，计算量惊人，数学模型复杂。

岸桥抗震装置一般具有四大功能[8]：触发功能、滑动功能、衰减功能、复位功能。这四个功能为基本功能，可根据实际情况任意组合，来构成不同的抗震装置。上海振华重工有限公司[9]于2006年设计制造的全球第一台双偏心回转支撑式隔震装置的岸桥，其自身体积巨大、重量重，而同时要达到很好的减震效果，所以其对阻尼装置和减震弹簧的要求很高，虽然最终解决了该问题，但成本很高，降低成本成为其后续推广应用的主要方向，必须对减震系统进行相关改进。杨郁青[10]通过有限元分析计算，算出了地震载荷下，门式起重机小车位于不同位置时的最大应力、最大结构位移、小车车轮和轨道间的作用力。通过计算发现，在地震作用下，起重机的最大结构应力小于材料的许用应力、最大结构位移在规定范围内，小车性能及门架支撑结构能够保证性能完整。吉军[11]等，通过时程分析法和振型分解反应谱法对地震条件下的塔式起重机结构进行了动态响应研究，通过ANSYS实现了8级地震下塔式起重机的时程分析和地震谱分析。研究表明：塔臂受损最为严重，塔臂断裂是由竖向地震造成的。李增光[12]通过有限元软件构建了环形吊车结构模型，以40米处高的安全壳作为地震反应谱，计算了环形吊车结构的地震响应。计算表明：地震条件下，环形吊车垂直应力响应和垂直位移较小，但水平应力响应和水平位移较大，环形吊车结构可以满足抗震设计的要求，最大应力值小于材料的屈服强度。张海军[13]对地震条件下的塔式起重机的变形情况和内应力情况进行了分析，分析结果表明：在满载条件下，当钢索长度在最有利范围内，地震对塔式起重机的影响最小，该研究结果为应急处理提供了很好的建议。日本Sugano T.等[14]通过缩小比例，对岸桥设计了具有滑移机制的抗震装置，通过多次试验，得到了抗震装置开启和关闭时，岸桥结构的地震特性。研究表明：当抗震装置开启后，不同结构处的位移响应和加速度响应均明显减少，抗震效果显著。随后通过有限元模拟进行验证，得出的结果与实验结果具有一致性，进一步说明了该设计的合理性。Shibakusa T.等[15]设计了一种叠层橡胶抗震系统，专门用于避免岸桥大车跳轨和构件损坏现象的发生。该设计能够使得岸桥在地震条件下，延长其结构部分的固有周期，并能阻止地震能量的向上传输。Marano K.等[16]设计出了摇摆式抗震系统，并构建了两种有限元模型，分析比对其在不同地震震级下的抗震特性。计算表明：通过设计合理的阻尼参数，摇摆式抗震系统能够对模型扭转形态进行阻隔，且该种设计更为简单有效。

3 结语

虽然在相关领域，国内外学者取得了一定的成绩，但是多数学者仅从结构静强度这方面考虑岸桥的抗震计算，对于地震动态破坏行为和震后岸桥设备损害形式了解不足。前人的研究存在很多不足，如：岸桥结构的缩比模型设计尚需讨论、缺少极限状态下岸桥结构抗震分析数据、缺少非線性岸桥结构抗震模型的分析等。在这些方面，我们尚需加强研究。

参考文献

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