基于反应谱CQC法的桥式起重机抗震薄弱点分布规律研究

查继明 蔡福海 陈 晨

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 常州 213016）

（2.大连理工江苏研究院有限公司 常州 213164）

（3.常州机电职业技术学院 常州 213164）

桥式起重机是一种广泛应用于港口、核电、冶金、厂矿等领域的起重机，在部分应用领域，有特殊的抗震要求，如铸造用桥式起重机和核电用桥式起重机，都需要对其结构进行抗震校核计算[1、2]。对于在地震多发区域的桥式起重机，经过多年服役后，起重机的结构性能会有所变化，导致抗震性能下降，产生安全隐患，因此，对其抗震性能进行分析、研究。

本文利用Ansys软件，建立了6个不同吨位、跨度和型号的双梁桥式起重机模型，开展结构静力计算、模态分析和谱分析，并基于反应谱CQC法（CQCComplete Quadratic Combination，即完全二次项组合方法，取各振型反应的平方与不同振型耦连项的总和的方根作为总反应的振型组合方法），完成不同地震工况下起重机震后结构状况分析，确定典型桥式起重机应力集中薄弱点以及分布规律，为起重机的抗震薄弱点分布确定方法提供了参考。

1 起重机建模与抗震计算方法

1.1 桥式起重机建模方法

桥式起重机建模结构类型见表1。

表1 桥式起重机建模结构

将小车与桥架连成一体，限制小车的自由度，采用这种建模方式比较保守，在地震工况下起重机金属结构的应力和钢丝绳拉力会偏大。

根据以上方法建立了核电2t、通用桥式10t、32t、冶金桥式20t、50t和250t，6个型号的起重机的有限元模型。某250t铸造双梁桥式起重机有限元模型，如图1所示。

1.2 边界条件

在起重机的相应位置以均布载荷或集中质量载荷的形式施加桥架附属结构的质量，在调整模型密度后，即可将载荷均布。起重机桥架以简支梁的方式进行约束，在大车运行机构的车轮处施加位移约束。对大车主动轮施加完全约束，其余车轮针对实际工况施加与之对应的位移约束，见图1。

图1 某250t铸造双梁桥式起重机有限元模型

1.3 计算工况与抗震计算方法

对起重机模型进行静应力计算，在静应力计算的基础上进行模态分析，最后叠加谱分析和静力分析即可得到所需要的结果。在极限安全地震工况下地震阻尼比为7%[3]。

振型组合采用CQC法，X/Y/Z三个方向谱响应的完全叠加，静载荷和地震载荷计算结果按照最不利方式进行组合[4]，计算分析方法流程如图2所示。

图2 计算分析方法流程

1.4 谱分析设置方法

结构的时程响应可以通过多个振型响应的线性组合来计算，见式（1）：

式中：

SE(x,t)——弹性结构任意位置x处的地震响应；

Cj(x)——结构按第j阶振型振动式的效应系数；

γj——j振型参与系数；

qj(t)——是j振型的地震位移响应系数。

在抗震设计规范中，实际上就是确定最大的SE(x,t)，作为输入反应谱计算。CQC法提供了解决这一问题的一个途径，基于CQC法的计算公式，见式（2）[6]：

式中：

ρjk——j振型相关系数，当ωj和ωk差异较大时，ρjk≈ 0；

ζj——j振型的阻尼比。

式（2）采用了位移反应谱，可以根据规范要求及现场需要，调整式中的参数Cj(x)、γj与qj(t)，实施不同的地震响应计算。Ansys中提供了此CQC法的具体应用流程。

在Ansys中，指定分析类型为Single-ptresp单点响应谱；设定模态扩展数no.of models for solu为80；设置Type of response spectrum响应谱的类型为Seismic accel加速度来表示地震谱，设置激励谱方向 Excitation direction为 z。

模态组合方法设置为CQC，选择位移为输出类型。模态系数与最大模态系数的比值为significance threshol，即有效门限值，该设置可以使得在模态组合时只包含主要的模态。设置界面如图3所示。

图3 Ansys中的分析组合设置界面

单点响应谱分析结果以POST1命令的形式写入模态合并文件中，通过计算，以模态合并方法及其特定模态合并方式得到最大模态响应，即可得到位移数据和应力数据。

2 案例分析

2.1 计算过程

以某核电2t和冶金250t桥式起重机为例，对其8种典型工况进行了静力和地震响应下的分析。该起重机建模结构见表1，工况说明见表2。图4～图6所示为工况1的计算结果，其他工况可参考工况1计算。

表2 2t起重机计算工况说明

图4 整机位移云图

图5 桥架应力云图

图6 小车应力云图

2.2 分析结果

起重机主梁中部与小车接触点为地震工况中桥架最大应力位置，主梁的最大应力出现在主梁跨中附近与小车相接触位置。同理，可以得到危险位置分布情况，见表3。从而可以总结出典型双梁桥式起重机的桥架与小车的薄弱环节，并以此作为重点检验位置，如图7所示。

表3 结构危险位置分布情况表

图7 桥架和小车薄弱检测位置

3 结论

根据反应谱CQC法，基于Ansys软件计算了6个型号的双梁桥式起重机地震谱及其响应，归纳总结了起重机应力集中薄弱点分布以及挠度变化规律。通过多案例分析结果表明，起重机主梁中部与小车接触点为地震工况中桥架最大应力位置，整机总共有7个需要重点关注的薄弱点。

本研究方法为双梁桥式起重机的抗震检验工作提供了重要的检验依据，为其他类型起重机的抗震检验方法提供了参考。通过定期检验，保证在役起重机满足抗震的安全运行条件。