方 維 高 良 鞏 銳

吊運(yùn)危險(xiǎn)物品起重機(jī)械抗震性能研究

方 維 高 良 鞏 銳

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無(wú)錫分院，無(wú)錫 214174）

本文參照相應(yīng)的抗震研究規(guī)范和現(xiàn)有抗震研究方法，提出針對(duì)吊運(yùn)危險(xiǎn)物品起重機(jī)械抗震性能研究的設(shè)想。本文提出利用ANSYS譜分析技術(shù)將模態(tài)分析和地震反應(yīng)譜進(jìn)行耦合，并對(duì)研究過(guò)程的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了闡述。通過(guò)研究起重設(shè)備在地震過(guò)程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以為起重機(jī)械相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容提供補(bǔ)充，促使相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善，并通過(guò)分析結(jié)果，為震后有關(guān)起重設(shè)備的檢測(cè)和修復(fù)提供一定的指導(dǎo)。

危險(xiǎn)物品 起重機(jī)械 抗震研究 反應(yīng)譜

引言

近代建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究從靜力理論階段發(fā)展到動(dòng)力理論階段，已經(jīng)有了長(zhǎng)足發(fā)展，而針對(duì)非建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其附屬機(jī)電設(shè)備的抗震性能研究，卻鮮有涉及[1]。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑附屬機(jī)電設(shè)備自身及其與結(jié)構(gòu)主體的連接。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,附屬機(jī)電設(shè)備附加值不斷提高，對(duì)于這些附屬設(shè)備，地震引起設(shè)備損壞造成的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)很大，而對(duì)于某些特殊用途的設(shè)備，其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不僅要做到大震不倒，還要做到在大震時(shí)不喪失其基本功能，防止發(fā)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害[2]。

1 起重機(jī)械抗震性能研究方法

我國(guó)大多數(shù)起重機(jī)制造廠家未專門針對(duì)起重機(jī)的抗震性能進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，也無(wú)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范?，F(xiàn)有的大多數(shù)研究都是依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，針對(duì)塔式起重機(jī)、核電廠專用起重設(shè)備等進(jìn)行地震響應(yīng)研究，且大部分研究集中在設(shè)備線性階段的動(dòng)態(tài)特征，對(duì)非線性階段設(shè)備的地震響應(yīng)分析很少，對(duì)于吊運(yùn)危險(xiǎn)物品（熔融金屬、?；返龋┢鹬卦O(shè)備的抗震研究領(lǐng)域存在大量的空白。

起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008規(guī)定：“地震載荷一般不考慮，對(duì)于在地震區(qū)工作的起重機(jī)可以根據(jù)訂貨單位要求，考慮地震水平載荷。地震水平載荷按有關(guān)地震規(guī)范確定[3]?！?/p>

交通部水運(yùn)司制定的《港口起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中規(guī)定，安裝在震區(qū)的大高度起重機(jī)（特別是固定塔式起重機(jī)）必須考慮水平作用的地震載荷[4]。地震載荷PE=k1×G，其中G為起重機(jī)自重載荷；k1為地震載荷系數(shù)，與地震烈度有關(guān)。

表1　地震載荷系數(shù)

在計(jì)算地震載荷時(shí)，起重機(jī)處于無(wú)風(fēng)空載靜止工況。地震載荷所產(chǎn)生的水平加速度，抵抗驅(qū)動(dòng)車輪與軌道之間摩擦力或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此方法簡(jiǎn)單易行，但對(duì)分析的主體系統(tǒng)過(guò)度簡(jiǎn)化，忽略了地震對(duì)起重設(shè)備的響應(yīng)是一個(gè)時(shí)間過(guò)程，分析結(jié)果在某些情況下存在較大的誤差，不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

上海交通大學(xué)金玉龍博士以岸橋起重機(jī)的減震控制為目標(biāo)，通過(guò)數(shù)值仿真和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了岸橋起重機(jī)在不同工況、有無(wú)隔振系統(tǒng)和不同地震激勵(lì)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和地震響應(yīng)；制造岸橋1:50的等效試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用錘擊模態(tài)試驗(yàn)在振動(dòng)臺(tái)上模擬地震輸入，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)引入了可靠性理論，對(duì)該岸橋結(jié)構(gòu)的抗震可靠性進(jìn)行了綜合評(píng)估[5]。

大連理工大學(xué)的楊郁青對(duì)某型號(hào)核級(jí)燃料操作門吊進(jìn)行靜力學(xué)動(dòng)力學(xué)研究，在不同工況下得到結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下危險(xiǎn)處的位移、應(yīng)力等參數(shù)，并根據(jù)《EJ-T801-93核電廠專用起重機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》對(duì)其結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行校核[6]。

煙臺(tái)大學(xué)的曲淑英等人考慮局部動(dòng)力效應(yīng)的影響和不同標(biāo)高出系統(tǒng)加速度譜值的變化，推導(dǎo)了大型環(huán)形起重機(jī)設(shè)備在地震作用下的地震響應(yīng)計(jì)算公式，并編制計(jì)算程序，對(duì)比分析了局部動(dòng)力及加速度譜值變化對(duì)系統(tǒng)的影響[7]。咸陽(yáng)師范學(xué)院的吉軍等人在ANSYS中建立塔式起重機(jī)的有限元模型，并編制了地震反應(yīng)譜，對(duì)塔機(jī)進(jìn)行了地震譜分析[8]。大連重工集團(tuán)的呂宏以核電環(huán)行起重機(jī)為例，基于美國(guó)ASME NOG-1-2004標(biāo)準(zhǔn)提供的有限元反應(yīng)譜分析方法,介紹了反應(yīng)譜法在核電起重機(jī)抗震計(jì)算中的應(yīng)用[9]。

根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)核電廠I類設(shè)備進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，可采用動(dòng)力分析方法，及反應(yīng)譜法和時(shí)程法；也可以采用靜力法，但必須充分證明是偏于安全的時(shí)候才可以選用。對(duì)各設(shè)備地震響應(yīng)分析中一般采用確定性的線性分析方法，某些弱非線性性狀，可以在系統(tǒng)中利用較大的阻尼比進(jìn)行等效。因而在起重設(shè)備的抗震分析中，從計(jì)算結(jié)果的有效性和經(jīng)濟(jì)性考量，可以將結(jié)構(gòu)看成線性系統(tǒng)，采用線性分析方法，而且在設(shè)計(jì)分析中僅需關(guān)注結(jié)構(gòu)的反應(yīng)最大值（應(yīng)變和應(yīng)力等），因此可以選用反應(yīng)譜法對(duì)其進(jìn)行分析[6]。

本文提出利用ANSYS軟件譜分析技術(shù)，將模態(tài)分析和地震反應(yīng)譜進(jìn)行耦合，針對(duì)吊運(yùn)危險(xiǎn)物品起重機(jī)械進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析，確定地震載荷下起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。參照現(xiàn)有其他設(shè)備的有關(guān)規(guī)范，對(duì)起重機(jī)的安全性進(jìn)行校核，對(duì)提高設(shè)備的抗震性能提出相應(yīng)的解決辦法。希望通過(guò)本課題的研究，為通用起重機(jī)械的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容提供補(bǔ)充，促使相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善，并通過(guò)分析結(jié)果，為震后有關(guān)起重設(shè)備的檢測(cè)和修復(fù)提供一定的指導(dǎo)。

2 關(guān)鍵問(wèn)題分析

（1）地震輸入。地震反應(yīng)譜的曲線形式有加速度—周期和位移—周期兩種，縱坐標(biāo)的加速度和位移是結(jié)構(gòu)在相應(yīng)周期或頻率下的最大值，稱為地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。任何分析過(guò)程必須輸入與結(jié)構(gòu)體系相適應(yīng)的地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線，才有可能求得準(zhǔn)確的結(jié)果。由于地震地面運(yùn)動(dòng)的特性受許多因素的影響，在不能直接獲得當(dāng)?shù)氐卣鹬屑铀俣然蚍磻?yīng)譜的前提下，如何通過(guò)現(xiàn)有的地震記錄儀采集到的地震加速度或位移記錄來(lái)確定設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜，是求解地震響應(yīng)的一個(gè)重要問(wèn)題。

（2）模型的簡(jiǎn)化。吊運(yùn)危險(xiǎn)物品起重機(jī)的大小車架一般均為箱形梁結(jié)構(gòu)，在ANSYS中可以采用梁?jiǎn)卧虬鍐卧M(jìn)行模擬；定滑輪、動(dòng)滑輪、減速器、電機(jī)等可作為集中載荷（質(zhì)量點(diǎn)）處理并耦合在附近的節(jié)點(diǎn)上；鋼絲繩可采用抗彎模量較小的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，彈性模量按實(shí)際鋼絲繩選??；起升載荷可以視為集中載荷并與鋼絲繩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。對(duì)應(yīng)不同的具體的起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式需要采用合理的簡(jiǎn)化方法，保證建模的準(zhǔn)確性與經(jīng)濟(jì)性。

（3）載荷組合與工況選擇。起重機(jī)的計(jì)算載荷由基本載荷和地震載荷組合而成，基本載荷又分為空載、滿載兩種情況；而小車與起升載荷的位置組合對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和支撐結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有直接的影響，當(dāng)小車位于跨中和跨端兩個(gè)位置時(shí)，應(yīng)分別與起升載荷處于上下極限位置進(jìn)行組合考慮。需要綜合考慮地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成的最大響應(yīng)，根據(jù)所列工況進(jìn)行組合分析，以期得到全面的分析結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究吊運(yùn)危險(xiǎn)物品起重設(shè)備在地震過(guò)程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)分析結(jié)果可以就如何避免其在地震中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，提高設(shè)備的抗震性能提出相應(yīng)的措施，預(yù)防次生災(zāi)害；同時(shí)可以補(bǔ)充起重機(jī)械的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容，促使相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善，分析結(jié)果也可以為震后起重機(jī)械的檢驗(yàn)檢測(cè)和修復(fù)提供一定的指導(dǎo)。

[1]高小旺，龔思禮，蘇經(jīng)宇，等.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]秦權(quán)，聶宇.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化計(jì)算方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，（3）：15-20.

[3]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社編.GB3800-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]交通部水運(yùn)司.港口起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]金玉龍.集裝箱岸橋結(jié)構(gòu)的抗震分析與隔震研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[6]楊郁青.門式起重機(jī)模態(tài)分析及抗震性能分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2000.

[7]曲淑英，王心健，呂永高.大型起重機(jī)械的局部抗震分析[J].煤礦機(jī)械，2002，（4）：36-37.

[8]吉軍，張輝，劉紫玉.塔式起重機(jī)的地震譜分析[J].咸陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（4）：19-22.

[9]呂宏.核電起重機(jī)的抗震計(jì)算[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2010，（1）：14-16.

Assumption of Seismic Behavior of the Lifting Ma chinery for Lifting Hazardous Goods

FANG Wei, GAO Liang, GONG Rui
(Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection,Wuxi 214714)

This thesis presents the assumption of seismic be havior of the lifting machinery forlifting hazardous goods, referrin g to existing norms and methods of seismic research. In this thesis, the modal analysis and seismic response spectrum are coupled by using ANSYS spectrum analysis technique, meanwhile, some key issues of the research are also discussed. Through studying on dynamic response of the lifting machinery during earthquake, th e assumption provides additional content for seismic design, promp ts further improvement for relevant standards, and offers guidance f or detection and repair of lifting equipments after earthquake by an alyzing the results.

hazardous goods, lifting machinery, seismic research, response spectrum