李 哲，伍世英，王貢獻(xiàn)

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023； 2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢 430063)

大型機(jī)械、土木工程結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力學(xué)研究是一門(mén)涉及多個(gè)不同學(xué)科的復(fù)雜科研課題。位于地震高發(fā)區(qū)的大型工程結(jié)構(gòu)，具有良好的抗震性能是至關(guān)重要的[1]。以岸橋起重機(jī)為例，由于近年來(lái)的幾次大地震給大型岸橋帶來(lái)了巨大破壞，引起業(yè)界專家學(xué)者對(duì)岸橋抗震性能的重視。只有對(duì)這類大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的地震實(shí)驗(yàn)研究，科研工作者才能掌握岸橋在不同工況下的地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)，預(yù)測(cè)其在不同地震情況下危險(xiǎn)發(fā)生的部位，并以此為依據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固改進(jìn)，避免地震來(lái)臨時(shí)發(fā)生重大事故[2]。

對(duì)這類大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震實(shí)驗(yàn)研究，通常無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，目前采用較多的方法是仿真實(shí)驗(yàn)配合模型在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行的地震模擬試驗(yàn)。在進(jìn)行模型試驗(yàn)前，結(jié)合地震災(zāi)害案例對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)分析，可以初步了解其地震動(dòng)態(tài)特性，指導(dǎo)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱饕约盀樵囼?yàn)方案提供參考，試驗(yàn)結(jié)果可用來(lái)驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)的正確性與可靠性且能指導(dǎo)仿真參數(shù)的設(shè)置。最終達(dá)到提高試驗(yàn)效率、降低試驗(yàn)開(kāi)銷的目的，更重要的是，可靠的仿真數(shù)據(jù)與正確的試驗(yàn)結(jié)果能對(duì)結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，例如在結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力學(xué)研究中，地震波的輸入一直是研究中的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[3]提出一種真實(shí)地震波選擇方法以滿足高墩橋梁抗震時(shí)程分析需求，并以某百米高墩橋梁抗震時(shí)程分析為例驗(yàn)證了方法的有效性。文獻(xiàn)[4]研究了拱壩-地基系統(tǒng)在雙向地震波輸入時(shí)不同振動(dòng)方向?qū)皦?地基系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[5]提出了地震波垂直輸入時(shí)的一種簡(jiǎn)化輸入方法，并在某隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)算例中驗(yàn)證了該方法的有效性。文獻(xiàn)[6－8]根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的性能參數(shù)選取用于岸橋地震研究所用的地震波，并對(duì)地震波輸入方式、加速度峰值調(diào)整、地震波時(shí)長(zhǎng)截取、采樣間隔等做了一系列研究，最終在數(shù)值仿真分析與模型試驗(yàn)中取得較為理想的結(jié)果。

本文通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)配合振動(dòng)臺(tái)上模型地震試驗(yàn)來(lái)分析不同地震分量對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。將地震激勵(lì)分解為空間坐標(biāo)系中3個(gè)方向的地震分量，通過(guò)仿真計(jì)算與試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)沿大梁方向水平地震分量（X向）對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響最大，沿軌道方向水平地震分量（Z向）影響較小，豎直方向地震分量（Y向）能增強(qiáng)水平分量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。因此提出在一般岸橋地震仿真計(jì)算和模型試驗(yàn)中忽略Z向地震激勵(lì)，只采用X+Y向地震輸入即可得到所需結(jié)果，在特定情況下可以只輸入水平單向地震激勵(lì)（X向）也可滿足要求，以此為基礎(chǔ)對(duì)地震輸入進(jìn)行簡(jiǎn)化，最后對(duì)岸橋相似模型進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 岸橋地震災(zāi)害及與地震相關(guān)的自身特性分析

1.1 岸橋地震災(zāi)害分析

結(jié)構(gòu)地震研究中震害案例是最有說(shuō)服力的，地震災(zāi)害發(fā)生后，根據(jù)結(jié)構(gòu)物的損壞形式可以初步了解結(jié)構(gòu)物抗震性能，例如哪個(gè)方向的地震激勵(lì)對(duì)其造成的損傷最大。1995年日本阪神發(fā)生7.2級(jí)強(qiáng)震，位于地震中心帶的55臺(tái)岸邊集裝箱起重機(jī)中有52臺(tái)遭到不同程度的破壞[9]，相關(guān)專業(yè)人員在關(guān)于神戶港的岸橋設(shè)備受損情況調(diào)查報(bào)告書(shū)中將岸橋的破壞情況分成5類：

(1)行走車輪與軌道分離；

(2)門(mén)腿部位出現(xiàn)X向微量彎曲；

(3)門(mén)腿部位可見(jiàn)X向明顯彎曲變形；

(4)前大梁損壞；

(5)整體結(jié)構(gòu)倒塌。

神戶港六甲島、波特島和摩耶碼頭的港口岸橋損壞數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 岸橋損壞情況統(tǒng)計(jì)

由災(zāi)害調(diào)查報(bào)告可見(jiàn)，岸橋門(mén)腿底部的彎曲變形是岸橋破壞的主要原因，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度可以初步說(shuō)明造成結(jié)構(gòu)門(mén)腿X向彎曲的載荷為X向地震激勵(lì)即垂直于大車軌道的水平地震分量。國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)研究表明岸橋結(jié)構(gòu)主要振型為X方向上的擺動(dòng)，本文將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與模型試驗(yàn)系統(tǒng)性分析不同地震分量對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)主振型方向上動(dòng)力響應(yīng)的影響。

1.2 岸橋地震特性分析

結(jié)構(gòu)地震研究中地震激勵(lì)是相關(guān)科研人員經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)積累總結(jié)而得，各行業(yè)結(jié)構(gòu)差異巨大，需要對(duì)岸橋地震特征進(jìn)行相應(yīng)的分析，選取合適的地震分量作為岸橋結(jié)構(gòu)地震研究的外部激勵(lì)輸入。岸橋結(jié)構(gòu)下列特征使其在遭受地震時(shí)所受載荷情況及受損情況不同于其他結(jié)構(gòu)：

（1）輪軌接觸式的邊界條件。整臺(tái)岸橋設(shè)備通過(guò)其剛性車輪與固定在碼頭上的剛性軌道相互作用，車輪輪緣與軌道在沿大梁方向（X向）形成一定的限位約束，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)軌道向車輪輸入沿大梁方向的動(dòng)載荷，會(huì)使上部結(jié)構(gòu)大幅度擺動(dòng)，車輪輪緣與軌道產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)底部強(qiáng)制變位，支撐門(mén)腿彎曲變形損壞等。沿軌道方向（Z向）沒(méi)有位移約束，軌道向車輪輸入沿軌道方向的動(dòng)載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)可以沿軌道方向滑動(dòng)。豎直方向（Y向）軌道對(duì)車輪起到支撐作用，在地震激勵(lì)下岸橋會(huì)產(chǎn)生跳軌現(xiàn)象（車輪騰空），如圖1所示。

（2）行走機(jī)構(gòu)的獨(dú)特組成形式：均衡梁+臺(tái)車。岸橋起重機(jī)的行走機(jī)構(gòu)一般由四組運(yùn)行臺(tái)車組成，每組運(yùn)行臺(tái)車有若干個(gè)行走輪，結(jié)構(gòu)重量通過(guò)均衡梁平均分配到各個(gè)車輪上，即使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生沿軌道方向的輕微偏擺，車輪始終與軌道接觸不會(huì)抬起。地震發(fā)生時(shí)，車輪可沿軌道滑移且均衡梁中的活性鉸可保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（結(jié)構(gòu)不會(huì)沿著軌道方向大幅搖擺），使得沿軌道方向的激勵(lì)對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)影響很小。

圖1 岸橋行走機(jī)構(gòu)與軌道

（3）長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，重心偏高且偏向海側(cè)。新一代大型岸橋重量一般在1 200 t至2 000 t之間，結(jié)構(gòu)體積龐大，整機(jī)重心離地面大約40 m左右，相對(duì)總高度75 m屬于重心偏高型結(jié)構(gòu)。以大梁方向和豎直方向?yàn)榛鶞?zhǔn)面，岸邊集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的。前伸大梁的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于后側(cè)大梁的長(zhǎng)度，梯形架更靠近海測(cè)，使得結(jié)構(gòu)的重心偏向海側(cè)。地震激勵(lì)下岸橋整機(jī)海側(cè)臺(tái)車或陸側(cè)臺(tái)車更容易發(fā)生抬起騰空現(xiàn)象。沿懸臂方向的地震動(dòng)載荷更容易造成結(jié)構(gòu)的破壞，而長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)是集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)械的特征，隨著集裝箱船型的增大岸橋懸臂還有加長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（4）結(jié)構(gòu)主要由桿和箱型梁組成。岸橋結(jié)構(gòu)采用完全剛性的連接形式，軌道在地震載荷的作用下產(chǎn)生移位很容易造成岸橋支撐腿彎曲變形。

（5）岸橋結(jié)構(gòu)豎向剛度大。地震發(fā)生時(shí)，單純豎直方向地震波分量對(duì)于岸橋結(jié)構(gòu)影響很小，但是可以加大水平方向地震分量的作用。

2 岸橋結(jié)構(gòu)有限元模型與仿真分析

2.1 岸橋模型

岸橋結(jié)構(gòu)主要由門(mén)架結(jié)構(gòu)、大梁、拉桿等組成，以J248型岸橋?yàn)槔?，其示意圖如下。

在ABAQUS中建立其有限元模型，結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件采用彎曲梁、桿、質(zhì)量單元，梁桿均選用Beam23單元，機(jī)器房等部件采用質(zhì)量單元，附加在模型上的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處，材料為Q345鋼，屈服極限為345 MPa，彈性模量E=2.06×1 011 N/m2，泊松比為 0.3，密度為7 850 kg/m3，采用輪軌接觸模型模擬岸橋的邊界約束條件，大梁和門(mén)架采用節(jié)點(diǎn)耦合約束，建成后的岸橋有限元模型如圖3(a)所示，選取岸橋測(cè)點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)位置見(jiàn)圖3(b)。

2.2 地震仿真分析

為了分析岸橋地震研究中何種分量對(duì)結(jié)構(gòu)損壞起主要作用，現(xiàn)在有限元軟件ABAQUS中對(duì)有限元模型進(jìn)行地震仿真時(shí)程分析，取地震工程中常用的

EL-Centro、Taft、Northridge、Kobe波作為輸入動(dòng)載荷，截取地震記錄中有效持續(xù)時(shí)間段均為20 s，采樣間隔Δt=0.02 s。

圖2 岸橋結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 岸橋結(jié)構(gòu)模型

分別輸入調(diào)整后的水平單向（OX向）、水平雙向（OX+OZ向）地震分量進(jìn)行計(jì)算，提取結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)在20 s有效持時(shí)內(nèi)的加速度時(shí)程響應(yīng)值。選取具有代表的測(cè)點(diǎn)（A5、A9、A13、A17、A26、A25 6個(gè)測(cè)點(diǎn)由下至上依次分布在岸橋結(jié)構(gòu)模型上）繪制時(shí)程曲線，對(duì)比不同輸入模式下各測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)曲線。岸橋仿真模型在相互垂直的水平雙向地震同時(shí)作用下，加速度最大峰值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)門(mén)架端點(diǎn)處，相同地震波作用下結(jié)構(gòu)不同測(cè)點(diǎn)處加速度時(shí)程曲線走勢(shì)相同而且相互之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，即在結(jié)構(gòu)不同位置按一定比例放大或縮小，這與單向地震波作用下的響應(yīng)結(jié)果一致。

圖4為單向水平地震作用和雙向水平地震共同作用下，岸橋結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)A9的加速度時(shí)程曲線。從圖中可見(jiàn)，在雙向水平地震共同作用下，各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值比單向水平地震作用下要稍微高出，曲線趨勢(shì)相同，說(shuō)明Z向地震分量對(duì)結(jié)構(gòu)主要振動(dòng)方向的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有一定影響，但影響很小。

圖5為水平單向地震作用和水平雙向地震共同作用下岸橋結(jié)構(gòu)不同位置的加速度放大系數(shù)包絡(luò)線對(duì)比圖，代表單向和雙向的包絡(luò)線幾乎重合，因此可以認(rèn)定Z向地震對(duì)主要方向的動(dòng)力影響較小，可忽略不計(jì)。

在仿真分析中同時(shí)進(jìn)行了空間三向地震分量（OX+OZ向+OY向）的輸入，結(jié)果顯示豎直方向的地震分量加大了結(jié)構(gòu)主要振型方向的地震響應(yīng)，在進(jìn)行仿真計(jì)算及物理模型試驗(yàn)時(shí)，提高輸入中的水平地震加速度峰值即可達(dá)到同樣的需求。所以在進(jìn)行相似模型振動(dòng)臺(tái)地震試驗(yàn)時(shí)可以只考慮垂直于大車軌道方向地震分量的作用，這樣能大大降低實(shí)驗(yàn)成本。

3 相似模型振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)

基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相似理論及實(shí)驗(yàn)室空間、振動(dòng)臺(tái)性能等，以1:20為基準(zhǔn)相似比設(shè)計(jì)推導(dǎo)了岸橋結(jié)果縮尺模型的相似常數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 岸橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)相似常數(shù)

按上表中的幾何相似常數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鳂?gòu)件外形尺寸以及截面尺寸，加工制作出來(lái)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图罢駝?dòng)臺(tái)系統(tǒng)見(jiàn)圖6。模型中加裝的車輪和平衡梁較好地模擬了岸橋的邊界特性-輪軌接觸。

選取前文岸橋仿真分析中所用的地震波EL Centro、Taft、Kobe作為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面激勵(lì)。

圖4 測(cè)點(diǎn)A9地震波加速度時(shí)程響應(yīng)對(duì)比圖

圖5 加速度放大系數(shù)包絡(luò)圖

圖6 岸橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约拜嗆壗佑|示意圖

如表3所示，在7度基本地震工況下，根據(jù)水平單向輸入與水平雙向輸入地震波試驗(yàn)所測(cè)得加速度最大值之間差別很小，最大偏差為Kobe作用下測(cè)點(diǎn)A5的4.67%，可以認(rèn)為Z向地震分量對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)主要振型方向的響應(yīng)影響可以忽略不計(jì)。

表3 7度基本地震岸橋模型各測(cè)點(diǎn)最大加速度反應(yīng)/g

表4為8度基本地震工況下根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得加速度最大值，不同輸入模式下測(cè)點(diǎn)加速度最大偏差為T(mén)aft作用下測(cè)點(diǎn)A25的6.13%，證明Z向地震分量對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)主要振型方向的響應(yīng)影響可以忽略。

表4 8度基本地震岸橋模型各測(cè)點(diǎn)最大加速度反應(yīng)/g

表5顯示在8度罕遇地震工況下根據(jù)水平單向輸入與水平雙向輸入地震波試驗(yàn)所測(cè)得加速度峰值之間最大偏差為ELCentro作用下測(cè)點(diǎn)A25的6.63%，驗(yàn)證了在一般岸橋地震試驗(yàn)研究中Z向地震分量可以去除。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)岸橋地震災(zāi)害調(diào)查報(bào)告進(jìn)行分析，提出岸橋地震實(shí)驗(yàn)研究中可以忽略沿軌道方向的地震分量，并采用有限元時(shí)程對(duì)比分析和模型試驗(yàn)對(duì)比的方法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。論文的研究結(jié)論可以為岸橋地震實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化提供參考依據(jù)，在提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)還能保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體如下：

表5 8度罕遇地震岸橋模型各測(cè)點(diǎn)最大加速度反應(yīng)/g

（1）岸橋結(jié)構(gòu)地震下的主要振型方向?yàn)檠卮罅悍较颍╔向）；

（2）在岸橋地震實(shí)驗(yàn)研究中可以只輸入X向地震激勵(lì)，降低實(shí)驗(yàn)成本；

（3）當(dāng)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)中需要考慮豎直方向地震激勵(lì)時(shí)，如果振動(dòng)臺(tái)設(shè)備沒(méi)有豎直方向加振功能，可以對(duì)X向地震激勵(lì)進(jìn)行峰值放大的近似等效處理。