地震波對(duì)動(dòng)臂塔式起重機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響研究

崔少杰，范順成，張順心，管?chē)[天

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

地震波對(duì)動(dòng)臂塔式起重機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響研究

崔少杰，范順成，張順心，管?chē)[天

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

通過(guò)對(duì)動(dòng)臂塔式起重機(jī)加載“寧河天津波”地震波，給出了在不同工況下動(dòng)臂塔式起重機(jī)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移和起重臂、塔身最大應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線以及其最大值、最小值和振幅，結(jié)果表明，起重臂仰角越小，起重臂受地震的影響越大，越易斷裂；反之，起重臂仰角越大，整機(jī)越容易在起升平面內(nèi)前后傾覆．因此，在動(dòng)臂塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的抗震設(shè)防烈度等級(jí)，考慮地震的影響因素，從而提高塔機(jī)的可靠性和安全性．

動(dòng)臂塔式起重機(jī)；地震波；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

塔式起重機(jī)廣泛運(yùn)用于橋梁、高層建筑、電站等大型建筑施工工程中．塔式起重機(jī)工作時(shí)，所受工作載荷的作用是預(yù)先確定的，即工作載荷是小于等于額定載荷的，因此是可以保證安全的．但是，塔式起重機(jī)工作時(shí)還往往會(huì)受到不確定的偶發(fā)載荷的作用，如風(fēng)載荷、地震載荷等．特別是地震載荷，盡管發(fā)生的概率很低，但一旦發(fā)生，對(duì)塔式起重機(jī)造成的影響可能很大，甚至是破壞性，危及到人身安全和在建建筑物的嚴(yán)重?fù)p毀[1-3]．因此，研究地震載荷對(duì)特殊工作環(huán)境下機(jī)械設(shè)備的影響，已受到很多領(lǐng)域的廣泛關(guān)注．目前，對(duì)小車(chē)式塔式起重機(jī)在地震作用下的研究較多[4-6]，通過(guò)對(duì)塔式起重機(jī)施加地震波采用時(shí)程分析法計(jì)算出了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)．而動(dòng)臂塔式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱動(dòng)臂塔機(jī)）與小車(chē)式塔機(jī)有著很大的區(qū)別，動(dòng)臂塔機(jī)回轉(zhuǎn)半徑小，使用靈活，廣泛應(yīng)用于施工條件特殊、空間場(chǎng)地狹小的城市建設(shè)中的大型物件吊裝作業(yè)，特別是動(dòng)臂塔機(jī)在工作過(guò)程中由于變幅和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)連接角度隨之變化，其結(jié)構(gòu)固有頻率也將隨之變化[7]，繼而影響整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性．而動(dòng)臂塔機(jī)在這方面的研究尚不多，還處于起步階段．所以在目前還不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震的情況下，對(duì)動(dòng)臂塔機(jī)在地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，具有很重要的社會(huì)意義和工程實(shí)踐價(jià)值．

1 有限元模型的建立

以某型動(dòng)臂塔式起重機(jī)為例，該塔機(jī)結(jié)構(gòu)主要部分包括塔身、平衡臂、起重臂、A型架等，其性能參數(shù)如下：在幅度為4 m～15 m（起重臂仰角85°～71.8°）范圍內(nèi)最大起重量為50 t，最大幅度為45 m（起重臂仰角20.4°），對(duì)應(yīng)起重量為12.4t，最大起重力矩為750t·m．所有材料選用Q235鋼，彈性模量為E=210GPa，泊松比為0.28．其塔身與起重臂主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示．

表1 動(dòng)臂塔機(jī)塔身與起重臂主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1The main structure parameters of luffing jib tower crane＇s body and jib

該動(dòng)臂塔機(jī)的有限元模型如圖1所以，塔身、平衡臂、A型架和起重臂所有單元采用beam188梁?jiǎn)卧M，拉索采用link180桿單元模擬，平衡重、回轉(zhuǎn)下座、起吊卷?yè)P(yáng)和變幅卷?yè)P(yáng)等集中質(zhì)量采用mass21質(zhì)量單元模擬．在有限元模型中，X方向?yàn)槠鹬乇墼谒矫鎯?nèi)的投影方向，Y方向?yàn)樨Q直方向，Z方向?yàn)閄Y面（起升平面）的垂直方向，231節(jié)點(diǎn)為塔身與起重臂的連結(jié)點(diǎn)，592節(jié)點(diǎn)為起重臂的端部節(jié)點(diǎn)，定義起重臂與水平面XZ面的夾角為起重臂的仰角．

圖1 動(dòng)臂塔機(jī)有限元模型Fig.1Finite element model of luffing jib tower crane

2 地震波的描述與加載

地震波是指從震源產(chǎn)生向四周輻射的彈性波．當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，由于地震波的作用地表會(huì)發(fā)生劇烈的晃動(dòng)，因此地面上的建筑物也會(huì)隨之快速來(lái)回振動(dòng)．選取地震波為“寧河天津波”，記錄時(shí)長(zhǎng)為19 s，時(shí)間間隔為0.01 s，記錄信號(hào)分別為N S方向（南北向）、E W方向（東西向）和V方向（豎直向）加速度，其最大加速度分別為1.458 m/s2、-1.042 m/s2、0.731 m/s2．按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，8度常遇地震時(shí)程分析所用地震波加速度的最大值為0.7 m/s2，因此分別采用0.480 1、0.671 9、0.957 1為折算系數(shù)把3個(gè)方向的最大加速度換算成0.7 m/s2，其修正后的地震波加速度數(shù)據(jù)曲線如圖2所示．

圖2 “寧河天津波”加速度曲線Fig.2Acceleration curve of"Ninghe Tianjin" earthquake wave

為全面描述地震波對(duì)動(dòng)臂塔機(jī)不同工況下的影響，選取4種具有代表性的工況進(jìn)行計(jì)算：

分別將地震波的N S方向、E W方向和V方向加速度施加于動(dòng)臂塔機(jī)有限元模型中的X方向、Z方向、Y方向．經(jīng)計(jì)算，可得出4種工況下動(dòng)臂塔機(jī)的塔身和起重臂連接點(diǎn)231節(jié)點(diǎn)和起重臂端部592節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)曲線、塔身和起重臂最大應(yīng)力的響應(yīng)曲線，如圖3～圖6所示，其最大值、最小值和幅值如表2所示．

表2 節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力極值Tab.2Extrema of node's displacement and stress

圖4 工況2計(jì)算結(jié)果Fig.4Result of condition two

由圖3～圖6和表2可得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)起重臂仰角較小時(shí)，起重臂端部Y方向的位移大于X方向位移，表現(xiàn)為動(dòng)臂塔機(jī)的“點(diǎn)頭”運(yùn)動(dòng)程度大于前后俯仰運(yùn)動(dòng)程度，地震波使起重臂繞其與塔身的連接處上下振動(dòng)，當(dāng)振幅較大且內(nèi)部的彎曲應(yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力時(shí)，起重臂將會(huì)產(chǎn)生裂紋和塑性變形，最終可能導(dǎo)致起重臂的斷裂；由于起重臂依靠拉索連接于A型架上，如果起重臂端部的振幅特別大，也可能造成拉索的斷裂，起重臂將繞其與塔身的連接處旋轉(zhuǎn)而撞擊塔身，造成塔身破壞．

2）當(dāng)起重臂仰角較大時(shí)，起重臂端部X方向的位移大于Y方向位移，表現(xiàn)為動(dòng)臂塔機(jī)的前后俯仰運(yùn)動(dòng)程度大于“點(diǎn)頭”運(yùn)動(dòng)程度，起重臂仰角越大，塔機(jī)越顯得高聳直立，當(dāng)動(dòng)臂塔機(jī)在起升平面內(nèi)前后振動(dòng)的振幅很大時(shí)，使塔身內(nèi)產(chǎn)生較大的交變彎曲應(yīng)力，如果超過(guò)塔身材料的屈服應(yīng)力，導(dǎo)致塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)發(fā)生折斷，易造成整機(jī)在起升平面內(nèi)前后傾覆．

3）當(dāng)起重臂仰角恒定時(shí)，起重臂端部Z方向的位移在空載和滿載情況下幾乎相等，當(dāng)起重臂仰角較小時(shí)，其頂點(diǎn)Z方向的位移很小，當(dāng)仰角變大時(shí)，其頂點(diǎn)Z方向的位移也隨之變大，比Y方向的位移略小，但遠(yuǎn)小于X方向位移，因此無(wú)論動(dòng)臂塔機(jī)起重臂仰角大小還是載重大小，整機(jī)沿Z軸（起升平面垂直方向）發(fā)生側(cè)向傾覆的可能性很小．

圖6 工況4計(jì)算結(jié)果Fig.6Result of condition four

3 結(jié)論

在地震波作用下，采用時(shí)程分析法，給出了動(dòng)臂塔機(jī)在地震波作用下4種極限工況下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移和起重臂、塔身最大應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線以及極值和振幅．動(dòng)臂塔機(jī)起重臂仰角越小起重臂越容易斷裂，仰角越大整機(jī)越容易在起升平面內(nèi)前后傾覆．因此，設(shè)計(jì)動(dòng)臂塔機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的抗震設(shè)防烈度等級(jí)，考慮地震的影響因素，從而提高塔機(jī)的抗地震能力．在地震多發(fā)地帶，動(dòng)臂塔機(jī)的布置應(yīng)考慮避免地震時(shí)多臺(tái)塔機(jī)連帶損毀，在動(dòng)臂塔機(jī)不工作時(shí)，應(yīng)將起重臂仰角處于中等狀態(tài)．如在施工過(guò)程中突遇地震，在保證人員安全的前提下應(yīng)盡快通過(guò)變幅運(yùn)動(dòng)將起重臂調(diào)到中等仰角，以減小影響．

[1]李云嶺，艾兵，李博．塔式起重機(jī)在地震作用下的受損原因及動(dòng)態(tài)分析現(xiàn)狀[J]．特種結(jié)構(gòu)，2011，28（2）：66-68．

[2]謝瑞，田太明，田奇．汶川地震中西安市塔式起重機(jī)的損毀分析[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2009，（4）：1-3．

[3]Kitsunai Y，Sogabe K．Damage and failure of cranes due to Hanshin-Awaji earthquake[C]//Case Histories on Integrity and Failures in Industry，1999．Milan．

[4]顧永強(qiáng)，郭少東．塔式起重機(jī)地震效應(yīng)的初步分析[J]．設(shè)計(jì)與研究，2012，39（9）：5-7．

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[7]崔少杰，范順成，管?chē)[天，等．動(dòng)臂塔式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)特性及其影響分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（2）：66-69．

[責(zé)任編輯 田豐夏紅梅]

Study on earthquake wave effect on dynamic characteristic of luffing jib tower crane

CUI Shaojie，F(xiàn)AN Shuncheng，ZHANG Shunxin，GUAN Xiaotian

（School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

Byadding"NingheTianjin"earthquake waveon luffing jibtower crane,this paperfigures outdynamicresponse curve and the maximum,minimum and amplitudes of displacement of luffing jib tower crane's key node and maximum stress of jib and body in different operating condition.The results show the smaller the jib's elevation is,the more easily the jib is broken and the bigger the jib's elevation is,the more easily the luffing jib tower crane fall down on lifting plane. Therefore,in the process of design and use of luffing jib tower crane,we should consider the impact of earthquake,according to the seismic fortification intensity level in different areas to improve the reliability and safety of luffing jib tower crane.

luffing jib tower crane;earthquake wave;dynamic response

TH12

A

1007-2373(2015)04-0053-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.011

2014-12-13

河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（11205193D）．

崔少杰（1987-），男（漢族），博士生．