基于振動臺試驗的岸橋地震動態特性研究

李 哲，伍世英，王貢獻，胡吉全

(1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430063)

世界經濟的全球化加速了貨物流通，國際貿易中物質運輸總量的95%是通過海運來承擔的，在強大的運輸需求推動下，海上運輸的主要載體—集裝箱運輸發展十分迅速[1]。為集裝箱運輸而建立的配套設施和各種裝卸搬運機械也得到了相應的發展，集裝箱碼頭裝卸機械化系統的能力和生產效率在很大程度上取決于碼頭前沿岸橋的工作效率。隨著大型集裝箱船的出現，各港口對岸橋的主要技術參數提出了新的要求：額定的起升重量成倍增長達80 t以上，外伸距達到70 m甚至更長，起升高度在27 m以上，軌距大幅增加，工作速度大幅提高。要滿足以上的要求，新一代的岸橋結構無論是在外形尺寸上還是在自身重量上都成倍的增加。工程結構的大型化使得其自身的潛在危險系數增加，針對大型岸橋，在穩定性、抗風等方面的研究比較成熟，在起重機設計規范中都給出了計算公式。但早期岸橋尺寸、重量較小且分布較少，地震災害引發的岸橋破壞的案例較少，致使岸橋地震方面的研究沒有引起重視。

近年來地震給大型岸橋帶來的巨大破壞，引起了各港口業主對岸橋抗震性能的重視。通過對這類大型結構進行地震實驗研究，科研工作者才能掌握岸橋在不同工況下的地震動態響應，預測其在不同地震情況下危險發生的部位，并以此為依據對結構進行抗震加固改進，提高自身的抗震性能，避免地震來臨時發生重大事故[2]。對這類大型結構進行地震實驗研究，通常無法進行現場試驗，目前采用較多的方法是進行有限元地震時程計算，結合地震災害案例分析，可以初步了解岸橋結構地震動態特性，對抗震設計提供一定的參考。文獻[3]建立了某一大型岸橋結構的多自由度地震仿真模型，基于該模型提出了一種控制岸橋結構振動的方案，該方案設想在岸橋門框橫梁與立柱之間、門腿與大車行走機構之間各安裝一臺減振裝置，并通過地震仿真實驗對不同隔振方案下的岸橋結構振動控制效果進行對比分析。文獻[4]采用數值仿真方法對岸橋結構的跳脫軌、門框搖擺等地震響應進行研究，仿真結果用來指導后期試驗模型的制作和動力學試驗方案，可以對試驗提前進行預判，避免試驗的盲目性、縮短試驗周期、減少試驗經費、提高效率。文獻[5]通過有限元地震時程分析對不同型號岸橋仿真模型中邊界約束方式進行對比，發現鉸接輪軌模型最符合實際情況。文獻[6]通過對比有限元時程計算結果，對岸橋仿真模型中阻尼設置方法進行對比，提出適用于岸橋結構的阻尼計算公式。文獻[7-8]通過仿真實驗對岸橋結構的地震行為進行了研究，建立了岸橋原型結構的有限元模型，采用有限元軟件ANSYS對其結構的靜、動態特性進行分析，得到其模態振型和對應的固有頻率，選取強震記錄和人工地震記錄，采用動力時程分析的方法對岸橋結構進行地震響應分析，得到了不同地震激勵下岸橋結構的地震響應和整體穩定性。岸橋地震仿真分析比較多見，但是振動臺地震模擬試驗目前還處于起步階段。

為了研究大型岸橋結構的地震動力學特性并對其抗震性能做一個初步的判斷，文章以上海某一港口大型集裝箱起重機為研究對象，建立有限元模型并進行了一系列的地震時程分析，設計制作了1:20的縮尺模型并進行了相關振動臺地震模擬試驗，綜合分析了岸橋結構的地震動態特性，對其抗震設計及有限元參數設置提供了參考依據。

1 岸橋結構有限元模型與仿真分析

1.1 岸橋仿真模型

上海某港口J248型岸橋可以視為目前大型岸橋的代表，其結構主要由門架結構、大梁、拉桿等組成，示意圖如下。

圖1 岸橋結構示意圖

在大型非線性仿真軟件ABAQUS中按原先尺寸建立岸橋結構的有限元模型，設置材料參數如下：Q345鋼，屈服極限345 MPa，彈性模量E=2.06×1 011 N/m2，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3；其主要構件如：門腿、立柱、門框上下橫梁、前后大梁均采用梁單元進行建模，梯形架撐桿、門架撐桿、前后拉桿采用桿單元進行建模；機器房、運行小車及吊具、集裝箱均簡化為集中質量，岸橋前后大梁的連接、梯形架上橫梁耳板與拉桿的連接、前后大梁耳板與拉桿的連接均通過釋放對應節點處的轉動自由度進行模擬；箱型梁中所布置的加強筋、隔板等部件在模型中以附加質量的形式均布到整結構中；岸橋臺車系統的模型用相同長度及剛度的等效梁單元代替。模型與軌道之間的接觸約束采用摩擦單元進行簡化處理[5]。建成后的岸橋有限元模型如圖2所示。

圖2 岸橋結構有限元模型

岸橋結構巨大、構件數量多，仿真模型中可測點數量較大，進行地震時程分析或試驗測試不可能給出每一個點的結果。結合以往文獻研究成果[9]，選取岸橋結構關鍵點編號及對應位置選取岸橋測點編號及對應位置見圖3所示。

1.2 地震時程計算

岸橋在地震下的動態響應主要為加速度和位移。加速度響應反映了結構對地震激勵的縮放作用，位移（相對位移）響應反映了結構變形情況，在時程分析結果中提取岸橋結構關鍵點加速度響應、位移響應能直觀了解岸橋結構及各構件在地震激勵下的振動特性。

圖3 測點布置示意圖

在ABAQUS中對岸橋模型進行地震時程計算，取工程中常用的地震加速度記錄EL-Centro、Taft、Northridge、Kobe、San Fernando作為輸入，持續時間20 s，采樣間隔Δt=0.02 s。加速度峰值統一調整為0.2 g，輸入方向為垂直于大車軌道方向（X向）。在不同地震作用下，岸橋結構中關鍵點在20 s有效持時內的最大加速度響應見表1。

由表中數據可見：A5、A9、A13、A17、A26、A25六個測點由下至上依次分布在岸橋結構模型上，在地震作用下加速度最大峰值均出現在結構最高點即門架頂點，其中A13及上部側點加速度峰值呈現遞增現象；所有測點中最大值為0.494 g，Kobe地震波下的A25；最小值為0.173 g，Taft地震波下的A9；這種結果反映了岸橋結構對輸入地震加速度峰值的動力放大或縮小效應，這與以往研究分析的結果相似。

為了表征結構在地震下各點加速度響應特點，引入最大動力放大系數K(i)，其表達式為

式1中：a(i)為結構i點加速度時程響應中最大值（絕對值），a(g)為輸入有限元模型的地震加速度記錄最大值。最大動力放大系數K(i)反映了岸橋結構不同位置對地震加速度的縮放效應。

圖4為不同地震波下岸橋模型上各測量點的加速度放大系數包絡線對比圖，由圖所示，除了Kobe地震波，其余地震波輸入模型后不同位置對加速度有縮小或放大效果（小于1為縮小，大于1為放大）。在A9點縮小效果最為顯著，頂端位置A25放大效果最明顯，Kobe地震波下岸橋結構最危險。

表1 岸橋在不同地震激勵作用下的最大加速度響應

圖4 不同地震波下測量點加速度放大系數包絡

在地震作用下，結構中關鍵點在有效持時內的最大位移響應（與岸橋結構底部支撐點之間的相對位移）見表2。位移最大值均出現在門架頂點（結構最高點），位移值由下至上依次增大。其中Kobe波下A25為所測最大值151.2 mm。

岸橋結構門腿測點之間位移變化最大，越往上位移變化越小，說明在門腿處變形量是最大的，驗證了地震災害調查中關于岸橋主要破壞集中于門腿處的說法。

表2 岸橋在不同地震激勵作用下的最大位移響應

圖5為不同地震波下岸橋模型上各測量點最大位移響應包絡圖，由圖所示，隨著測量點的位置上升其位移變化趨緩，變化最大區間在A5和A9之間，包絡圖清楚反映了岸橋結構在地震載荷下發生變形最大的位置，即門腿中下部。

圖5 不同地震波下各測量點最大位移包絡線

2 振動臺地震模擬試驗

根據振動臺性能設定基本相似常數—尺寸相似常數為1/20，采用量綱法推導其余相似常數，見表3。

表3 岸橋振動臺模型試驗相似常數

按表中的幾何相似常數設計試驗模型各構件外形尺寸以及截面尺寸，加工制作出來的試驗模型及振動臺系統見圖6所示。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。

圖6 岸橋振動臺試驗現場

選取前文岸橋仿真分析中所用的地震波EL Centro、Taft、Kobe作為振動臺臺面輸入激勵。地震波持續時間按相似關系壓縮為原地震波的1/20。繪制各測點加速度時程曲線，見圖7。

提取不同地震作用下試驗模型各測點加速度峰值，通過式1計算各加速度放大系數K，繪制試驗岸橋模型上各測量點的加速度放大系數包絡線對比圖，見圖8。

圖8中0代表有限元計算值，1代表試驗測試值。如圖中顯示在不同地震激勵下，有限元模型時程計算值與試驗測試值存在一定差別，但加速度放大系數包絡線走勢（右下至上趨勢）基本一致，說明仿真實驗和模型試驗下岸橋結構的地震動態特性相似，結構中各測點的響應實為對輸入激勵的縮放，同時也驗證了本研究中有限元地震時程參數設置是可行的。

4 結語

通過對某一大型岸橋結構進行有限元建模并進行了一系列不同地震載荷工況下的時程分析，結合縮尺模型振動臺地震模擬試驗，綜合分析了岸橋結構的地震動態特性。論文的研究結論可以為岸橋地震動力學研究及結構抗震分析提供參考依據，并能指導有限元仿真實驗和振動臺模型試驗，具體如下：

（1）岸橋地震動力學響應特征之一為：結構上各測點對底部輸入的激勵呈現不同倍率的放大或縮小；

（2）簡化處理后的岸橋仿真模型在一定程度上能正確模擬岸橋地震動態響應；

（3）岸橋振動臺地震模擬試驗結果與仿真結果相似，也存在一定誤差。

圖7 Taft波下各測點加速度測試值

圖8 不同地震下各測量點加速度放大系數包絡線對比圖