基于反應譜CQC法的橋式起重機抗震薄弱點分布規律研究

查繼明 蔡福海 陳 晨

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 常州 213016）

（2.大連理工江蘇研究院有限公司 常州 213164）

（3.常州機電職業技術學院 常州 213164）

橋式起重機是一種廣泛應用于港口、核電、冶金、廠礦等領域的起重機，在部分應用領域，有特殊的抗震要求，如鑄造用橋式起重機和核電用橋式起重機，都需要對其結構進行抗震校核計算[1、2]。對于在地震多發區域的橋式起重機，經過多年服役后，起重機的結構性能會有所變化，導致抗震性能下降，產生安全隱患，因此，對其抗震性能進行分析、研究。

本文利用Ansys軟件，建立了6個不同噸位、跨度和型號的雙梁橋式起重機模型，開展結構靜力計算、模態分析和譜分析，并基于反應譜CQC法（CQCComplete Quadratic Combination，即完全二次項組合方法，取各振型反應的平方與不同振型耦連項的總和的方根作為總反應的振型組合方法），完成不同地震工況下起重機震后結構狀況分析，確定典型橋式起重機應力集中薄弱點以及分布規律，為起重機的抗震薄弱點分布確定方法提供了參考。

1 起重機建模與抗震計算方法

1.1 橋式起重機建模方法

橋式起重機建模結構類型見表1。

表1 橋式起重機建模結構

將小車與橋架連成一體，限制小車的自由度，采用這種建模方式比較保守，在地震工況下起重機金屬結構的應力和鋼絲繩拉力會偏大。

根據以上方法建立了核電2t、通用橋式10t、32t、冶金橋式20t、50t和250t，6個型號的起重機的有限元模型。某250t鑄造雙梁橋式起重機有限元模型，如圖1所示。

1.2 邊界條件

在起重機的相應位置以均布載荷或集中質量載荷的形式施加橋架附屬結構的質量，在調整模型密度后，即可將載荷均布。起重機橋架以簡支梁的方式進行約束，在大車運行機構的車輪處施加位移約束。對大車主動輪施加完全約束，其余車輪針對實際工況施加與之對應的位移約束，見圖1。

圖1 某250t鑄造雙梁橋式起重機有限元模型

1.3 計算工況與抗震計算方法

對起重機模型進行靜應力計算，在靜應力計算的基礎上進行模態分析，最后疊加譜分析和靜力分析即可得到所需要的結果。在極限安全地震工況下地震阻尼比為7%[3]。

振型組合采用CQC法，X/Y/Z三個方向譜響應的完全疊加，靜載荷和地震載荷計算結果按照最不利方式進行組合[4]，計算分析方法流程如圖2所示。

圖2 計算分析方法流程

1.4 譜分析設置方法

結構的時程響應可以通過多個振型響應的線性組合來計算，見式（1）：

式中：

SE(x,t)——彈性結構任意位置x處的地震響應；

Cj(x)——結構按第j階振型振動式的效應系數；

γj——j振型參與系數；

qj(t)——是j振型的地震位移響應系數。

在抗震設計規范中，實際上就是確定最大的SE(x,t)，作為輸入反應譜計算。CQC法提供了解決這一問題的一個途徑，基于CQC法的計算公式，見式（2）[6]：

式中：

ρjk——j振型相關系數，當ωj和ωk差異較大時，ρjk≈ 0；

ζj——j振型的阻尼比。

式（2）采用了位移反應譜，可以根據規范要求及現場需要，調整式中的參數Cj(x)、γj與qj(t)，實施不同的地震響應計算。Ansys中提供了此CQC法的具體應用流程。

在Ansys中，指定分析類型為Single-ptresp單點響應譜；設定模態擴展數no.of models for solu為80；設置Type of response spectrum響應譜的類型為Seismic accel加速度來表示地震譜，設置激勵譜方向 Excitation direction為 z。

模態組合方法設置為CQC，選擇位移為輸出類型。模態系數與最大模態系數的比值為significance threshol，即有效門限值，該設置可以使得在模態組合時只包含主要的模態。設置界面如圖3所示。

圖3 Ansys中的分析組合設置界面

單點響應譜分析結果以POST1命令的形式寫入模態合并文件中，通過計算，以模態合并方法及其特定模態合并方式得到最大模態響應，即可得到位移數據和應力數據。

2 案例分析

2.1 計算過程

以某核電2t和冶金250t橋式起重機為例，對其8種典型工況進行了靜力和地震響應下的分析。該起重機建模結構見表1，工況說明見表2。圖4～圖6所示為工況1的計算結果，其他工況可參考工況1計算。

表2 2t起重機計算工況說明

圖4 整機位移云圖

圖5 橋架應力云圖

圖6 小車應力云圖

2.2 分析結果

起重機主梁中部與小車接觸點為地震工況中橋架最大應力位置，主梁的最大應力出現在主梁跨中附近與小車相接觸位置。同理，可以得到危險位置分布情況，見表3。從而可以總結出典型雙梁橋式起重機的橋架與小車的薄弱環節，并以此作為重點檢驗位置，如圖7所示。

表3 結構危險位置分布情況表

圖7 橋架和小車薄弱檢測位置

3 結論

根據反應譜CQC法，基于Ansys軟件計算了6個型號的雙梁橋式起重機地震譜及其響應，歸納總結了起重機應力集中薄弱點分布以及撓度變化規律。通過多案例分析結果表明，起重機主梁中部與小車接觸點為地震工況中橋架最大應力位置，整機總共有7個需要重點關注的薄弱點。

本研究方法為雙梁橋式起重機的抗震檢驗工作提供了重要的檢驗依據，為其他類型起重機的抗震檢驗方法提供了參考。通過定期檢驗，保證在役起重機滿足抗震的安全運行條件。