王貢獻 李 哲 王 東 胡吉全

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

起重機的大型化使其自身更容易遭受地震的破壞［1］.現代大型集裝箱起重機遭受地震時上部結構會產生大幅位移甚至出現屈服變形，可能會造成強制變位，支撐門腿變形、縱向彎曲（見圖1a）），以及支撐門腿騰空導致脫軌、行走裝置損壞（見圖1b））等.一些學者和研究機構相繼開展了集裝箱起重機抗振機理和應用研究，如何采取有效措施來減少地震給港口設備帶來的巨大破壞作用，是各國現代化港口高度關注的問題.

岸橋起重機結構振動試驗以實際條件為基礎，能夠直接獲得結構在地震載荷下響應的實際特征，發(fā)現并初步分析影響因素，能夠較快提出改進措施，具有簡明、直接、可靠的特點及較好的工程應用價值.同時，試驗測試與分析也是建立合理理論分析假設條件及建立可靠分析模型的基礎［2］.

在地震工程領域常用的結構抗振試驗方法包括［3］：靜力循環(huán)試驗，振動臺試驗，擬動力試驗，實時試驗方法，爆破方法，以及動力離心機試驗等.本文主要是針對地震模擬振動臺試驗，介紹了集裝箱起重機地震動力學試驗的研究現狀，并對國內外試驗方法中的關鍵問題進行分析，提出試驗的發(fā)展趨勢，希望為今后的研究提供一定的參考.

圖1 起重機遭受地震破壞時

1 集裝箱起重機地震動力學試驗研究現狀

1.1 地震模擬振動臺試驗

將試驗對象放在振動臺臺面上，通過加載設備輸入多種地震波，使試驗對象產生地震作用下的振動，是目前應用最為廣泛的一種結構抗振試驗方法.地震模擬振動臺試驗可以模擬真實的地震載荷，再現結構物在地震作用下的全過程.然而地震模擬振動臺試驗也有其局限性，其中最主要的就是由于振動臺設備的能力限制，一般只能進行縮尺模型試驗［4］.

1.2 集裝箱起重機地震動力學試驗研究

Kanayama和 Kashiwazaki［5］提出集裝箱起重機在地震中的主要破壞形式：起重機門腿發(fā)生屈曲變形和整機傾覆倒塌.并利用單軸電動液壓驅動振動臺對1∶8試驗模型進行研究，試驗模型見圖2.試驗中對起重機模型進行簡化處理，將每處門腿下的8個支撐輪改為1個并用螺栓限制其轉動自由度，研究理論處于彈性階段，在試驗中設備提供的地震載荷只有水平方向，研究的重點是起重機的多剛體動力學行為，分析了2種類型起重機的破壞形式，并采用有限元軟件進行計算分析.［文獻6］采用1∶25“hinged－leg type”型試驗模型進行研究，采用相同的試驗設備、相同的原起重機機型，研究在地震中起重機門腿抬起至輪軌分離、起重機傾覆的過程，并使用有限元軟件對其進行模擬.

圖2 集裝箱起重機支腿類型

Sugano等［7］對1∶15試驗模型的跳軌行為進行了一系列研究.在起重機抗振方面，一種新型的蝶形彈簧隔振系統(tǒng)可有效地減小地震對岸橋結構的沖擊［8］；Murano等［9］設計出一種搖擺式地震隔離裝置可以隔離地震對結構的扭轉作用.

Jacobs等［10］基于模型的動力相似理論建造了比例為1∶20的岸橋縮比模型（見圖3），并提出了一個詳細的振動臺試驗方案；在此基礎之上他們進行了一系列的振動臺地震試驗，研究了現代大型集裝箱起重機線彈性地震響應及跳軌行為.后期采用1∶10的模型與前期研究結果進行比較［11］，獲得更準確的試驗結果.

圖3 集裝箱岸邊起重機的1∶20縮比模型

試驗的最大特點在于：對試驗所用的相似模型進行了很好的集中質量的設計，對模型結構部分位置進行了質量補償.安裝在岸橋結構上的大型機械設備和吊重（集裝箱和吊具）在結構振動時主要起慣性作用，這些結構在設計時可按相似理論公式簡化成相應的集中質量，安置在模型相應的位置上，見圖4.模型中機房、運行小車、集裝箱和吊具等簡化為鋼板，位于前后大梁處.此外，支撐門腿及橫梁上的一些附加設備可簡化為集中質量鉛錠，分布模型適當的位置.

圖4 模型與試驗

Kosbab等［12］采用數值計算，定量分析了岸橋結構地震動態(tài)響應，并給出了起重機結構抗振相關建議.Chaudhri等［13］用數值方法建立起重機結構與碼頭地基相互耦合的模型，對集裝箱起重機的抗振性能進行了研究.

盧凱良等［14］采用模型試驗和數值法研究了一種雙偏心回轉軸承式集裝箱起重機減隔裝置性能及相關的設計參數.李增光等［15］應用有限元軟件建立了核島環(huán)形吊車結構的有限元模型，對環(huán)形吊車結構進行了地震響應分析計算.金玉龍等［16］對集裝箱起重機的抗振可靠性采用數值模擬，并計算了結構的動態(tài)響應.鄭培等［17］采用數值和模型（1∶15）試驗方法考察了集裝箱起重機地震波彈性時程響應、跳軌現象，以及抗振裝置對起重機輪壓穩(wěn)定性的影響.李文峰等［18］計算了不同地震波激勵下集裝箱起重機結構的動態(tài)響應及如何設置抗振裝置的技術參數.趙章焰等［19］采用有限元數值法討論了地震載荷下減震器阻尼參數匹配問題.

武漢理工大學港口裝卸交通行業(yè)重點實驗室設計出一套試驗方案，考慮集裝箱起重機結構、軌道支撐形式，以及地震載荷多向性特點的大型集裝箱地震動力學試驗方案，該試驗方案采用3項關鍵技術：（1）用接觸摩擦片模擬起重機車輪與軌道支撐狀態(tài)；（2）采用多軸向低頻大位移伺服電機振動臺模擬地震多向激勵；（3）采用灌鉛法滿足模型質量相似性.試驗方案示意圖見圖5.

圖5 試驗方案示意圖

目前集裝箱起重機地震試驗研究大多數采用振動臺試驗，結合振動臺試驗的不足之處，現有試驗中存在的問題可以概括為以下幾點：（1）將起重機模型直接與振動臺面連接，采用固定約束模擬起重機車輪與軌道的豎向單向支撐，沒有考慮期間接觸摩擦狀態(tài)，勢必影響地震載荷輸入真實性；（2）采用電磁或液壓振動臺模擬地震載荷，由于電磁振動臺最低頻段的限制和液壓振動臺較大數據失真，還不能很好的模擬具有隨機性、多向性地以及低頻大位移等特點震載荷；（3）缺少大比例的模型試驗，起重機的試驗模型比例較小，很難滿足模型質量的相似性，從而影響到起重機結構的動態(tài)特性；（4）試驗中輸入的地震波都是特定的地震波，難以模擬實際工況；（5）缺少結構破壞試驗；（6）試驗都是處于線性階段，缺少非線性試驗研究.

2 集裝箱起重機振動試驗趨勢

2.1 支撐狀態(tài)模擬方法

涉及接觸問題的車輪軌道與門腿支撐結構的耦合作用，致使地震載荷輸入變得非常復雜，如何采用簡單有效的技術手段模擬起重機支撐狀態(tài)，是試驗研究起重機跳軌、脫軌、支撐門腿變位屈曲及整機坍塌等動力學行為的關鍵技術，也是為完善數值模型提供真實可靠試驗數據的關鍵.

地震強度達到一定時，集裝箱起重機會出現跳軌、沿軌道滑移的現象.由于起重機的運行臺車是有多個均衡梁及車輪組成的復雜系統(tǒng)，試驗相似模型制作困難，大比例的車輪模型體積太小，無法模擬實際車輪的支撐形式以及輪子滾動形式.國內外一些試驗將模型與地基軌道過分簡化，直接將車輪與軌道去除，將模型支撐腿與振動臺用螺栓連接，這樣進行試驗可以模擬結構的局部變形，卻阻礙了起重機在地震下跳軌及沿軌道滑移的現象，與實際情況不符.

武漢理工大學港口裝卸交通行業(yè)重點實驗室的試驗值得借鑒，試驗考慮到：（1）地震試驗目的主要是考察起重機跳軌行為、門腿變形以及上層結構的動力特性，不考察車輪與軌道本身力學特性；（2）由于集裝箱起重機的運行臺車是有多個均衡梁及車輪組成的復雜系統(tǒng)，試驗模型與實物很難滿足物理相似；（3）起重機在運行軌道豎直向上不受約束（跳軌原因之一），而在水平垂直軌道和平行軌道方向可以移動（脫軌原因之一）.試驗擬采用接觸摩擦副技術方案來模擬車輪與軌道的接觸的狀態(tài)，確定關鍵參數，以傳遞振動臺的地震動激勵于試驗模型，見圖6.

2.2 地震動多向性及隨機性的模擬方法

圖6 振動臺的地震動激勵于試驗

現有起重機地震模擬試驗通常采用單軸向振動臺來模擬，只能沿著水平或豎直方向單獨施加激勵，沒有考慮到豎向振動與水平振動的耦合作用對起重機結構產生的影響.豎向地震動對結構的安全有重要的影響，對于高聳結構，特別是在強非線性反應階段，豎向力P因較大水平變位Δ而產生的P－Δ效應影響頂部的強度.在線性體系中，P－Δ效應影響也會產生非線性影響.對于大型岸橋起重機這種高聳結構和非線性結構，這一影響特別重要，如圖7所示的單質點體系中.

圖7 倒擺的豎向振動影響

P－Δ影響可理解為質點相對位移u產生的次生效應，作用于支撐點的彎矩 ［F（t）＋M（＋）］u產生附加力式中：F（t）為力；M為質量；（t）為豎向地震加速度為質點相對加速度.體系運動方程為

式中：cx，cy與kx，ky為體系x 向與y 向的阻尼系數和剛度.假設體系材料為線性，上式中出現（＋）u項，所以P－Δ效應使得整個體系變成非線性.這樣的運動方程也是一個非線性的，其解可以用一般非線性微分方程的解法求得.由此可見，試驗中豎向方向的地震載荷必須加上.

上述試驗中，振動臺輸入的地震動激勵都是特定的地震波.一次強烈地震之后，總是包含有極為豐富的震害事例，但是地震動與結構都極為復雜，包含有大量不確定的未知因素和許多不能控制的條件，因此，做振動試驗不能僅僅分析這些已知的強震記錄.

圖8為武漢理工大學港口裝卸技術交通行業(yè)重點實驗室起重機結構地震試驗平臺.試驗所用振動臺為二軸雙向伺服電機振動試驗臺，可以提供水平、豎直2個方向不同強度和頻率的振動.將軌道及底板固定在地震試驗振動臺臺面上，并安裝集裝箱起重機模型，能有效模擬地震動載荷的多態(tài)破壞模式，使得試驗據更加接近實際情況.

圖8 二軸雙向伺服電機振動試驗臺及控制儀

2.3 集中質量的設計方法

由于集裝箱起重機外形尺寸大及實驗室空間條件的限制，常常不得不采用較小比例尺，雖然能保證模型與樣機的幾何和運動學的相似性，但很難保證影響結構動力學特性的重要參數——質量參數的相似性，即使?jié)M足幾何相似的模型其質量往往達不到模型需要的質量.為了能夠更加真實反映樣機實際狀況，在制作起重機相似模型時需要對減小的重量部分進行補償.以L.D.Jacobs為代表的美國學者在進行試驗模型集中質量的設計上進行了較好的研究，見圖4，這種方法在實踐中得到了驗證，是一種值得研究者借鑒的方法.

2.4 子結構試驗方法

文獻［20］用試驗方法和數值積分方法相結合的方式進行結構抗震試驗，其中結構動力方程中的慣性力和阻尼力應用數值方法進行計算，而恢復力通過試驗方法確定.擬動力試驗計算步驟為：（1）采用逐步積分方法計算地震荷載作用下的結構位移；（2）以一種準靜態(tài)的方式將計算得到的位移施加于試件；（3）測量結構的恢復力并反饋給計算模型；（4）根據測量得到的恢復力和已知地震荷載進行下一個計算步驟.

與振動臺試驗相比，擬動力試驗的優(yōu)點在于對加載器和測量儀器性能的要求較低，類似于靜力循環(huán)試驗，可以較方便地進行大比例模型甚至足尺模型試驗，而且可以進行近距離觀測構件局部破壞特性；與擬靜力試驗相比，擬動力試驗中已經通過數值方法考慮了慣性力和阻尼力的影響，試驗結果代表了結構的真實地震反應.因此，［文獻21］就是僅僅將人們所關心的整個結構系統(tǒng)中的的局部構件或可能出現非線性的部分建立試驗模型（稱為物理子結構），而對于剩余部分則用數值方法模擬（稱為數值子結構），應用擬動力方法進行試驗.

在實際試驗中很難讓所有的模型參數都同時滿足相似性條件，通常都采取——近似和簡化，根據試驗的主要目的只考慮主要參數的相似性.實際上即使相似條件可以完全滿足，也很難根據模型試驗的結果確定原型結構真實的非線性動力反應特性，尤其是一些對于模型比例尺寸非常敏感的問題，如鋼結構中的連接部件，鋼筋混凝土中的綁扎和焊接等［22］.

集裝箱起重機結構中包含大量的焊接、鉸接處，局部位置在地震中容易產生屈服變形.集裝箱起重機地震動力學行為試驗研究中，結構的破壞機制與破壞階段的特征是研究的重點之一，結構破壞試驗日益受到重視.但是目前集裝箱起重機的試驗研究中，沒有出現過破壞性的試驗，主要原因就是破壞性試驗的投入消耗太大，整機模型的制作成本太高［23］.采用子結構試驗方法，按照相似模型中實際采用的構件材料和尺寸等數據，進行局部結構試驗，了解局部結構的非線性性能，從而再用相似模型試驗結果校核并改進非線性反應的計算方法，若能證明方法可靠，則根據原型構件與局部試驗結果，按此計算方法，推算原型結構的破壞階段特性.2種試驗方法相互配合，不僅可以節(jié)約成本，還可以保證最終試驗模型的相似度.

2.5 振動臺陣試驗方法

由于地震模擬振動臺臺面被認為是一個剛性體，因此單一振動臺也無法考慮地面地震動不均勻的特點，對于一些大跨度結構如橋梁、水電站等，顯然也不是十分合理.現代化大型岸橋結構大、跨度大，隨著對地震的認識，大比尺的岸橋試驗模型采用振動臺陣試驗方法在將來也是一種趨勢.

3 結 論

1）地震模擬振動臺的大型化和多臺化以及振動激勵輸入的多元化 大型的振動臺設備或多臺中小型振動臺形成的振動臺陣都可以進行原型或大比例模型試驗，同時振動臺陣還可以考慮地面的不均勻運動的影響，地震載荷的多向輸入和人工地震波系統(tǒng)更好的模擬了真實的地震，提高人們對集裝箱起重機結構抗震性能的認識水平.

2）試驗模型相似性和復雜工況模擬度進一步提高，試驗所得的數據更加精確.

3）進行子結構試驗，配合原型結構的振動試驗 子結構試驗只對結構的關鍵部分進行模型試驗，同時保持了振動臺試驗和擬動力子結構試驗的優(yōu)點，既能模擬實際地震荷載，又能夠進行足尺或大比例尺模型試驗，將會成為一種重要的結構抗震試驗方法.

4）合理的支撐與接觸狀態(tài)模擬 模擬起重機支撐狀態(tài)即輪軌接觸問題，使得地震載荷真實的傳遞至結構上部，試驗數據更真實情況.

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