岸边集装箱起重机地震实验系统优化及振动台试验研究袁金虎1吴邵强1李哲21中交第四

袁金虎1吴邵强1李哲21中交第四航务工程勘察设计院有限公司广州5102302长江大学机械工程学院荆州434023
摘要：由于大型岸边集装箱起重机更易在地震时发生损坏，对其进行地震研究提高其抗震性能是当前急需解决的问题。目前尚无法对大型岸边集装箱起重机原型进行地震动力学试验，数值仿真实验和缩尺模型试验是最常用的方法。为了顺利开展实验研究，必须要处理好数值仿真实验中模型的简化、边界约束的等效以及缩尺模型振动台试验中地震载荷输入优化等问题。为此，现以某大型岸边集装箱起重机为研究对象，针对这3个问题展开了仿真实验与振动台模型试验综合对比分析，确定了岸边集装箱起重机实验系统的优化处理方式。
关键词：岸边集装箱起重机；地震；振动台试验；缩尺模型；优化
中图分类号：TH247：U653.921文献标识码：A文章编号：1001-0785（2018）05-0104-05
0引言由于集装箱运输使货物装卸效率得到了极大地提升，从而使其配套设施和各种装卸搬运机械也得到了相应的发展。岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）的大型化使其在提升装卸效率的同时自身潜在的危险系数也有所增加，现代超巴拿马型岸桥庞大的外形尺寸、超大自重、长悬臂、高重心、轮轨约束等特征更易遭受地震的破坏。通过对岸桥进行地震动力学方面的研究，才能预测其在不同地震载荷下结构大致发生破坏的部位，并以此为依据对结构中薄弱部位进行加固，提高自身抗震性能，避免地震来临时发生重大事故[2] 。
对这类大型结构进行地震实验研究通常无法进行现场试验，数值仿真实验结合缩尺模型试验是现在通用的方法。然而仿真模型一般都会对原型进行简化处理，比如采用梁单元或板单元代替实体单元进行有限元时程计算可大大缩短运算周期，对复杂的轮轨接触边界约束进行等效处理可降低仿真模型中非线性、过多耦合等因素产生的不利影响。在缩尺模型试验中，地震激励的输入模拟需要在综合考虑振动台性能参数及测试条件下进行优化。文献[3、4]建立了大型岸桥结构的地震有限元仿真模型，将岸桥结构中各构件简化成梁单元、板单元、质量单元，基于该模型采用有限元软件Abaqus、Ansys对其进行一系列地震时程分析，对比仿真结果与采用实体单元建模计算结果发现其相似度高达90.2% ，简化后的运算周期仅为之前的1/6 。文献[5]针对仿真分析中岸桥轮轨接触式边界约束难以模拟的问题进行多种约束模型的仿真实验分析，并对比了各种模型的适用特点。文献[6]通过仿真实验对比了岸桥地震系统中常用的载荷输入方式，通过与缩尺模型试验结果对比分析了各种方法各自适用的条件，对岸桥地震研究的载荷输入模型进行了初步优化。文献[7、8]探讨了通过仿真实验对岸桥结构的简化建模，建立了岸桥不同单元类型的有限元模型，采用Ansys对其结构进行地震仿真分析，对比其不同单元类型模型得到的振型、频率及不同地震激励下岸桥结构的地震响应。
本文以上海某港口大型岸桥为研究对象，对其结构进行简化处理并建立其仿真模型，采用摩擦接触模型代替岸桥边界约束，对地震波输入进行优化处理。在进行仿真对比分析后，设计制作了1:20的缩尺模型并进行了相关振动台地震模拟试验，对优化后的岸桥地震模型系统进行验证。
1岸桥结构的简化处理及建模1.1岸桥有限元模型单元处理选取上海某港口J248型岸桥作为研究对象，其结构主要由门架、大梁、拉杆等组成，如图1所示。在大型非线性仿真软件Abaqus中按原型尺寸建立岸桥结构的有限元模型，设置材料为Q345钢，弹性模量E＝2.06×1011N/m2 ，泊松比μ＝0.3 ，密度ρ＝7850kg/m3 。采用实体单元建立岸桥三维有限元模型，设为模型0 。

文章图片
图1岸桥结构示意图
在仿真实验中，选用适当的结构单元会得到一个更经济的解决方案，用结构体单元通常需要的单元数量比实体单元少很多。对岸桥有限元模型进行优化处理，其中，门腿、立柱、门框上下横梁、前后大梁均采用梁单元进行建模；梯形架撑杆、门架撑杆、前后拉杆采用杆单元进行建模；机器房、运行小车及吊具、集装箱均简化为集中质量；岸桥前后大梁的连接、梯形架上横梁耳板与拉杆的连接、前后大梁耳板与拉杆的连接均通过释放对应节点处的转动自由度进行模拟；箱形梁中所布置的加强筋、隔板等部件在模型中以附加质量的形式均布到整结构中；岸桥台车系统的模型用相同长度及刚度的等效梁单元代替，设为模型1 。建成后的岸桥有限元模型如图2所示。