基于时程法的起重机桥架结构模拟地震反应研究

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Abstract：The transient dynamic analysis for cranes bridge structure is performed based on time-history method to se·leet parameters to simulate the seismic wave.The time-history postprocessor is used to calculate stress-strain of any node onthe bridge over time during the earthquake.Finally，the stability evaluation for the bridge of certain nuclear waste crane isperformed through seismic response analysis and bridge structural modifcation analysis.Th is method provides calculationdata for judging whether the crane design meets the seismic design requirements or not，offering a method and theoretic ba-8is for further research on cranes。

Keywords：crane；seismic response；time-history analysis；simulation；research0 概述核废料起重机是用来吊运可能引起放射性释放的危险载荷的起重设备，其 (桥架结构如图 1)在结构分析时除了考虑常规载荷和常规保护外 ，还必须考虑到特殊载荷等，由于该起重机处于室内密封环境内部，故对起重机进行模拟地震载荷分析尤为重要，时程法把地震作用看成是-个振动过程，而不是施加于结构上的-个等效静力，既考虑了地震动强度，也考虑了频谱特征和持续时间。目前在起重机行业中，地震载荷应只作为特殊载荷进行静力学分析，动力学分析中地震载荷如何选取与分析尚没有明确的规定和标准。

1 时程法时程法在抗震设计中称为动态设计。由结构基本运动方程输入地面加速度记录进行积分求解，以求得整个时间历程的地震反应的方法。地震反应是指由地震动引起的结构瞬时内力 (如轴力、壁l 、 -fI )) - 。f f土 (( - 上)) II 匝A-- B- B田 商图 1 核废料起重机桥架示意图弯矩、剪力和扭矩等)、应力应变、位移应变及运动加速度、速度等。动力时程分析时，也需先建立结构动力模型和运动微分方程，并求解方程得到。线性结构瞬态动力学平衡方程为[朋r] [C]矗[K]U， (1)Ansys采用的是向前差分时间积分和 Newmark积分，Newmark方法使用的是有限差分法，即在-国家质检总局科技计划项 目 金属陶瓷复合涂层在电梯渐进式安全钳的应用初步研究”(2010QK089)《起重运输机械》 2013(9) - 1-个时间间隔内有五 。 [(1- ) 6 ]△ (2) u △ ( - ) (3)式 中：d、6分 别 为 Newmark积 分参数。

2 模拟地震波地震烈度表示地震造成地面上各点的破坏程度，地震烈度给出了地面运动速度和加速度的参考指标，目前是直接采用地面运动加速度值作为工程抗震设计的依据。

该起重机抗震要求：依据中国国家标准 GB18306-2001《中国地震地面运动参数地带分布图》规定可知厂址的基本地震烈度为8度，相应的设计基本地震峰值加速度为0.2g(考虑最极端工况，也就是起重机小车位( 会翟蠡譬盛震 嚣度包] I络线函数、阻尼比等基本参数 Jll十算功率谱 - ㈣，·n f古等 )l计算幅值谱 (0)[4 曲△卅陧序自动生成随机相位谱 ㈤进行傅氏逆变换，得 近似l-人工地震波加速时程 f) r (1J)e ㈣ I-I添加强度包络曲线 f)，得到符合实际地震波振动规. . ， 、S㈩ 律的人工地震波加速度时程d(f)g口(r麒f) l J (l计算d(r培反应谱 。 ###”(k-O，1，2.)，并计算期望反应谱与计算反应谱的比值Sa ) (IJ 否，I是(输出人工模拟地震波)于跨中，最大吊重按 2.0 t估算)；根据 HAD101/01《核电厂厂址选择中的地震问题》、《中国地震反应谱特诊周期区划图》查取厂址区域的场地条件为平坦稳定的中硬场地，地震反应谱特诊周期值为0.40 S；地震强震持续时间-般为 2～10 S，故选取强震持续时间为9 S。

3 模拟地震波流程模拟地震波时程曲线流程如图2，根据流程图获得地震波加速度时程曲线如图3、4、5。

4 结果分析4.1 位移时程分析在考虑吊重及地震载荷作用下跨中将是变形最大区域，因此，提如中以及轮压处附近节点的 、y、z方向位移，观察其时间历程曲线，如图 6、7、8所示 。

根据图7所示，6.74 S时起重机桥架结构跨中y向位移为最大值，故取此时刻起重机各关键节点处各向位移如表 1。

- - ， - -图2 模拟地震波流程O 250.20O 1 50 10。D自 0.050.00目- 0.05- O 10- O 15- 0 200 5 10 l5 20 25 30 35 40时间/s图 3 向地震加速度时程曲线图4 y向地震加速度时程曲线《起重运输机械》 2013(9)gg 0 5 10 5 2O 25 3O 35 4O时间/s图5 竖向地震加速度时程曲线4 63 5时间/s图 6 向位移时程曲线4 63 5时间/s图7 Y向位移时程曲线I里II- 、 I- j) - fL (( - 土I j J ：l可- - B- B田 商图8 Z向位移时程曲线《起重运输机械》 2013(9)表 1 关键节点各向位移小车 跨 中 主梁 端梁车轮处 末端 末端向位i：j/mm 0.23 1.81 0.19 0.13Y向位i；/mm 2O.5 21.7 1.75 0.67Z向位移/mm 0.61 1.29 0.46 0.29当只考虑吊重时，起重机主梁跨 中垂直静挠度为9. 691 mm，许用值为 15.34 mm。由上可知，受地震波影响下 、z向位移变化非常小，由于 l，向位移受 自重和吊重的影响而放大了地震波的影响，放：赶了2.24倍，故应加大小车轮距或结构改造以减小的应力集中情况。

4.2 等效应力时程分析为了解主梁的应力情况，提取主梁跨中以及轮压处附近节点等效应力，观察其的应力时间历程曲线，如图9所示。

8O726456l 4840322416801 3 5 7 9时间/s图9 4节点应力时程曲线图当只考了吊重以及 自重情况下，其中的最大应力为 66.499 MPa。根据图9应力时程曲线所示，6.74 S时起重机桥架结构跨中的应力为最大值，最大值为 ；104.021 MPa。此时等效应力云图如图 10所示 ，应力对比表见表 2。

表 2 应力对比表原应力值 地震值 放大/MPa /MPa 倍数小车轮压处 60.45 81.78 1.35跨中 66.51 93.46 1.41最大应力值 68.97 104.02 1.5l- - - - m ∞ 加O o O O 暑/ 墨3 2 2 O O O O gⅢ/ 丌J . 。

5 O 5 5 5 O 5 5 5 O 5 2 - " 图 10 桥架应力 图由于金属结构材料均采用 Q345B钢，根据低合金高强度结构钢的力学性能，其屈服极限为 345MPa，则结构强度许用应力为 233.11 MPa，远远大于 104.02 MPa，故结构强度满足抗震要求。

4.3 结构改造分析为了改善 l，向位移变化过大以及应力集中的状况，在满足起重机抗倾覆性的前提下，结构改造主要通过适当加大小车轮距 (2.4 m0.2 m)和增加横向和纵向加强筋来进行，改善后的结构对比见表 3。

表3 结构改造后对比图原始值 地震值 放大倍数跨中Y向位移 9.69 mm 15.18 mm 1.57跨中应力 66.51 MPa 87.36 MPa 1.31小车轮压处应力 60.45 MPa 80.94 MPa 1.34最大应力值 68.97 MPa 98.52 MPa 1.435 结语1)起重机桥架跨中由于受吊重和自重影响，受地震冲击时，对跨中应力、位移影响放大了1.5倍，应减戌中应力集中和改善局部稳定性〖虑到地震波作用时，起重机桥架结构应变以及应力均有较大变化，故对起重机设置地震保护是有必要性。

2)由于大型机械结构同为弹塑性振动体系，故解决机械大型结构地震作用问题时采用时程分析法，能很好分析起重机桥架的内力、位移及时程响应。

特种起重机作为完成某种特定任务而研制的专用起重机，在工作类型与安全性能有特殊要求，这不仅对材料及加工工艺有较高的要求，也对起重机设计者提出了较高的要求，建议科研工作者加强这方面的研究，完善相关标准及规定，为设计者提供快捷、安全的设计基础，为安全生产提供保障。