起重设备抗震设计方法综述

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地震是使地面产生水平运动和竖向运动 (如地面加速度、地面速度和地面的位移)的-种 自然现象。由地震引起的结构振动，包括结构的位移反应、速度反应、加速度反应等称为结构地震反应或结构地震响应。在地震发生过程中，静止于地面上的结构物体因地面运动而被迫振动；在地震的振动过程中，由于地面加速度和结构相对加速度在结构体上产生的惯性力之和称为地震载荷 j。

我国是-个地震多发国家，预防地震对起重设备破坏最根本的措施是提高设备结构的抗震设计能力，因此，起重设备地震载荷计算方法的研究是至关重要的。

1 抗震设计方法发展国内、外对结构 和设 备抗震设计主要有 4种--静态分析法、反应谱法、时程分析法和非线性时程分析法。

静力理论首先产生于意大利，发展于在地震多发国的日本。1899年 日本学者大森房吉首次提出用于结构抗震设计的地震静力理论，认为结构地震破坏的主要因素是地震的最大水平加速度在2009年西部交通建设科技项 目 (2009328222101)《起重运输机械》 2013(1)结构体内产生的过大剪力造成的 。

该方法并未考虑地震是-个随时间变化的动态过程，不能较为真实地计算出地震对起重设备的载荷作用，但此法计算简单，易于操作，在-定程度上也能宏观体现出地震对起重设备的载荷作用。

反应谱理论阶段是在 1940年由M.A.Biot提出的，是利用已有 的市级地震记录来计算反应谱，并绘制出世界上第-条弹性反应谱曲线 ，使地震研究得到了重大发展 。G.W.Housner在加速度反应谱理论的基础上，在 1948年提出弹性反应谱曲线，使反应谱理论形成了完整的体系 。2位学者的理论均是基于单 自由度方法，此法并不能满足 具 有 长 跨 度 的 设 备 结 构 体 系。1997 年，KowalSky参照传统的振型分解法，提出通过线弹性多模态反应谱分析，用振型组合方法得到多 自由度桥梁结构单个桥墩的墩顶位移 。2004年，Hazim 7 J以-系列 4跨连续梁桥为研究对象，根据时程分析的统计结果，认为桥梁的初始位移模式与桥梁的几何形状、桥梁上下部刚度比和桥台的约束形式有关，将桥梁的位移模式分为刚体平动模式、刚体平动加转动模式和弯曲模式 ]。此方法是在地震时程分析的基础上进行结构的线弹性位移分析，计算结果较好，但此方法并未涉及非线性范围内的时程分析，存在着-定的不足，非线性时程分析也是未来抗震设计的发展趋势。

2 国内、外起重设备抗震设计方法由于地震载荷不同于其他直接作用在起重设备上的外力，而是由于地面运动引起的，属于间接作用，故称之为 地震作用”，这种间接作用在结构上致使结构产生内力和变形等地震响应。在地震作用和其他荷载效应的基本组合超出结构的承载力或在地震作用下结构的侧移超出了允许的范围，致使结构破坏 J。因此，确定地震载荷是- 个十分重要的问题，现今处于地震带的国家均提出了适应本国国情的起重设备地震载荷的规定。

2.1 日本起重设备抗震设计日本是环太平洋地震带的岛国，具有较多的港口和码头，其对起重设备抗震设计的研究起步较早。

日本往往考虑起重机的构造特性或安装地域及基本特性的-级地震动，根据修正烈度法，以最重要的- 次振动模式为目标，求其烈度，将与此相对应的惯性力与起重机自重等负载相结合，计算发生于起重机部件上的应力和位移等，比较并讨论容许应力等的容许值，据此验证起重设备的抗震性能。

修正烈度法规定的-级地震动的耐震设计主要从水平烈度和垂直烈度2方面去设计：设计水平烈度为K Ko# ，卢式中： 为设计水平烈度， 为基本水平烈度， 为地域类型修正系数，卢 为地面类别修正系数， 为加速度倍率，卢 为起重机类别修正系数。

设计垂直烈度为Kv：式中：K 为设计垂直烈度， 为设计水平烈度。

地震载荷 F由 和 F 2部分组成，水平方向地震载荷 F K X起重机 自重，垂直方向地震载荷 F ，：K X起重机自重 。

如果把地震输入作为-个随着时间变化的作用过程，则形成了时程分析法。

采用时程分析法求设计水平烈度时，将地震水平输入作为工学性地震地面时为 Kog，在地表面时为卢，卢 Kog。而且，通过时程分析法进行求解时，需使用恰当的地震波 。

二级地震动的地震载荷则需要根据非线性时程分析法进行解析，是-级地震动的1.5倍。既将- ～ 地震输入作为工学性地震地面的 1.5JB Kog，地表面时为 1. ：Kog。使用模拟地震波时，必须使用适当的地震波 。。

从 日本抗震设计 中可以得知，通过修正烈度法可对-级地震动条件下的起重装卸设备进行抗震设计，而对于二级地震动条件下，则需要应用更加严格和精确的非线性时程分析法，它不受限于输入地震波的波形和不确定性。

2.2 俄罗斯起重设备抗震设计根据 1971年出版的 《起重机手册》，在俄罗斯只有处于地震区的起重机才考虑地震载荷 。

在地震区，安装高架起重机应考虑水平地震载荷的作用P klG式中：G为起重机自重或所考虑部分的重量；k 为与地震烈度有关的地震系数，7级烈度区为0.025，8级烈度区为0.05，9级烈度区为0.1。

2.3 美国起重设备抗震设计美国近期研究表明，标准的重型起重机按照传统规范设计，在50年内可能遇到的几率为50%的中级地震中能表现良好 (发生后工作继续的地震级别 EQO)，但是在 50年遇到几率为 10%的大地震中可能遭到毁灭性破坏 (紧急地震级 EQC) 。

在 LIFTECH C0NSU ANTS INC公 司起 重机抗震设计规范中，提出 2种抗震设计规范：EQO基于力值设计规范和EQC基于位移设计规范。

本规范适合于起重机，该起重机包括起重机的静载荷、行车、升降系统以及-半的额定载荷。起重机配置有水平吊杆，可以向上 45。，以及完全升直。所有吊杆配置都应进行分析。起重机轨道在EQO级别地震时可能遭到破坏。如果受到破坏，这也是能接受的。尽管轨道可能遭到破坏，起重机还是根据轨道是否完整进行设计 。

EQC级别地震可能使部分起重机车轮离开起重机轨道，发生脱轨现象。起重机的设计人员不需要考虑码头性能。设计时，如果车轮离开轨道，停在轨道外，码头被认为有足够的强度支撑能力，而且车轮对码头的载荷在任-方向都假定是不超限的。

龙门架车轮制动器不能阻止龙门架移动载荷。根据龙门架的制动能力，龙门架的移动载荷不能降低 。

EQO设计规范是传统的基于力的抗震设计方法，它是基于地震作用的强度计算和变形验算；EQC设计规范则是基于位移的抗震设计方法，以位移作为抗震设计的目标，计算结构的延性和位《起重运输机械》 2013(1)移，这与结构的实际情况更加符合。

2.4 我国起重设备抗震设计交通部水运司制定的 《港 口起重运输机械设计手册》 中规定，安装在地震区的大高度起重机(特别是固定塔式起重机)必须考虑水平作用的地震载荷 。

地震载荷按下式计算PEk1 G式中：G为起重机 自重载荷；j 为地震载荷系数，与地震烈度有关，见表 1。

表 1 地震载荷系数地震烈度 7 8 9 l 10 l 1 I 12地震载荷系数＆ l/40 l/20 1/10 l 1/41/2>1/2验算地震载荷作用时，起重机空载，静止不动，不考虑风载荷。地震载荷作用下产生的水平加速度，受起重机驱动车轮与轨道间的粘着力或制动转矩的限制。对无轨移动式起重机，不需考虑地震载荷的作用 。

它易于操作，但却忽略了地震对起重装备的响应是-个时间过程。在 Ansys中的实现形式是在静力计算拈直接输入特定的经过修正水平作用的地震载荷进行静力计算。

2.5 其他国家起重设备抗震设计根据 《欧洲起重机械设计规范》译本，-般来说，起重机械的结构不必要对欧洲的地震影响进行核算 。

3 结论由各国及各行业地震载荷计算方法对比结果可知，由于日本是环太平洋地震带上的国家，相对于其他国家，日本具有更加完善的起重设备地震载荷设计方法，其具有3种不同地震载荷设计方法：-级地震动的修正烈度法、-级地震动时程分析法及二级地震动的非线性时程分析法。而美国则分别针对两种地震级别 (EQO和 EQC)提出基于力值设计规范和基于位移设计规范。我国和俄罗斯均采用起重设备 自重与地震烈度相关的地震载荷系数的乘积作为地震载荷 ，与其他载荷相组合进行应力评价，此计算方法相对于 日本和美国是较为简单和实用的。由于欧洲 国家不处于地震带 区域，- 般不进行地震载荷对起重设备影响的计算。

从以上分析可以看出，目前对地震载荷的计《起重运输机械》 2013(1)算方法主要有 2种：-种是静力法，另-种是动态法。静力法是考虑地震产生的各种影响，将其等效为作用在起重机上的-个水平力和垂直力。

动态分析法是输入-组随时间变化的地震响应，研究起重机的变形和应力变化情况。由于每次地震产生的地震波并不相同，所以输入的设计地震响应不是单-的某个地震记录的响应 曲线，而是综合地震记录，这种方法广泛应用于建筑、桥梁等行业。由于大面积涉及公民人身安全，地震方法的计算较为严格保守，而且这种方法计算复杂，不适用于起重机行业。如果起重机按这种方法进行抗震设计，则起重机设计将相当复杂。文献[9]中的日本-级地震动的修正烈度法考虑了多种因素，分析全面，计算简单，宜作为我国起重机设计地震载荷计算方法的参考，为我国港 口码头起重机抗地震设计奠定基矗