貢金鑫 高樹飛 閆路路 仇建磊 王偉男

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116024)

港口起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)與加固*

貢金鑫 高樹飛 閆路路 仇建磊 王偉男

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116024)

總結(jié)了港口起重機(jī)的震害和破壞形式，介紹了國內(nèi)外港口起重機(jī)的抗震設(shè)計(jì)和抗震加固方法，并通過一實(shí)際案例研究了碼頭結(jié)構(gòu)對起重機(jī)地震反應(yīng)的影響.研究表明，基于承載力的抗震設(shè)計(jì)方法目前仍然是港口起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)采用的主要方法，但基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法正逐步得到應(yīng)用；對于抗震性能不足的使用中的起重機(jī)，應(yīng)選用合理的方案進(jìn)行加固；起重機(jī)的地震反應(yīng)與起重機(jī)-碼頭結(jié)構(gòu)的相互作用有關(guān)，必要時(shí)起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮碼頭結(jié)構(gòu)的影響.

港口起重機(jī)；抗震設(shè)計(jì)；抗震加固；起重機(jī)-碼頭相互作用

0 引 言

港口起重機(jī)是碼頭正常運(yùn)營必不可少的重要作業(yè)設(shè)備，作為一種鋼結(jié)構(gòu)，近年來的震害表明，港口起重機(jī)在地震作用下也同碼頭結(jié)構(gòu)一樣易于遭受破壞.作為大型裝卸設(shè)備，港口起重機(jī)遭受損壞后會喪失使用功能，對其進(jìn)行維修和更換需耗費(fèi)大量時(shí)間，影響碼頭震后迅速恢復(fù)運(yùn)營.因而，對于新造起重機(jī)有必要進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，而對已有的起重機(jī)應(yīng)進(jìn)行抗震性能評估和抗震加固.目前，我國仍缺乏專門的港口起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，故文中在總結(jié)港口起重機(jī)的震害和破壞形式的基礎(chǔ)上，介紹國內(nèi)外起重機(jī)的抗震設(shè)計(jì)和抗震加固方法.通過一實(shí)際案例分析碼頭結(jié)構(gòu)對起重機(jī)地震反應(yīng)的影響.

1 港口起重機(jī)震害及破壞形式

1.1 港口起重機(jī)震害

圖1 Nakajima 2號碼頭起重機(jī)的破壞

隨著船舶向大型化方向發(fā)展，港口起重機(jī)的尺寸和重量也越來越大，同碼頭結(jié)構(gòu)一樣在地震作用下也易于遭受破壞.圖1為1983年日本Nihonkai-Chubu地震中Nakajima 2號碼頭(板樁碼頭)的一個(gè)起重機(jī)破壞圖，脫軌的立柱落于板樁碼頭的液化土上，導(dǎo)致起重機(jī)向陸側(cè)傾斜約20°[2].圖2為1985年智利地震中San Antonio港1號和2號泊位(重力式碼頭)起重機(jī)(軌距為 5.25 m)的破壞情況，起重機(jī)由于擺動和碼頭液化回填土的不均勻沉降而傾斜和傾覆.圖3為1995日本HyogoKen-Nambu地震中起重機(jī)立柱的破壞圖，立柱破壞不僅與起重機(jī)的慣性力有關(guān)，還與碼頭沉箱向海側(cè)位移引起的軌距變大有關(guān)[3-4].圖4為在1999年的土耳其Kocaeli地震中，Derince港6號碼頭(重力式)的起重機(jī)破壞圖.圖5為在太子港港的集裝箱起重機(jī)由于地震引起的液化而沉入水中的破壞圖[5].

圖2 San Antonio港 起重機(jī)的破壞

圖3 神戶港起重機(jī) 的破壞

圖4 Derince港6號碼頭 起重機(jī)的破壞

圖5 太子港港起重機(jī) 的破壞

1.2 港口起重機(jī)的破壞形式

港口起重機(jī)中龍門式起重機(jī)較為常見，龍門式起重機(jī)由用于裝卸貨物的上部結(jié)構(gòu)和用于固定位置及移動上部結(jié)構(gòu)的支承結(jié)構(gòu)組成，見圖6.起重機(jī)一般為鋼結(jié)構(gòu)，支承結(jié)構(gòu)為剛性框架或立柱為鉸接，鉸的位置在圖6的A處.靜止時(shí)通過錨定裝置將起重機(jī)固定在軌道或碼頭結(jié)構(gòu)上，此時(shí)起重機(jī)抵抗外力的能力最強(qiáng)；運(yùn)行時(shí)起重機(jī)通過輪子與軌道的摩擦和輪子的翼緣抵抗外力以保持穩(wěn)定.

圖6 龍門式起重機(jī)示意圖

地震中龍門式起重機(jī)的主要破壞形式包括：車輪脫軌、大車與立柱脫離、錨定裝置斷裂、屈曲以及傾翻.如果地震時(shí)起重機(jī)下面的碼頭面出現(xiàn)不均勻沉降，起重機(jī)會傾斜或翻倒，見圖7a)；碼頭變形引起的兩立柱間距增大會導(dǎo)致立柱脫軌或屈曲，見圖7b)；起重機(jī)的擺動和碼頭結(jié)構(gòu)水平力的交替作用也會引起立柱間距減小，擺動還會導(dǎo)致車輪脫軌或分離，見圖7c)；當(dāng)起重機(jī)有鉸接立柱時(shí)，脫軌可能會導(dǎo)致起重機(jī)的傾斜或翻倒，見圖7d).雖然錨定裝置提供了更大的抗力，但相比于無錨定裝置的情況，起重機(jī)門架內(nèi)產(chǎn)生了更大的內(nèi)力.

圖7 龍門式起重機(jī)的破壞形式

2 起重機(jī)與碼頭抗震設(shè)計(jì)的區(qū)別

起重機(jī)與碼頭都是承載結(jié)構(gòu)，只是使用功能不同.兩者抗震設(shè)計(jì)的主要區(qū)別如下.

1) 與地面的接觸方式不同 碼頭上部結(jié)構(gòu)直接坐落在基床上(重力式碼頭)或通過樁基礎(chǔ)固接在地基中(板樁碼頭和高樁碼頭)，永久固定在一個(gè)位置；起重機(jī)放置在軌道上，如果水平地震方向與起重機(jī)大車運(yùn)行方向一致，則起重機(jī)沿軌道滑動不受約束或受比較小的約束；如果水平地震方向與起重機(jī)大車運(yùn)行方向垂直，則起重機(jī)因受到地震作用而擺動，一側(cè)立柱可能會與大車脫離.

2) 不滿足平面和立面盡量規(guī)則要求 從保持良好的抗震性能考慮，港口碼頭力求保持平面和立面上規(guī)則；而由于使用功能的需要，起重機(jī)難以做到平面和立面上規(guī)則.例如,岸橋沿著小車行走方向是不對稱結(jié)構(gòu)，海側(cè)前大梁的長度大于陸側(cè)后大梁的長度，同時(shí)當(dāng)小車運(yùn)行到海側(cè)最大外伸距作業(yè)時(shí)，整機(jī)的重心就更加偏向海側(cè)，這不利于起重機(jī)自身的整體穩(wěn)定.

3) 結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型不同 港口碼頭形狀是固定的，幾何不可變；出于吊裝的需要，起重機(jī)上部結(jié)構(gòu)的幾何形式是可變的，如上部小車的移動，集裝箱起重機(jī)前大梁的轉(zhuǎn)動等.在不同的幾何構(gòu)型下起重機(jī)的地震反應(yīng)是不同的，抗震設(shè)計(jì)中需要考慮小車不利位置、吊臂水平和豎向不利角度.

4) 碼頭上起重機(jī)的振動屬于二次反應(yīng) 在地震作用下，碼頭受到地震波的激勵發(fā)生振動，碼頭上的起重機(jī)又受到碼頭的激勵發(fā)生振動.起重機(jī)與碼頭之間存在相互作用，碼頭結(jié)構(gòu)的振動可能放大了地震對起重機(jī)的影響，也可能減小了對起重機(jī)的影響，與碼頭的自振周期有關(guān)，這與直接放置在地面上的起重機(jī)是不同的.

3 港口起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)和加固方法

目前，大部分國家的起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范都不考慮地震作用，如文獻(xiàn)[6]不要求計(jì)算地震荷載，但對于地震較活躍的國家，起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)還是不可或缺的.港口起重機(jī)的抗震設(shè)計(jì)方法主要可以分為兩種，即基于力的抗震設(shè)計(jì)方法和基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法.基于力的方法主要是驗(yàn)算起重機(jī)的承載力是否滿足要求，而基于性能的方法則是要求起重機(jī)滿足各種預(yù)定的性能目標(biāo).

3.1 基于力的抗震設(shè)計(jì)方法

基于力的抗震設(shè)計(jì)方法一直為工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所采用，是傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法.基于力的抗震設(shè)計(jì)方法中常用的是擬靜力法和反應(yīng)譜法，而起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)中擬靜力法較為常用，下面是一些國家規(guī)范的相關(guān)規(guī)定.

3.1.1 中國

文獻(xiàn)[7]指出，對于有特殊要求及在地震時(shí)會構(gòu)成重大危害的起重設(shè)備需進(jìn)行抗震計(jì)算，但規(guī)范沒有地震作用計(jì)算的詳細(xì)規(guī)定.文獻(xiàn)[8]規(guī)定，對位于震區(qū)的大高度起重機(jī)(特別是固定塔式起重機(jī))須考慮水平地震作用，地震荷載為

F=k1G

(1)

式中：G為起重機(jī)自重；k1為與地震烈度有關(guān)的地震荷載系數(shù)，按表1取值.

表1 地震荷載系數(shù)

文獻(xiàn)[8]還規(guī)定，進(jìn)行地震作用驗(yàn)算時(shí)，起重機(jī)空載，靜止不動，不考慮風(fēng)荷載；地震作用下產(chǎn)生的水平加速度，受起重機(jī)驅(qū)動車輪與軌道間粘著力或制動力矩的限制；對無軌移動式起重機(jī)，不需考慮地震作用.

3.1.2 日本

文獻(xiàn)[9]采用兩個(gè)設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn)；對于水準(zhǔn)1

地震采用修正地震系數(shù)法(擬靜力法)和反應(yīng)譜法或時(shí)程分析法，對于水準(zhǔn)2地震采用非線性時(shí)程分析法.基于修正地震系數(shù)法的地震荷載為

F=ksG

(2)

式中：

(3)

其中：ks為設(shè)計(jì)水平地震系數(shù)；k0為基本水平地震系數(shù)；β1為地區(qū)類別修正系數(shù)；β2為場地類別修正系數(shù)；β3為加速度放大系數(shù)；β4為起重機(jī)類型修正系數(shù).

此外，文獻(xiàn)[10]還考慮豎向地震作用，豎向設(shè)計(jì)地震系數(shù)kv取為ks的一半.

由此不難看出，擬靜力法將起重機(jī)的自重乘以一個(gè)地震系數(shù)以考慮地震作用，計(jì)算較為簡便、直觀.我國規(guī)范采用的地震系數(shù)僅與地震烈度有關(guān)，而日本規(guī)范考慮了多種因素的影響，且考慮了豎向地震作用.

3.2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

基于力的抗震設(shè)計(jì)方法僅關(guān)注于結(jié)構(gòu)的最大承載力，而對不同強(qiáng)度地震下結(jié)構(gòu)的損傷程度關(guān)注不夠，不能對不同強(qiáng)度地震下結(jié)構(gòu)的可修復(fù)性和破壞造成的損失進(jìn)行有效控制.基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法對不同設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下的地震提出不同的性能要求，使結(jié)構(gòu)地震損傷修復(fù)費(fèi)用、倒塌損失與地震發(fā)生的不確定性得到合理的平衡.

3.2.1 國際航運(yùn)協(xié)會

文獻(xiàn)[11]規(guī)定了兩個(gè)地震水準(zhǔn)，水準(zhǔn)1為結(jié)構(gòu)使用期(一般取50年)內(nèi)超越概率為50%的地震(重現(xiàn)期75年)，水準(zhǔn)2為超越概率為10%的地震(重現(xiàn)期475年).該指南根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性將其劃分為4個(gè)性能等級，即S級、A級、B級和C級，表2給出了不同性能等級下的結(jié)構(gòu)破壞程度.表3給出了起重機(jī)不同損壞程度下的破壞準(zhǔn)則，定義破壞準(zhǔn)則的參數(shù)見圖8，表4為該指南建議的起重機(jī)抗震分析方法.

調(diào)研問卷顯示，網(wǎng)店運(yùn)營年限不足1年的占比23.8%，1年-3年的占比29.5%，3年-5年的占比20.9%，5年-10年的占比25.8%；58.6%的網(wǎng)店員工人數(shù)少于5人，44.7%的網(wǎng)店月銷售額低于10萬元，另有18.9%的網(wǎng)店人員多于20人，15.3%的網(wǎng)店月銷售額可達(dá)百萬元，可見青巖劉網(wǎng)店運(yùn)行狀況活躍，較能吸引創(chuàng)業(yè)人才聚集，但大多數(shù)青巖劉賣家的網(wǎng)店規(guī)模較小，店鋪生存不穩(wěn)定，也缺少大賣家長期駐扎。

表2 不同性能等級下的破壞程度

3.2.2 Liftech公司

Liftech公司認(rèn)為起重機(jī)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)與碼頭結(jié)構(gòu)保持協(xié)調(diào)，故文獻(xiàn)[9]規(guī)定了兩個(gè)地震動水準(zhǔn)，即運(yùn)行水平地震(EQO)和偶遇水平地震(EQC)，EQO為50年內(nèi)超越概率為50%的地震，EQC為50年內(nèi)超越概率為10%的地震.對于運(yùn)行水平地震，Liftech要求起重機(jī)剛架應(yīng)保持彈性，且損壞易于修復(fù)；對于偶遇水平地震，應(yīng)考慮兩種情況，即起重機(jī)傾覆(tiping)和特殊抗彎框架(special moment frame)[12].另外，要求起重機(jī)不

表3 起重機(jī)的破壞準(zhǔn)則

表4 起重機(jī)的分析方法

圖8 定義起重機(jī)破壞準(zhǔn)則的參數(shù)

能倒塌并能保證生命安全.

Liftech規(guī)定，在運(yùn)行水平地震下，起重機(jī)軌道可以損壞，但即使如此軌道設(shè)計(jì)也應(yīng)基于地震下保持不壞的原則；在偶遇水平地震下，起重機(jī)某些車輪可能脫離軌道，抗震設(shè)計(jì)不需考慮碼頭的性能，認(rèn)為碼頭可支承脫軌后的起重機(jī).大車車輪制動器可能不能阻止大車行走方向的運(yùn)動，從設(shè)計(jì)角度而言，大車行走方向的荷載不應(yīng)根據(jù)車輪制動器的制動能力進(jìn)行折減.

抗震分析中，考慮的起重機(jī)荷載包括起重機(jī)恒荷載和臺車、提升系統(tǒng)和一半的額定吊載.考慮的起重機(jī)狀態(tài)為吊臂水平、吊臂揚(yáng)起4°角和吊臂完全揚(yáng)起狀態(tài).為滿足上述性能目標(biāo)，Liftech采用了以下設(shè)計(jì)方法：①地震下起重機(jī)可以傾覆；②保持結(jié)構(gòu)具有一定延性；③采用隔震裝置.

1) 運(yùn)行水平地震 運(yùn)行水平地震采用基于力的方法，內(nèi)力值為偶遇水平地震(EQC)與下式兩個(gè)組合的較小值(不同時(shí)出現(xiàn))，計(jì)算得到的應(yīng)力不應(yīng)超過AISC規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力值.對于吊臂舉起的狀態(tài)，臺車應(yīng)保持停放狀態(tài)且無吊裝貨物.另外，分析中應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)，按AISC規(guī)范驗(yàn)算板的屈曲.

式中:DL為起重機(jī)恒荷載重量，包括所有永久性附屬機(jī)械和設(shè)備的重量；TL為小車載重；LS為起升系統(tǒng)重量；LL為起升貨物重量；DLX為小車行走方向考慮1g加速度的恒載；TLX為小車行走方向考慮1g加速度的小車載重；DLZ為大車行走方向考慮1g加速度的恒載；TLZ為小車行走方向考慮1g加速度的小車載重.在分析中，小車應(yīng)處于最不利位置，還應(yīng)考慮所有前大梁的位置和起重機(jī)的高度，并且大車和小車行走方向的正向和方向均應(yīng)予以考慮.在車輪建模過程中，邊界條件應(yīng)能保證可以產(chǎn)生平行和垂直于大車軌道方向的拉力，即使在物理上可能是不可能的.如果主平衡梁銷升高超過20 mm，應(yīng)放松小車行走方向的約束，這樣設(shè)計(jì)略顯保守但比較合理.另外，所有通道、平臺、電梯、電纜和其他組件均需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以保證在運(yùn)行水平地震下不損壞.

當(dāng)作用在小車行走方向的側(cè)向水平地震力造成陸側(cè)立柱或者海側(cè)立柱升起時(shí)，會發(fā)生關(guān)于大車行走方向的傾覆；同樣，當(dāng)作用在大車行走方向的側(cè)向水平地震力引起左側(cè)立柱(“左”為向海)或右側(cè)立柱升起時(shí)，會發(fā)生關(guān)于小車行走方向的傾覆.在分析中，使起重機(jī)傾覆的側(cè)向水平力按沿起重機(jī)高度均勻分布考慮，不考慮振型.同運(yùn)行水平地震下的分析類似，計(jì)算得到的應(yīng)力不應(yīng)超過AISC 341規(guī)范規(guī)定的材料屈服應(yīng)力的90%，且分析中應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)，并應(yīng)按照AISC 341規(guī)范驗(yàn)算板的屈曲.另外，如果可將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為能夠繞大車行走方向或繞小車行走方向發(fā)生傾覆，那么不需考慮發(fā)生傾覆的方向上特殊抗彎框架的性能.

就“特殊抗彎框架”而言，對于小車行走方向上的荷載，應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)和非線性屈服，采用倒塌機(jī)制的方法(也稱為Pushover分析)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.在鋼構(gòu)件應(yīng)變不超過其屈服應(yīng)變6倍的情況下，在大梁處沿小車行走的正向和反向結(jié)構(gòu)可分別出現(xiàn)0.75 m的位移.起重機(jī)會在結(jié)構(gòu)屈服之前關(guān)于小車行走方向發(fā)生傾覆，因此不需要“特殊抗彎框架”承受大車行走方向的力.但是，應(yīng)將引起起重機(jī)關(guān)于大車行走方向傾覆的力乘以0.3，再與“特殊抗彎框架”在小車行走方向的力進(jìn)行組合.起重機(jī)的設(shè)計(jì)和分析應(yīng)參考AISC 341規(guī)范，采用FEMA 356的廣義力-位移曲線(見圖9其中的參數(shù)見FEMA 356)，計(jì)算應(yīng)力超過80%規(guī)定屈服應(yīng)力處應(yīng)使用厚實(shí)截面.當(dāng)計(jì)算表明無需延性屈服時(shí)，構(gòu)件設(shè)計(jì)的容許應(yīng)力宜取為90%的規(guī)定屈服應(yīng)力.所有連接屈服構(gòu)件(即“特殊抗彎框架”中設(shè)計(jì)成屈服的構(gòu)件)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)按屈服構(gòu)件的完全塑性強(qiáng)度的1.3倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全塑性強(qiáng)度取為1.15倍的實(shí)測屈服應(yīng)力.

圖9 鋼構(gòu)件或組件的廣義力-位移關(guān)系

圖10 Liftech隔震系統(tǒng)

另外，設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)采用隔振裝置阻斷碼頭與起重機(jī)的水平聯(lián)系，減小碼頭傳給起重機(jī)的地震力.隔振裝置在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為普遍，Liftech公司開發(fā)了一種設(shè)置在起重機(jī)立柱和大梁之間的隔震裝置，見圖10，但目前仍未有起重機(jī)采用這一裝置.圖11為設(shè)置在起重機(jī)底梁與平衡梁銷軸之間的一種較為常用的隔震裝置.較于常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)方法，采用隔震裝置的費(fèi)用比較高，但發(fā)生地震時(shí)起重機(jī)損壞的概率也小，同時(shí)起重機(jī)作用于碼頭結(jié)構(gòu)的力降低.如果隔震裝置是自恢復(fù)的，起重機(jī)可以在地震發(fā)生后立即恢復(fù)運(yùn)行，在這種情況下隔震裝置可能非常適合于大型起重機(jī).

圖11 底梁-平衡梁間的隔震裝置

3.3 抗震加固

前面的抗震設(shè)計(jì)方法基本上針對的是新造的起重機(jī)，如果港口在最可能發(fā)生的地震出現(xiàn)后大部分起重機(jī)不能運(yùn)行，有必要提高現(xiàn)有起重機(jī)的抗震性能.

1) 彈性傾覆 如果起重機(jī)門架的凈距可減小且可安裝支撐，那么將現(xiàn)有的起重機(jī)按可傾覆進(jìn)行加固比較合適.圖12為對一軌距為30.48 m的起重機(jī)進(jìn)行加固的示例.

圖12 增加門架支撐

2) 提高延性 通過增加起重機(jī)的剛度使其以延性的方式屈服是最簡單的加固方式，見圖13.當(dāng)對起重機(jī)的凈距有要求或增加門架支撐不可行時(shí)，這種加固方式是最合適的.

圖13 增加剛度

3) 安裝隔震裝置 在現(xiàn)有起重機(jī)上安裝隔震裝置是費(fèi)用最昂貴的加固方式，表5列出了不同抗震加固方案的優(yōu)缺點(diǎn).

表5 不同加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)

4 起重機(jī)-碼頭相互作用

港口起重機(jī)放置在碼頭上，而碼頭本身相對于地基也有水平運(yùn)動，地震對起重機(jī)的作用是通過碼頭傳遞給起重機(jī)的.關(guān)于起重機(jī)與高樁碼頭的相互作用，Jaradat等[13]對長灘港碼頭的非線性時(shí)程分析表明，起重機(jī)對于碼頭的作用類似于阻尼器，起重機(jī)會減弱碼頭的地震反應(yīng)；Shafieezadeh等[14]的研究表明，起重機(jī)不會在所有情況下都減弱碼頭的地震反應(yīng)，在有的情況下可能會加大碼頭的反應(yīng)；Priestley等[15]認(rèn)為地震作用下A形門架起重機(jī)對碼頭的位移反應(yīng)影響不大，可以忽略，但碼頭對起重機(jī)反應(yīng)的影響較大.因此，如果起重機(jī)的固有周期(振型參與質(zhì)量最大的振型的周期)小于2倍的碼頭彈性周期，應(yīng)考慮起重機(jī)-碼頭的相互作用.

目前的研究主要針對的是地震下起重機(jī)對碼頭的影響，而碼頭對起重機(jī)影響的研究不多.如果將碼頭和起重機(jī)看作是一個(gè)振動體系，文獻(xiàn)[16]認(rèn)為可采用下式計(jì)算的放大因子f放大起重機(jī)的加速度反應(yīng)(不考慮碼頭影響單獨(dú)計(jì)算)，以考慮碼頭對起重機(jī)的影響.

(5)

式中:T為起重機(jī)固有周期；Tw為碼頭固有周期；ζ為阻尼比，可取為0.05.

然而式(5)為線性單自由度體系在簡諧地面運(yùn)動作用下體系相對位移(相對于地面)與地面運(yùn)動的位移峰值的比值，將其用于加速度反應(yīng)的修正是不合理的，簡諧荷載下單自由度體系的加速度峰值與地面加速度的峰值之比應(yīng)采用下式計(jì)算[17]：

如果不考慮地震動并非簡諧荷載，而且起重機(jī)通常不是單自由度體系，那么在反應(yīng)譜分析中可以近似分別采用式(5)和式(6)考慮碼頭對起重機(jī)位移和加速度反應(yīng)的影響.另外，可近似參考長灘港碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范，認(rèn)為在起重機(jī)的固有周期小于2倍的碼頭的彈性周期時(shí)應(yīng)考慮起重機(jī)-碼頭的相互作用.

某碼頭及其上的集裝箱起重機(jī)示意圖見圖14.起重機(jī)軌距為18 m、基距為14 m，鋼結(jié)構(gòu)采用S355鋼.碼頭寬28.5 m，排架間距6.3 m，結(jié)構(gòu)段長度31.5 m.面板厚0.45 m，橫梁、前后邊梁及中縱梁高1.8 m、寬1.5 m；軌道梁高1.8 m、寬1.6 m.樁為鋼管樁，采用Q345鋼材.為研究碼頭對起重機(jī)的影響，考慮兩種樁型，一種直徑為550 mm、壁厚為9 mm，另一種直徑為800 mm、壁厚為10 mm.岸坡土為砂土，內(nèi)摩擦角為30°.

圖14 碼頭和起重機(jī)示意圖(尺寸單位：mm)

峰值地面加速度agR=0.20g，重要性系數(shù)γI=1.0，ag=γIagR=0.20g.場地系數(shù)S=1.15.采用1型水平反應(yīng)譜，TB=0.2 s，TC=0.6 s，TD=2.0 s，阻尼比取5%，反應(yīng)譜曲線見圖15.采用SeismoArtif軟件生成9條擬合于規(guī)范反應(yīng)譜的人工地震波，人工地震波的峰值加速度amax=agS=0.23g.圖15為由生成的人工地震波計(jì)算的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的比較.

圖15 規(guī)范反應(yīng)譜和人工地震波反應(yīng)譜

利用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000建立岸橋結(jié)構(gòu)分析模型(見圖16a))，采用軟件中的框架單元模擬岸橋鋼結(jié)構(gòu)，材料為彈性，邊界條件為約束支座處與地面相連節(jié)點(diǎn)的三個(gè)平動自由度及繞小車行走方向和豎向的轉(zhuǎn)動自由度.另外，建立碼頭-岸橋結(jié)構(gòu)分析模型(見圖16b))，將樁徑為550 mm的模型稱為岸橋-碼頭模型I，另一個(gè)則稱為岸橋-碼頭模型II；采用軟件中的框架單元模擬碼頭和岸橋結(jié)構(gòu)，考慮樁和土的非線性，但岸橋?yàn)閺椥裕吔鐥l件為約束所有樁端的平動和轉(zhuǎn)動，岸橋與碼頭通過支座連接，釋放連接處繞大車行走方向(碼頭縱向)的彎矩.人工地震波的施加方向與小車行走方向一致，研究這一方向上岸橋結(jié)構(gòu)模型和碼頭-岸橋結(jié)構(gòu)模型地震反應(yīng)的差別.

圖16 有限元分析模型

圖17～19分別示出了岸橋前大梁端部的位移時(shí)程(限于篇幅，僅給出3條波的結(jié)果)，圖中umax為峰值位移.由圖不難看出，由于碼頭的影響，同一地震波下兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果存在較大差別.

圖17 岸橋模型前大梁端部相對于地面的位移

圖18 碼頭-岸橋模型I前大梁端部相對于碼頭面的位移

圖19 碼頭-岸橋模型II前大梁端部相對于碼頭面的位移

表6為9條地震波下岸橋模型和碼頭-岸橋模型前大梁端部的位移umax，表中還給出了多條地震波結(jié)果的平均值以及岸橋-碼頭模型與岸橋模型的位移比值.由表6可知，樁徑為550 mm時(shí)，碼頭使起重機(jī)的位移減小18.9%；樁徑為800 mm時(shí)，碼頭使起重機(jī)的位移增大6.5%.

表6 不同地震波下岸橋前大梁端部的位移 m

假如不考慮時(shí)程分析中岸橋并非單自由度體系.根據(jù)岸橋模型和碼頭-岸橋模型的振型分析，可得T=1.99 s，樁徑為550 mm時(shí)，碼頭周期Tw1=1.10 s；樁徑為800 mm時(shí)，碼頭周期Tw2=0.76 s.按式(5)可得放大系數(shù)分別為0.44和0.17，這顯然與表6中的動力時(shí)程分析結(jié)果不符，因此將岸橋作為多自由度體系考慮時(shí)，不能采用式(5)或式(6)確定放大系數(shù).另外，樁徑為550 mm時(shí)，岸橋與碼頭的周期之比約為1.8，小于長灘港規(guī)范2倍的規(guī)定值，碼頭對起重機(jī)的影響較大；而樁徑為800 mm時(shí)，岸橋與碼頭的周期之比約為2.6，大于規(guī)范2倍的規(guī)定值，碼頭對起重機(jī)的影響不大，可見長灘港的規(guī)定是可以參考的.

5 結(jié) 論

1) 港口起重機(jī)作為保證碼頭正常運(yùn)行的重要大型設(shè)備，也應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以免遭地震破壞，并保證震后與碼頭一起快速恢復(fù)運(yùn)行.

2) 基于力的抗震設(shè)計(jì)方法目前仍是起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)采用的主要方法，這一方法計(jì)算較為簡便，但無法有效控制不同地震水平下起重機(jī)的反應(yīng)，將逐步為基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法所取代.

3) 對于抗震能力不足的起重機(jī)應(yīng)選擇合理的方案進(jìn)行抗震加固，安裝隔震裝置最為有效，但費(fèi)用較高.

4) 碼頭對起重機(jī)的抗震性能有一定影響，必要時(shí)起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮.

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Seismic Design and Retrofit for Harbor Cranes

GONG Jinxin GAO Shufei YAN Lulu QIU Jianlei WANG Weinan

(TheStateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

A review of seismic damages and failure modes for harbor cranes is conducted, and the seismic design and retrofit methods used in China and abroad are presented. A case study is implemented to investigate the influence of wharf structure on the seismic response of crane. It is shown that the force-based design method is dominant in the seismic design of cranes currently, while the performance-based design method has been gradually accepted in industry. For existing cranes with poor seismic performance, appropriate retrofit options should be adopted. It is also found that wharf structures may play an important role in the seismic response of cranes such that the influence of wharf structures should be addressed in the seismic design of cranes.

harbor cranes; seismic design; seismic retrofit; crane-wharf interaction

2016-12-17

*交通運(yùn)輸部項(xiàng)目資助(JTSBD201302130)

U653.921

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.014

貢金鑫(1964—)：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法