石瑾 呂海濤 尼瑪扎西

摘 要：地震的不可預(yù)測性給人類社會帶來了極大的災(zāi)難，地震帶上存在有當今最為繁忙的港口，而港口中岸橋設(shè)備較為集中，這些岸橋不僅是各國進行貿(mào)易運輸?shù)闹鲃用}，而且是進出口貿(mào)易基地不可或缺的裝卸機械。本文對抗震理論的發(fā)展進行了簡要的介紹，并對國內(nèi)外岸橋多種抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了介紹，并指出當前研究存在的不足以及發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：地震；岸橋；抗震；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：U653.92 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0062-02

1 引言

隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，各國國際貿(mào)易額逐年增長，而海洋面積占地球面積的70%，國際貿(mào)易絕大多數(shù)是通過海運業(yè)務(wù)實現(xiàn)的[1]。在強勁的海運需求刺激下，集裝箱和散貨運輸?shù)陌l(fā)展十分迅猛。集裝箱碼頭岸邊裝卸起重機（岸橋）是當今全球用來裝卸整箱貨物的主流裝備，這種設(shè)備不僅在大型港口的使用率高、應(yīng)用廣，而且在一定程度上決定了船舶、港口、航道等的格局，促進了全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展[2]。早在20世紀50年代末，美國一公司研制成功了世界上首臺岸邊集裝箱起重機，經(jīng)過多年的發(fā)展，起重機不斷地更新?lián)Q代，集裝箱碼頭岸邊裝卸起重機正朝著自動化、高速化、大型化和智能化發(fā)展[3]。

就目前的科研成果而言，主流研究方向多集中在重力壩、橋梁及高層建筑等的動態(tài)地震分析和結(jié)構(gòu)建模，而對岸橋的研究則明顯不足[4]。本文主要針對岸橋起重機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了分析，為岸橋起重機抗震裝置的選型和設(shè)計提供必要的理論依據(jù)。

2 國內(nèi)外岸橋起重機抗震研究

地震的不可預(yù)測性給人類社會帶來了極大的災(zāi)難（人員的傷亡和財產(chǎn)的損失）。而我國地處全球最為活躍的兩大地震帶：環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶，是世界上受地震災(zāi)害最為嚴重的國家之一[5]。這些地震帶上存在有當今最為繁忙的港口，而港口中岸橋設(shè)備較為集中，這些岸橋不僅是各國進行貿(mào)易運輸?shù)闹鲃用}，而且是進出口貿(mào)易基地不可或缺的裝卸機械。因此，在地震過后，這些岸橋仍能保持裝卸能力，即要求岸橋具有抗震設(shè)計，對于救災(zāi)而言就具有極為重要的作用。

隨著科學技術(shù)的進步，人們對于抗震理論的研究也在不斷發(fā)展和完善，抗震設(shè)計理論發(fā)展經(jīng)歷了以下四個階段[6]：（1）靜力理論階段：靜力理論起源于意大利，而在日本實現(xiàn)了快速發(fā)展，靜力理論通過求解各質(zhì)點在地震作用下的最大值，在結(jié)構(gòu)上施加后，按照靜力分析法則求解出地震響應(yīng)，但是該方法并沒有考慮隨著時間變化，地震作用的變化，因而該方法求解出的準確度較低，不適用于柔性結(jié)構(gòu)，即便如此，該理論也具有劃時代的意義；（2）反應(yīng)譜理論階段：M.A.Biot利用已有的地震記錄計算反應(yīng)譜，使得抗震研究得到了重要的發(fā)展，從而進入反應(yīng)譜理論階段，美國學者于50年代繪制了反應(yīng)譜曲線，從而完善了該理論，該理論是由單自由度理論發(fā)展而來，而后發(fā)展到多自由度理論階段，也稱為振型分解反應(yīng)譜理論，同時，該理論從只能求解彈性階段發(fā)展到塑性階段求解，20世紀初，我國學者修正了反應(yīng)譜理論，該理論使得十分復(fù)雜的地震響應(yīng)問題的求解變得簡單；（3）時程分析階段：20世紀60年代，隨著大量的地震記錄的積累，人們把地震波輸入結(jié)構(gòu)動力方程，然后通過積分法求解地震響應(yīng)和地震作用，即時程分析法，該分析法考慮到了地震三要素（頻譜、幅值和持時），同時該方法能夠求解出各種反應(yīng)量，以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的全過程，但該方法的前提是構(gòu)建構(gòu)件的非線性恢復(fù)力模型；（4）隨時振動理論階段[7]：該理論目前并未完善，尚需進一步研究，應(yīng)用隨機振動的過程來統(tǒng)計分析地面運動的相關(guān)資料，隨即提出了函數(shù)和模型，該方法不僅考慮到了隨機性的地面運動，而且考慮到了多點激勵、波的特性和非一致激勵，該方法的優(yōu)點在于：消除地震波波形的影響，而其缺點在于：計算耗時大，計算量驚人，數(shù)學模型復(fù)雜。

岸橋抗震裝置一般具有四大功能[8]：觸發(fā)功能、滑動功能、衰減功能、復(fù)位功能。這四個功能為基本功能，可根據(jù)實際情況任意組合，來構(gòu)成不同的抗震裝置。上海振華重工有限公司[9]于2006年設(shè)計制造的全球第一臺雙偏心回轉(zhuǎn)支撐式隔震裝置的岸橋，其自身體積巨大、重量重，而同時要達到很好的減震效果，所以其對阻尼裝置和減震彈簧的要求很高，雖然最終解決了該問題，但成本很高，降低成本成為其后續(xù)推廣應(yīng)用的主要方向，必須對減震系統(tǒng)進行相關(guān)改進。楊郁青[10]通過有限元分析計算，算出了地震載荷下，門式起重機小車位于不同位置時的最大應(yīng)力、最大結(jié)構(gòu)位移、小車車輪和軌道間的作用力。通過計算發(fā)現(xiàn)，在地震作用下，起重機的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力、最大結(jié)構(gòu)位移在規(guī)定范圍內(nèi)，小車性能及門架支撐結(jié)構(gòu)能夠保證性能完整。吉軍[11]等，通過時程分析法和振型分解反應(yīng)譜法對地震條件下的塔式起重機結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)響應(yīng)研究，通過ANSYS實現(xiàn)了8級地震下塔式起重機的時程分析和地震譜分析。研究表明：塔臂受損最為嚴重，塔臂斷裂是由豎向地震造成的。李增光[12]通過有限元軟件構(gòu)建了環(huán)形吊車結(jié)構(gòu)模型，以40米處高的安全殼作為地震反應(yīng)譜，計算了環(huán)形吊車結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。計算表明：地震條件下，環(huán)形吊車垂直應(yīng)力響應(yīng)和垂直位移較小，但水平應(yīng)力響應(yīng)和水平位移較大，環(huán)形吊車結(jié)構(gòu)可以滿足抗震設(shè)計的要求，最大應(yīng)力值小于材料的屈服強度。張海軍[13]對地震條件下的塔式起重機的變形情況和內(nèi)應(yīng)力情況進行了分析，分析結(jié)果表明：在滿載條件下，當鋼索長度在最有利范圍內(nèi)，地震對塔式起重機的影響最小，該研究結(jié)果為應(yīng)急處理提供了很好的建議。日本Sugano T.等[14]通過縮小比例，對岸橋設(shè)計了具有滑移機制的抗震裝置，通過多次試驗，得到了抗震裝置開啟和關(guān)閉時，岸橋結(jié)構(gòu)的地震特性。研究表明：當抗震裝置開啟后，不同結(jié)構(gòu)處的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)均明顯減少，抗震效果顯著。隨后通過有限元模擬進行驗證，得出的結(jié)果與實驗結(jié)果具有一致性，進一步說明了該設(shè)計的合理性。Shibakusa T.等[15]設(shè)計了一種疊層橡膠抗震系統(tǒng)，專門用于避免岸橋大車跳軌和構(gòu)件損壞現(xiàn)象的發(fā)生。該設(shè)計能夠使得岸橋在地震條件下，延長其結(jié)構(gòu)部分的固有周期，并能阻止地震能量的向上傳輸。Marano K.等[16]設(shè)計出了搖擺式抗震系統(tǒng)，并構(gòu)建了兩種有限元模型，分析比對其在不同地震震級下的抗震特性。計算表明：通過設(shè)計合理的阻尼參數(shù)，搖擺式抗震系統(tǒng)能夠?qū)δＰ团まD(zhuǎn)形態(tài)進行阻隔，且該種設(shè)計更為簡單有效。

3 結(jié)語

雖然在相關(guān)領(lǐng)域，國內(nèi)外學者取得了一定的成績，但是多數(shù)學者僅從結(jié)構(gòu)靜強度這方面考慮岸橋的抗震計算，對于地震動態(tài)破壞行為和震后岸橋設(shè)備損害形式了解不足。前人的研究存在很多不足，如：岸橋結(jié)構(gòu)的縮比模型設(shè)計尚需討論、缺少極限狀態(tài)下岸橋結(jié)構(gòu)抗震分析數(shù)據(jù)、缺少非線性岸橋結(jié)構(gòu)抗震模型的分析等。在這些方面，我們尚需加強研究。

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