基于大型岸边集装箱起重机－码头非线性时程分析的抗震计算*

曾 鹏 郭新林 张 帅 王碧涛 林伟华

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘 要：以大型岸边集装箱起重机－码头为研究对象，运用有限元分析软件进行仿真建模，开展结构非线性时程抗震计算分析，以确定门框斜撑摩擦滑移抗震系统的触发力、岸边集装箱起重机主结构截面尺寸和板厚大小，保证了岸边集装箱起重机与码头作为一个整体时的抗震性能。

关键词：岸边集装箱起重机；码头；非线性时程分析；门框斜撑；摩擦滑移；抗震性能

中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）15-0062-05

0 引言

集装箱船舶大型化和自动化码头成为集装箱运输业的两大发展趋势，作为集装箱物流中的重要设备之一的岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）需顺势而为，一种具备起重量大、前伸距长、起升高度高、自动化程度高等特点的双小车双起升大型岸桥应运而生[1]。该岸桥项目位于美国长滩港，属于地震多发地区，对码头和岸桥的抗震要求都很高，即保证岸桥自身的抗震强度外，还需保证岸桥的地震响应不会对码头造成破坏，这就要求岸桥在地震过程中有足够的柔性，以降低岸桥对码头的影响。然而，岸桥抗震强度与码头所需的岸桥柔性有一定矛盾，岸桥过柔设计无法保证岸桥结构自身抗震强度，岸桥过刚设计则地震响应较大，易对码头造成破坏。为解决该问题，岸桥采用门框斜撑摩擦滑移抗震系统设计，在门框斜撑连接节点处设置有摩擦滑移抗震装置。当岸桥正常工作时，该抗震装置在摩擦力作用下保持不动，从而满足岸桥工作所需的强度和刚度要求；地震时，斜撑承受的载荷增大；当超出滑移装置的触发力时，斜撑连接节点发生摩擦滑动，整机由刚变柔，岸桥结构在地震过程中改变动力特性，降低岸桥对码头的地震作用，有效地降低岸桥轮压和防止抬腿。基于大型岸桥- 码头非线性时程分析的抗震计算分析与研究，将码头与岸桥作为一个整体，基于不同斜撑触发力的非线性时程地震计算结果，指导门框斜撑摩擦滑移抗震系统、主结构形式，主结构截面及板厚的设计，最终实现保护码头不被破坏的同时又能满足岸桥结构的抗震性能。

1 岸桥抗震计算分析现状

目前，各国的港口对于岸桥抗震计算分析的要求都不尽相同，大致可采用静力法、拟静力法（反应谱）、动力法（时程分析法）等[2]。静力法为参考当地的峰值地震加速度作为常值输入，地震载荷随时间动态变化的影响无法考虑。拟静力法则采用港口所在的地震反应谱，考虑了岸桥结构动力特性对地震动的放大作用，但结构非线性的影响并未涉及。时程分析法将历史发生过的地震载荷曲线作为地震计算分析的输入，能有效地反映出整个地震过程中岸桥的位移、内力、变形等地震响应结果，且可仿真出结构进入非弹性阶段的受力性能。岸桥结构固有周期、结构非弹性、阻尼等是影响岸桥抗震性能的主要因素，且在计算分析时也通常作为独立的对象进行研究。随着港口设备抗震要求的发展，一些港口要求将岸桥和码头作为一个整体进行考虑，此时研究的对象就由单一的岸桥变为岸桥- 码头。

2 岸桥- 码头抗振准则

文中所述大型岸桥位于美国长滩码头（ 简称POLB），为新一代自动化码头大型双起升双小车3E 级岸桥，其主要参数如表1 所示。主小车额定起重量为世界最大，可一次性装载4 个标准20 英尺集装箱，共计132 t，较常规双起升岸桥80 t 起重量的能力提升了60%。

POLB 地震设计要求在岸桥自振周期低于码头自振周期2 倍时，需进行岸桥- 码头相互作用的时程分析，但高于2 倍周期时则不考虑岸桥对码头的影响。码头的自振周期在0.6 0.97 s 之间，岸桥的自振周期1.5 s 左右，按码头上限周期0.97 s 时，岸桥自振周期低于码头周期的2 倍。因此，有必要开展基于地震作用下，岸桥-码头的非线性时程分析，以验证在岸桥与码头相互作用下的实际位移低于码头设计容许位移值，保证岸桥主结构与码头的抗震性能。

3 岸桥- 码头非线性时程分析

3.1 岸桥- 码头模型的构建

岸桥整机结构采用Ansys 有限元建模仿真，有效地反映出门框斜撑摩擦滑移抗震系统对于整机抗震性能的影响。岸桥模型可由5 种单元类型组成，箱体结构采用Beam 44 模拟（如立柱、上下横梁、联系梁、前后大梁等），圆管结构采用Pipe 16 模拟（如门框撑管、梯形架后撑管、后拉杆等），拉杆采用Link 8 模拟（如前拉杆部件），集中质量采用Mass 21 模拟（如机器房、滑轮组、张紧系统、电气设备等），门框斜撑摩擦滑移装置采用Combin 40 单元模拟 [3]。

码头模型则选取一段码头长度L（L ＝码头长度/岸桥台数＝ 61.8 m），以4 根超级管来代替该段码头的综合特性与刚度。超级管的位置由承重管与抗震管的位置决定。承重管为海侧前5 根，主要承担重力和不高于10% 的地震侧向力，陆侧两根为抗震管，如图1、图2所示。超级管位置yL ＝ 884 mm 与yw ＝ 20 086 mm 的计算公式为

式中：i 为桩管的排号（如S1、S2、G1 G5），ni为第i 排的桩管总数（码头长度L 内），Fi 为基于推覆曲线的第i 排桩管每根管的抗侧向力，yi 为第i 排桩管距最陆侧桩管的距离。

图1 码头横断面正视图

图2 超级管位置俯视图

码头自振周期的期望值在0.6 0.97 s 之间，这里以上限0.97 s 做抗震计算分析。同时，结合码头质量与超级管的推覆曲线, 如图3 所示，采用MPC 与Combin39 单元可构造出码头模型，调整模型刚度使得码头的自振频率满足0.97 s。

图3 码头推覆曲线

3.2 岸桥- 码头模型与约束

地震载荷有可能使车轮脱轨或滑移，但出于保守设计考虑，码头被认为有能力在X 向（小车运行方向）起到支撑，码头与岸桥在地震载荷下的响应作用也主要是X 向，Y 向（竖向）大车需考虑载荷过大引起的抬腿。当地震过程中出现负轮压时，码头对它的约束应释放。Z 向（大车运行方向）考虑大车滑行，Z 向力主要基于夹轮器的能力，取每个角60 t，当侧向力大于60 t 时，大车的约束释放。岸桥- 码头模型如图4 所示。

图4 码头—岸桥模型

3.3 门框斜撑摩擦滑移抗震装置设计

利用岸桥自身的门框斜撑结构，在斜撑与联系横梁的连接节点处增设摩擦型滑移抗震装置，如图5 所示。摩擦型滑移抗震系统是由摩擦副元件、压力保持元件与安全/ 复位装置三部分组成，安装在岸桥的门框斜撑结构的底部。摩擦副元件有摩擦铜板、不锈钢板、滑槽组成，并由压力保持元件压紧，以保持接触面的正压力和摩擦力；压力保持元件由高强度螺栓、碟形弹簧、螺母、垫片组成，通过碟形弹簧的作用保持螺栓的预紧力，从而保持接触面的正压力。安全/ 复位装置有长螺杆与螺母组成，可在岸桥因意外超载时起到限制保护作用，同时可将斜撑在震后快速复位。

1. 安全/ 复位装置 2. 滑槽 3. 螺栓 4. 螺母 5. 碟簧 6. 垫片 7. 摩擦片

图5 门框斜撑摩擦型滑移抗震装置

门框斜撑摩擦滑移抗震装置利用摩擦副元件作为触发和滑移部件，使斜撑管载荷在超出设定的触发力时，滑移即触发并在滑槽中滑动，滑动过程通过压力保持元件来保持设定摩擦力；反之，若斜撑载荷低于触发力时，滑动即停止。该系统的设计需考虑岸桥在地震过程中的动态响应特性，采用时程分析技术，同时结合当地的地震波曲线，如加速度与时间曲线输入至计算模型中，对岸桥的金属结构和摩擦型滑移装置进行设计分析和计算，确定合适的滑移摩擦力，并且根据岸桥的结构特点设计相应的安装位置及构造尺寸。

摩擦滑移抗震装置的触发力初定为不小于所有非地震工况计算所得最大载荷的1.25 倍，据此初值进行时程分析与调整优化，最终在此设定为300 t、350 t、400 t进行优化比较。滑移距离基于已确定的触发力和地震曲线，由计算所得的滑移最大值确定。

3.4 地震载荷

地震载荷选取当地若干组的地震加速度- 时间的曲线作为加载输入，开展岸桥- 码头抗震分析，一组载荷包括了3 个方向加速度- 时间的曲线 ：小车运行方向（X）、大车运行方向（Z）和竖向（Y），如图6 所示。为得到更合理和保守的计算结果，采用的地震载荷曲线建议不低于3 组。

图6 地震加速度- 时间曲线

3.5 分析内容和目标

基于地震载荷的作用下，计算出仅有码头时的最大位移量δ1，作为码头的容许位移值。此时码头参与地震分析的质量包括码头自重、4 800 Pa 设计活动载荷和5%岸桥自重载荷，共计7 520 t。然后，将码头自重与岸桥模型合为一体，计算出码头最大的位移量δ2，为码头的实际位移值。此时参与地震分析的质量包括码头自重、1 200 Pa 设计活动载荷和100% 岸桥自重载荷，总计6 480 t。本文中的大型岸桥自重取2 450 t。将计算得出的δ1 与δ2 进行对比，如果δ2 ≤ δ1，可认为岸桥在地震作用下不会破坏码头。在保证码头不被破坏的同时，还需评估各部件的应力响应值满足要求，两者均需兼顾。如果只有一个值能满足，则需调整滑移触发力进行复算，直至选出最为合理的触发力。触发力一定的情况下，结合不同的地震输入，选取最大的滑移距离作为最终的设计值。

3.6 分析结果

1）位移结果

这里列举基于一组地震载荷的时程分析结果，取岸桥与码头的4 个结合点为位移考察对象，仅有码头时的地震最大位移量δ1 为362 mm；将岸桥与码头一体考虑时，未采用门框斜撑摩擦滑移抗震装置时，δ2 为389 mm，大于码头容许位移值，不满足设计要求；但采用抗震装置时，位移值可下降29%，最大位移值为302mm，满足设计要求，有比较明显的减震效果。

2）滑移距离结果

滑移装置的触发力需根据计算不断调整到合理值，本项目岸桥最终采用的400 t 触发力能满足要求，既能保证岸桥在正常工作工况，超载工况以及暴风工况的刚性与强度，也能在地震作用下触发，有效隔离了岸桥地震响应对码头的影响，既能保证码头的地震位移小于容许位移值，也能有效地保护岸桥的主结构不被破坏。此时，最大滑移距离为237 mm，如图7 所示。设计时可适当放大，作为滑槽的设计距离。

图7 抗震装置的滑移曲线

3）应力水平结果

岸桥在地震作用下，联系横梁的主结构影响最大，如联系梁、海陆侧立柱、海陆侧下横梁。设计中增加抗震装置后，岸桥结构地震响应的应力大幅下降，提高了岸桥的抗震强度，各部件应力对比如表2 所示。

4 结束语

1）国内建筑抗震设计规范要求结构使用期间，小震不坏，中震可修，大震不倒[4]。港口给出的岸桥抗震要求普遍比较保守，基本都在结构材料的弹性阶段进行抗震设计。对于发生几率很低的大震，从经济性角度出发，建议岸桥满足大震不倒且可修，将材料的弹塑性与时程分析结合起来进行抗震分析，这样就可允许钢结构局部区域进入塑性，甚至是可维修的局部破坏。

2）在计算结构非线性地震响应时，时程分析对电脑硬件要求较高且非常费时，效率不高。Ansys 软件对于多载荷步，多单元的应力提取办法受限，暂无法得出各单元全地震周期的最大应力包络线，但可用多单元最大值的全时程曲线来代替，对于衡量各部件的应力水平很有帮助。

3）同一港口地区不可能发生两次完全相同的地震，应选取历史上多条地震时间与加速度曲线样本作为载荷输入，分别计算分析。岸桥抗震分析中宜采用3 5 个载荷样本，且均需满足所有的样本的抗震设计要求。

参考文献

[1] 符敦鉴. 岸边集装箱起重机[M]. 湖北：湖北科学技术出版社，2007.

[2] 刘育博. 基于simulink 的结构非线性地震反应仿真[D].重庆：重庆大学，2003(1)：1，2.

[3] 龚曙光.Ansys 操作命令与参数化编程[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

[4] GB 50011 － 2010 建筑抗震设计规范[S].

来源：起重运输机械