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岸边集装箱起重机地震实验系统优化及振动台试验研究
发布时间:2022-09-29 09:28:08 来源:雷火官方网站入口 作者:雷火电竞平台入口

  摘 要:由于大型岸边集装箱起重机更易在地震时发生损坏,对其进行地震研究提高其抗震性能是当前急需解决的问题。目前尚无法对大型岸边集装箱起重机原型进行地震动力学试验,数值仿真实验和缩尺模型试验是最常用的方法。为了顺利开展实验研究,必须要处理好数值仿真实验中模型的简化、边界约束的等效以及缩尺模型振动台试验中地震载荷输入优化等问题。为此,现以某大型岸边集装箱起重机为研究对象,针对这3 个问题展开了仿真实验与振动台模型试验综合对比分析,确定了岸边集装箱起重机实验系统的优化处理方式。

  0 引言由于集装箱运输使货物装卸效率得到了极大地提升,从而使其配套设施和各种装卸搬运机械也得到了相应的发展。岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)的大型化使其在提升装卸效率的同时自身潜在的危险系数也有所增加,现代超巴拿马型岸桥庞大的外形尺寸、超大自重、长悬臂、高重心、轮轨约束等特征更易遭受地震的破坏。通过对岸桥进行地震动力学方面的研究,才能预测其在不同地震载荷下结构大致发生破坏的部位,并以此为依据对结构中薄弱部位进行加固,提高自身抗震性能,避免地震来临时发生重大事故[2]。

  对这类大型结构进行地震实验研究通常无法进行现场试验,数值仿真实验结合缩尺模型试验是现在通用的方法。然而仿真模型一般都会对原型进行简化处理,比如采用梁单元或板单元代替实体单元进行有限元时程计算可大大缩短运算周期,对复杂的轮轨接触边界约束进行等效处理可降低仿真模型中非线性、过多耦合等因素产生的不利影响。在缩尺模型试验中,地震激励的输入模拟需要在综合考虑振动台性能参数及测试条件下进行优化。文献[3、4] 建立了大型岸桥结构的地震有限元仿真模型,将岸桥结构中各构件简化成梁单元、板单元、质量单元,基于该模型采用有限元软件Abaqus、Ansys对其进行一系列地震时程分析,对比仿真结果与采用实体单元建模计算结果发现其相似度高达90.2%,简化后的运算周期仅为之前的1/6。文献[5] 针对仿真分析中岸桥轮轨接触式边界约束难以模拟的问题进行多种约束模型的仿真实验分析,并对比了各种模型的适用特点。文献[6] 通过仿真实验对比了岸桥地震系统中常用的载荷输入方式,通过与缩尺模型试验结果对比分析了各种方法各自适用的条件,对岸桥地震研究的载荷输入模型进行了初步优化。文献[7、8] 探讨了通过仿真实验对岸桥结构的简化建模,建立了岸桥不同单元类型的有限元模型,采用Ansys 对其结构进行地震仿真分析,对比其不同单元类型模型得到的振型、频率及不同地震激励下岸桥结构的地震响应。

  本文以上海某港口大型岸桥为研究对象,对其结构进行简化处理并建立其仿真模型,采用摩擦接触模型代替岸桥边界约束,对地震波输入进行优化处理。在进行仿真对比分析后,设计制作了1:20 的缩尺模型并进行了相关振动台地震模拟试验,对优化后的岸桥地震模型系统进行验证。

  1 岸桥结构的简化处理及建模1.1 岸桥有限元模型单元处理选取上海某港口J248 型岸桥作为研究对象,其结构主要由门架、大梁、拉杆等组成,如图1 所示。在大型非线性仿真软件Abaqus 中按原型尺寸建立岸桥结构的有限元模型,设置材料为Q345 钢,弹性模量E =2.06×1 011 N/m2,泊松比μ = 0.3,密度ρ = 7 850 kg/m3。采用实体单元建立岸桥三维有限元模型,设为模型0。

  在仿真实验中,选用适当的结构单元会得到一个更经济的解决方案,用结构体单元通常需要的单元数量比实体单元少很多。对岸桥有限元模型进行优化处理,其中,门腿、立柱、门框上下横梁、前后大梁均采用梁单元进行建模;梯形架撑杆、门架撑杆、前后拉杆采用杆单元进行建模;机器房、运行小车及吊具、集装箱均简化为集中质量;岸桥前后大梁的连接、梯形架上横梁耳板与拉杆的连接、前后大梁耳板与拉杆的连接均通过释放对应节点处的转动自由度进行模拟;箱形梁中所布置的加强筋、隔板等部件在模型中以附加质量的形式均布到整结构中;岸桥台车系统的模型用相同长度及刚度的等效梁单元代替,设为模型1。建成后的岸桥有限元模型如图2 所示。

  对岸桥结构进行地震时程分析或试验测试不可能给出每一个点的结果,结合以往文献研究 [9],选取岸桥结构关键点编号及对应位置如图3 所示。

  1.2 地震时程计算对比测点加速度时程曲线可以作为岸桥地震载荷下的动态响应主要指标。在Abaqus 中对岸桥模型0 和1 进行地震时程计算,对比采用不同单元形式下的有限元模型地震时程计算结果。取工程中常用的地震加速度记录EL-Centro、Taft、Northridge、Kobe、San Fernando 作为输入,持续时间20 s,采样间隔Δt = 0.02 s。加速度峰值统一调整为0.2g ,输入方向为垂直于大车轨道方向(X 向)。在不同地震作用下,岸桥结构中测点A9 在20 s 有效持时间内的加速度时程响应见图4。在相同计算能力下,采用实体单元模型0 计算一条地震波时间平均为28 h,而采用结构单元的模型1 计算一条地震波仅为13 min。

  由图4 可知,模型0 与1 测点A9 的加速度时程曲线几乎一致,说明两种模型的岸桥地震响应一致,即将岸桥有限元实体单元优化处理为适当的结构单元(梁、杆、集中质量等)是可行的,在得到准确结果的同时极大地提高了计算效率。

  2 岸桥边界约束等效处理2.1 岸桥模型边界约束模拟在岸桥地震研究中,如果按轮轨边界约束建立其实体单元模型进行计算,不仅计算周期过长,且会因耦合问题而产生不利影响。根据研究目的不同,一些学者依据前期的研究成果将该模型简化为图5b 所示轮轨铰接模型和图5c 所示轮轨摩擦接触模型。

  岸桥模型边界约束模拟难点在于是否能够准确描述地震发生时岸桥的跳轨行为。在仿真软件中,通过释放铰接节点相应坐标的旋转自由度即可实现铰接模型的建立。当岸桥结构在地震激励下出现车轮与轨道分离轮时,铰接支座对车轮产生拉力,使得铰接模型无法模拟车轮跳起的过程。在仿真软件中,采用摩擦连接单元可建立岸桥轮轨摩擦接触模型,可模拟轨道对车轮的水平摩擦力和竖向支撑力,也允许车轮跳离轨道,从而实现车轮跳脱轨现象的模拟。

  (a) 轮轨边界约束 (b) 铰接模型 (c) 摩擦接触模型图5 岸桥轮轨边界约束及模拟模型示意图

  2.2 地震跳轨实验将前述5 种地震波分别设置4 种不同烈度水准,通过仿真实验模拟岸桥在地震激励下的跳轨情况。图6 为20 种不同实验工况下岸桥的跳轨统计,以轮压出现负值判断岸桥是否发生轮轨分离。对岸桥缩尺模型进行振动台地震模拟试验,将试验岸桥跳轨记录与仿真实验进行对比,探讨仿真软件中采用摩擦接触模型能否等效岸桥实际的边界轮轨约束。振动台台面剧烈振动容易引发模型倒塌或掉落等安全事故,故每当车轮与轨道分离以后就会暂停试验。表1 为本次试验中模型跳轨记录,以车轮偏离轨道为跳轨发生依据。

  图6 不同地震激励下岸桥跳轨情况(仿线 可知,试验跳轨记录与模拟仿线%,说明采用摩擦接触模型的仿真实验结果能准确预测岸桥地震跳轨行为,能较好地模拟岸桥地震激励下的轮轨接触边界约束。

  地震激励可以分解为空间坐标系中三个方向的地震分量,结合岸桥自身特点以及振动台性能,对地震输入进行优化可以降低试验中各种干扰,增强试验可控性。其中竖直方向地震分量(Y 向)可以看做对水平分量的增益,已经得到相关研究人员的验证[8],故本文只对水平方向的地震分量做比较。

  为了对比岸桥地震研究中两种水平地震分量对结构响应的影响程度,现采用Abaqus 对岸桥模型进行地震时程分析,将前述5 组地震水平加速度作为输入,分别输入调整后的水平单向(OX 向)、水平双向(OX+OZ 向)地震分量进行计算,提取结构各测点加速度时程响应值。图7 为单向水平地震作用和双向水平地震共同作用下,岸桥结构测点A9 的加速度时程曲线 可知,在双向水平地震共同作用下,各测点的加速度峰值、曲线 为水平单向地震作用和水平双向地震共同作用下岸桥结构不同位置的加速度放大系数包络线对比图,代表单向和双向的包络线几乎重合,可以认为在一般的岸桥地震研究中可用单向X 分量代替地震输入。在仿真分析中同时进行了空间三维地震(OX+OZ 向+OY 向)的输入,结果显示竖直方向的地震分量加大了结构主要振型方向的地震响应,在进行仿真实验及缩尺模型试验时,加大水平地震峰值即可达到同样的需求。所以,在进行缩尺模型振动台地震试验时可只考虑水平X 方向地震分量的作用,这样能大大降低实验成本。

  图8 加速度放大系数包络线)在岸桥地震实验中,仿真模型选用适当的结构单元建模可在大幅缩短实验周期的同时得到与实体单元相同的结果;2)采用摩擦接触模型能较好模拟岸桥地震激励下的轮轨接触边界约束;

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