地震载荷下岸桥跳轨相似模型研究_李哲.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 湖北省教育厅科学技术研究项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 李哲 男博士讲师 年生 通信作者 叶方平 男博士讲师 年生 地震载荷下岸桥跳轨相似模型研究 李哲 叶方平 伍世英 李欢 长江大学机械工程学院湖北荆州 湖北工业大学机械工程学院武汉 摘要为了提高地震载荷下岸桥跳轨研究结果的准确率问题基于简化的岸桥跳轨运动方程推导了岸桥原型与 模型之间的相似关系建立了岸桥的动力学相似模型制作并开展了 岸桥比例模型的振动台试验研究了不同地震 波载荷条件下的试验模型监测点的响应值分析了不同工况条件下岸桥轮轨压力随时间变化的规律测试了岸桥比例模 型在振动试验中的跳轨响应结果最后结合有限元方法将试验结果与仿真结果进行了对比结果表明振动台试验中模 型跳轨响应结果与有限元仿真中出现的跳轨的情况吻合基于跳轨运动方程建立的相似关系是准确可靠的该研究为大 型结构相似模型设计提供了一种理论参考 关键词岸桥跳轨运动方程相似关系振动台试验 中图分类号 文献标志码 自日本神户港的集装箱码头及各类港口起重机遭 地震毁灭性的破坏以来相关学者开展了大量岸桥 地震方面的研究工作由于地震的不确定性及试验条 件限制使得对岸桥原型进行试验难以实现进行振动 台地震模拟试验通过控制系统施加各种模拟载荷激 励台上相似模型的响应再现岸桥的地震过程是目 前通行的方法 相似模型与原型之间存在着特定的相似关系使 其各种物理量及物理过程可以遵循一定的相似常数予 以反映而模型与原型相似率的高低则基于研究对象 物理量及物理过程的选取是否准确近年来国内 外很多学者设计制作了相似模型进行岸桥地震研究 但主要集中在岸桥上部结构破坏的研究 减隔振 装置开发 仿真分析验证 等方面 岸桥跳轨是跳起与脱轨的简称是指位于结构底 部的大车行走车轮在非正常工况下跳起而脱离轨道的 现象是现代化港口大型装卸设备在地震灾害中常见 ChaoXing 的破坏形式之一前期小型岸桥地震中跳轨没有对 码头地面或自身上部结构造成损害造成针对岸桥跳 轨的研究就稍显不足 等将岸桥结构简化 为单自由度系统模型首次分析了在单向水平加速度 激励下岸桥跳轨发生的过程及运动学方程将岸桥跳 轨发生的过程归结为门架向海侧倾斜陆侧车轮跳 轨海侧门腿变形加大陆侧门腿在轨道内侧着地并造 成门架弯曲变形个过程但过多的简化使得该理论 模型是否能够保证结果的准确性还需要进一步进行试 验检验 等设计制造了 的岸桥缩尺模 型将轮轨接触进形式行简化处理通过振动台试验研 究了岸桥边界状态对结构跳轨的影响规律然而影响 跳轨的因素很多诸如地震强度门腿刚度质心位置 等都没有进行相应的参数分析将行走机构与轨道的 接触简化为摩擦片的形式是否可行也没有进行试验探 究忽略平衡梁的作用也导致了结果的准确率大为降 低这些研究工作主要是对跳轨发生过程的简单定性 分析之后把研究重点放在了隔震装置的研发上而最 终没能给出岸桥地震跳轨研究结果准确率的评判 标准 对于岸桥这类巨型结构设计其大比例缩尺动力 学相似模型很难满足全部的相似条件且研究对象物 理过程复杂参与物理量多部分学者根据研究的侧重 点构建合适的相似关系实现模型与原型的近似相似 以满足其试验研究需求 而目前研究中尚未见 到针对岸桥地震跳轨现象而专门设计制作的相似模 型为此本文以某一码头大型岸桥原型为研究对象 首先对结构进行简化在此基础上建立了其跳轨的运 动方程根据方程中的相关物理量构建岸桥跳轨模型 与原型的相似关系进而推导了相似常数制作了缩 尺比为 试验模型保留了岸桥行走机构和轨道 使模型能准确模拟真实的边界条件提高研究结构的 准确率进行了振动台地震模拟试验记录了该模型在 不同地震作用下的跳脱轨响应同时采用 软件建立岸桥有限元模型并进行地震模拟分析将试验 记录与仿真结果进行对比结果表明振动台试验中模型 跳轨记录与有限元仿真中出现的跳轨的情况基本吻合 基于岸桥跳轨运动方程建立的相似关系是准确可靠的 研究能为大型结构相似模型设计提供理论依据 岸桥跳轨的运动方程 研究对象为 型岸桥海陆侧轨道相距 同侧行走车轮相距 全重 水平方向最大距 离 竖直方向最大距离 属于新一代大型岸 桥其主体结构由门框大梁拉杆等组成如图 所示 图岸桥结构示意图 岸桥结构简化 岸桥整体重量由位于门框底部下横梁上的个行 走机构支撑每个行走机构由平衡梁和一定数量的车 轮组成地震过程中地震波能量通过轨道传递至上层 结构岸桥正常工作时车轮沿着方向在轨道上来 回运行以适应集装箱船的泊点位置见图 图岸桥行走机构 岸桥车轮与轨道接触形成凹凸截面在方向 轮缘会起到一定位移限制作用如图所示 图岸桥轮轨接触示意图 前期的研究表明岸桥门腿在方向上垂直于轨 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 道方向的弯曲变形是地震中的主要耗能方式也是岸 桥模态分析中第一阶振型形态其质量参与系数达到 同时方向上岸桥门腿的位移响应占到结构最 大位移的综上所述对于岸桥的跳轨研究 可简化为单自由度的柔性体模型进行分析且整机在 方向上的刚度近似等于门腿刚度用集中质量代替整 机质量门腿质量相对整机质量很小最终简化为如 图所示的模型 图岸桥结构简化模型 岸桥门腿为柔性体其他杆件质心均设为刚体 取岸桥质量为 质心高度 质心与陆海侧车轮水平 距离分别为 和 陆海侧车轮处支反力分别为 和 门腿高度为 当岸桥受到方向加速度激 励时质心产生水平位移以海侧轮轨接触点为原点 对模型分析根据力矩平衡得 当陆侧轮压减小为时 即车轮脱离轨道 的临界值设 此时质心临界加速度 应为 式中的值相对较小在实际分析中可取 由式可知岸桥跳轨的临界加速度值与质心 距轨道的水平距离及质心的高度有关 岸桥跳轨运动方程分析 以图所示简化模型为基础结合岸桥地震响应 特点建立了岸桥的跳轨数学模型如图所示图 中为系统质量位于岸桥质心实际位置 及 分别为跳轨前后系统的刚度与阻尼 图岸桥跳轨数学模型 如图 所示岸桥系统加速度达不到跳轨临界 条件即 柔性门腿不会与轨道分离而是绕 发生弹性弯曲而使结构产生摇摆晃动使质心产生 水平位移岸桥系统在水平方向受到地震作用力 系统运动表现为单质点体系的受迫振动在 柔性门腿恢复力 的作用下根据达朗贝尔平衡 原理其运动方程可写为 令槡 分别表示系统频率和 阻尼比则式可以表示为 当系统加速度达到跳轨临界条件时即 时根据式此时质心位移应该为 忽略阻尼的作用此时可将质心位移作为岸桥跳 轨的临界条件 则有 如图所示当质心位移超过临界条件 点处 支反力 为零此时陆侧柔性门腿不再提供水平方向 刚度地震对岸桥产生的倾覆力矩完全由海侧柔性门 腿承担造成海侧柔性门腿弯曲变形加大整机绕点 发生摇摆陆侧车轮抬起与轨道分离 系统的摇摆会给质心造成额外的水平方向位移 可表示为 值较小时 故可写成 此时系统刚度变为 阻尼变为 令系统频率 槡 阻尼比 可得到系统在水 平方向运动方程 岸桥海陆侧门腿所用材料截面尺寸参数基本一 致所以两侧门腿的刚度接近相等跳轨发生时系统 的水平刚度只由海侧门腿提供变为原来的一半则有 槡 在转动方向上质心绕点转动的微分方程可 表示为 合并式式消 可得 令 槡 槡 代入式 摇摆结构的一侧支撑与地面分离后结构与地面 单侧接触结构的响应以自由振动形式为主外界的激 励对系统本身影响不大所以在陆侧车轮跳轨后 地震激励对岸桥系统的影响可以忽略故式可以 写为 第期李哲等地震载荷下岸桥跳轨相似模型研究 ChaoXing 式式即为岸桥跳轨前及跳轨中的简化运 动方程 岸桥跳轨相似设计 岸桥跳轨过程异常复杂只能建立简化的运动方 程基于该方程选取相关物理量确定相似条件构建 岸桥跳轨模型与原型的相似关系推导相似常数 式式经转换可表示为 遵循量纲协调原理以密度相似常数加速度相 似常数弹性模量相似常数以及尺寸相似常数 对式式中其他物理量进行替换并联立两 式得 式即为岸桥地震跳轨试验中物理量相似常数 需满足的相似要求依据实验室条件确定模型相似 常数见表所示 表模型相似常数 相似常数类别数值 几何相似常数 密度相似常数 弹性模量相似常数 时间相似常数 槡 频率相似常数 槡 质量相似常数 位移相似常数 速度相似常数 槡 加速度相似常数 应力相似常数 应变相似常数 重力加速度相似常数 相似模型的制作主要基于尺寸的相似常数与原 型结构一致主体结构采用不同截面尺寸的箱型梁圆 管焊接而成尽可能保留了结构中的铰接点如前大梁 与门框的铰接点拉杆与前大梁的铰接点等对于箱 型梁中的加强筋则采用强度等效的方法进行截面加厚 处理对于结构上附加机构的质量则采用集中质量单 元代替例如机器房楼梯等车轮和轨道平衡梁是 岸桥地震跳轨研究中关键环节在相似模型中必须要 体现出来以保证试验结果的准确率模型无法直接 与振动台连接需带轨道的刚性支撑来模拟港口地面 考虑到尺寸因素将行走机构简化成个车轮组平 衡梁见图所示 图振动台和相似模型 岸桥地震跳轨实验分析 仿真实验 在软件 中建立岸桥结构的有限元模型 见图 所示结构中主要构件比如门框横梁门腿 图岸桥有限元模型与测点布置图 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 大梁等都采用 单元车轮与轨道采用实体单 元机器房采用集中质量进行模拟图为结构测 点布置图模型试验传感器及有限元仿真实验监测点 均以此为参照选取 和 地震波加速度记录作为试验和仿真的 输入激励取 有效持时加速度峰值统一调整为 和 采样间隔 具体工况见 表所示 表仿真和试验工况 峰值地震波 峰值地震波 在仿真实验中通过轮轨接触测点的压力值来判 断车轮与轨道是否分离当测点压力值为或小于 时即判定此时发生车轮跳起现象其中陆侧车轮监 测点为 海侧车轮监测点为 图所示 为工况 波 下陆侧监测点 的压力 时程曲线在 和 时刻轮压值小于此时 判定陆侧车轮跳起 图工况下陆侧轮压值仿真 图所示为种不同工况下仿真实验中岸桥是 否跳轨实心符号表示未发生跳轨空心符号表示发生 跳轨 模型试验 振动台台面振动会造成模型跳起摇晃有可能导 致模型倒塌甚至从台面上跌落等事故因此在试验 过程中一旦观测到车轮与轨道分离就暂停振动台工 作在表所示不同的工况下分别进行了试验测试 并依次记录了模型是否发生跳轨在刚性支撑轨道上 安装了压力计以便在试验期间监测车轮对钢轨的作 用力图所示为在工况 波 的试验 中模型陆侧车轮处监测点 的压力值曲线图在 时车轮对轨道的压力值变为为记录的脱轨 时间车轮与轨道分离后试验立即暂停此后轨道压力 计压力值显示一直为在跳轨前车轮与轨道之间会出 现碰撞压力值会明显增大 图所有工况下岸桥跳轨记录仿真 图工况下陆侧 点轮压值试验 表显示了在不同工况下模型在试验中是否发生 跳轨为了保证测试结果的准确性每组工况下的试 验重复进行三次 表不同工况下下岸桥模型跳轨情况试验记录 工况 测试 未跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 跳轨 跳轨 未跳轨 跳轨 测试 未跳轨 跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 跳轨 跳轨 未跳轨 跳轨 测试 未跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 未跳轨 跳轨 跳轨 未跳轨 跳轨 工况 测试 跳轨跳轨跳轨 未跳轨 跳轨跳轨跳轨 跳轨跳轨跳轨 测试 跳轨跳轨跳轨 未跳轨 跳轨跳轨跳轨 跳轨跳轨跳轨 测试 跳轨跳轨 未跳轨 未跳轨 跳轨跳轨跳轨 跳轨跳轨跳轨 第期李哲等地震载荷下岸桥跳轨相似模型研究 ChaoXing 据表中记录所见在所有试验测试中唯有在工 况 波 和工况 波 下三次重复试验出现了不一致的结果其中工况 下分别为未跳轨跳轨未跳轨工况下分别为 跳轨跳轨未跳轨出现这种情况的主要因素为多 次试验后车轮与轨道会出现磨损导致轮轨的接触摩 擦因数改变且车轮轨道的微小变形也能导致接触形 式发生细微的变化 通过对比岸桥发生跳轨的试验记录和仿真结果 在组试验测试中仅有两次试验测试记录与仿真结 果不符分别为工况下的第二次试验测试和工况 下的第三次试验测试准确率高达 说明基于 简化岸桥模型的跳轨运动方程推导设计而来的相似 模型能准确预测原型地震激励下的跳轨响应 结论 大型岸桥的地震研究必须借助相似模型针对岸 桥的跳轨过程复杂参与物理量繁多的问题对岸桥结 构模型进行简化推导其跳轨运动方程以此为基础构 建了岸桥模型与原型的相似关系进而推导了相似常 数制作了缩尺比为 试验模型进行了振动台地 震模拟试验同时进行了有限元地震模拟分析结果 表明 缩尺比为 的岸桥相似模型能准确预测 原型地震激励下的跳轨响应 岸桥地震激励下的简化模型是合理的基于 此建立的跳轨运动方程是正确的能满足工程需要 基于运动方程来设计相似模型的思路在大型 岸桥相似模型设计中是可行的能为后续的研究提供 一个可靠的试验模型 参 考 文 献 李哲胡吉全王东地震载荷作用下岸桥结构单参数畸 变相似 模 型 研 究 振 动 与 冲 击 周颖吕西林建筑结构振动台模型试验方法与技术 北京科学出版社 李哲王贡献岸桥刚度畸变相似模型振动台地震模拟试 验研究 振动与冲击 金玉龙吴天行集装箱码头岸桥结构的动力相似分析与 试验验证 上海交通大学学报自然科学版 李哲王贡献胡吉全等基于惯性半径相似岸桥模型的 地震 试 验 振 动测 试 与 诊 断 李哲王贡献胡勇等改进的瑞利阻尼系数计算方法在 岸桥结构地震反应分析中的应用 华南理工大学学报 自然科学版