吊运危险物品起重机械抗震性能研究

方 维 高 良 巩 锐

吊运危险物品起重机械抗震性能研究

方 维 高 良 巩 锐

（江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，无锡 214174）

本文参照相应的抗震研究规范和现有抗震研究方法，提出针对吊运危险物品起重机械抗震性能研究的设想。本文提出利用ANSYS谱分析技术将模态分析和地震反应谱进行耦合，并对研究过程的一些关键问题进行了阐述。通过研究起重设备在地震过程中动态响应，可以为起重机械相应的抗震设计内容提供补充，促使相关标准进一步完善，并通过分析结果，为震后有关起重设备的检测和修复提供一定的指导。

危险物品 起重机械 抗震研究 反应谱

引言

近代建筑结构的抗震研究从静力理论阶段发展到动力理论阶段，已经有了长足发展，而针对非建筑结构构件及其附属机电设备的抗震性能研究，却鲜有涉及[1]。非结构构件包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备自身及其与结构主体的连接。随着经济的发展,附属机电设备附加值不断提高，对于这些附属设备，地震引起设备损坏造成的经济损失已经很大，而对于某些特殊用途的设备，其抗震设防标准不仅要做到大震不倒，还要做到在大震时不丧失其基本功能，防止发生严重的次生灾害[2]。

1 起重机械抗震性能研究方法

我国大多数起重机制造厂家未专门针对起重机的抗震性能进行设计计算，也无相应的行业标准或规范。现有的大多数研究都是依据《建筑抗震设计规范》，针对塔式起重机、核电厂专用起重设备等进行地震响应研究，且大部分研究集中在设备线性阶段的动态特征，对非线性阶段设备的地震响应分析很少，对于吊运危险物品（熔融金属、危化品等）起重设备的抗震研究领域存在大量的空白。

起重机设计规范GB3811-2008规定：“地震载荷一般不考虑，对于在地震区工作的起重机可以根据订货单位要求，考虑地震水平载荷。地震水平载荷按有关地震规范确定[3]。”

交通部水运司制定的《港口起重运输机械设计手册》中规定，安装在震区的大高度起重机（特别是固定塔式起重机）必须考虑水平作用的地震载荷[4]。地震载荷PE=k1×G，其中G为起重机自重载荷；k1为地震载荷系数，与地震烈度有关。

表1　地震载荷系数

在计算地震载荷时，起重机处于无风空载静止工况。地震载荷所产生的水平加速度，抵抗驱动车轮与轨道之间摩擦力或制动转矩。此方法简单易行，但对分析的主体系统过度简化，忽略了地震对起重设备的响应是一个时间过程，分析结果在某些情况下存在较大的误差，不能准确反映系统的动态响应。

上海交通大学金玉龙博士以岸桥起重机的减震控制为目标，通过数值仿真和振动台试验研究了岸桥起重机在不同工况、有无隔振系统和不同地震激励下系统的动态特性和地震响应；制造岸桥1:50的等效试验模型，利用锤击模态试验在振动台上模拟地震输入，对系统的动态特性和地震响应进行对比分析。同时引入了可靠性理论，对该岸桥结构的抗震可靠性进行了综合评估[5]。

大连理工大学的杨郁青对某型号核级燃料操作门吊进行静力学动力学研究，在不同工况下得到结构在地震载荷作用下危险处的位移、应力等参数，并根据《EJ-T801-93核电厂专用起重机设计准则》对其结构的抗震性能进行校核[6]。

烟台大学的曲淑英等人考虑局部动力效应的影响和不同标高出系统加速度谱值的变化，推导了大型环形起重机设备在地震作用下的地震响应计算公式，并编制计算程序，对比分析了局部动力及加速度谱值变化对系统的影响[7]。咸阳师范学院的吉军等人在ANSYS中建立塔式起重机的有限元模型，并编制了地震反应谱，对塔机进行了地震谱分析[8]。大连重工集团的吕宏以核电环行起重机为例，基于美国ASME NOG-1-2004标准提供的有限元反应谱分析方法,介绍了反应谱法在核电起重机抗震计算中的应用[9]。

根据《核电厂抗震设计规范》对核电厂I类设备进行抗震计算时，可采用动力分析方法，及反应谱法和时程法；也可以采用静力法，但必须充分证明是偏于安全的时候才可以选用。对各设备地震响应分析中一般采用确定性的线性分析方法，某些弱非线性性状，可以在系统中利用较大的阻尼比进行等效。因而在起重设备的抗震分析中，从计算结果的有效性和经济性考量，可以将结构看成线性系统，采用线性分析方法，而且在设计分析中仅需关注结构的反应最大值（应变和应力等），因此可以选用反应谱法对其进行分析[6]。

本文提出利用ANSYS软件谱分析技术，将模态分析和地震反应谱进行耦合，针对吊运危险物品起重机械进行静态和动态特性分析，确定地震载荷下起重机械结构的动态响应。参照现有其他设备的有关规范，对起重机的安全性进行校核，对提高设备的抗震性能提出相应的解决办法。希望通过本课题的研究，为通用起重机械的抗震设计内容提供补充，促使相关标准进一步完善，并通过分析结果，为震后有关起重设备的检测和修复提供一定的指导。

2 关键问题分析

（1）地震输入。地震反应谱的曲线形式有加速度—周期和位移—周期两种，纵坐标的加速度和位移是结构在相应周期或频率下的最大值，称为地震设计反应谱。任何分析过程必须输入与结构体系相适应的地震设计反应谱曲线，才有可能求得准确的结果。由于地震地面运动的特性受许多因素的影响，在不能直接获得当地地震中加速度或反应谱的前提下，如何通过现有的地震记录仪采集到的地震加速度或位移记录来确定设计地震反应谱，是求解地震响应的一个重要问题。

（2）模型的简化。吊运危险物品起重机的大小车架一般均为箱形梁结构，在ANSYS中可以采用梁单元或板单元进行模拟；定滑轮、动滑轮、减速器、电机等可作为集中载荷（质量点）处理并耦合在附近的节点上；钢丝绳可采用抗弯模量较小的梁单元进行模拟，弹性模量按实际钢丝绳选取；起升载荷可以视为集中载荷并与钢丝绳节点进行耦合。对应不同的具体的起重机结构形式需要采用合理的简化方法，保证建模的准确性与经济性。

（3）载荷组合与工况选择。起重机的计算载荷由基本载荷和地震载荷组合而成，基本载荷又分为空载、满载两种情况；而小车与起升载荷的位置组合对起重机结构的响应和支撑结构的响应有直接的影响，当小车位于跨中和跨端两个位置时，应分别与起升载荷处于上下极限位置进行组合考虑。需要综合考虑地震对结构造成的最大响应，根据所列工况进行组合分析，以期得到全面的分析结果。

3 结束语

通过研究吊运危险物品起重设备在地震过程中动态响应，根据分析结果可以就如何避免其在地震中出现结构破坏，提高设备的抗震性能提出相应的措施，预防次生灾害；同时可以补充起重机械的抗震设计内容，促使相关标准进一步完善，分析结果也可以为震后起重机械的检验检测和修复提供一定的指导。

[1]高小旺，龚思礼，苏经宇，等.建筑抗震设计规范理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]秦权，聂宇.非结构构件和设备的抗震设计和简化计算方法[J].建筑结构学报，2001，（3）：15-20.

[3]中国标准出版社编.GB3800-2008，起重机设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]交通部水运司.港口起重运输机械设计手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]金玉龙.集装箱岸桥结构的抗震分析与隔震研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[6]杨郁青.门式起重机模态分析及抗震性能分析[D].大连：大连理工大学，2000.

[7]曲淑英，王心健，吕永高.大型起重机械的局部抗震分析[J].煤矿机械，2002，（4）：36-37.

[8]吉军，张辉，刘紫玉.塔式起重机的地震谱分析[J].咸阳师范学院学报，2009，（4）：19-22.

[9]吕宏.核电起重机的抗震计算[J].起重运输机械，2010，（1）：14-16.

Assumption of Seismic Behavior of the Lifting Ma chinery for Lifting Hazardous Goods

FANG Wei, GAO Liang, GONG Rui
(Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection,Wuxi 214714)

This thesis presents the assumption of seismic be havior of the lifting machinery forlifting hazardous goods, referrin g to existing norms and methods of seismic research. In this thesis, the modal analysis and seismic response spectrum are coupled by using ANSYS spectrum analysis technique, meanwhile, some key issues of the research are also discussed. Through studying on dynamic response of the lifting machinery during earthquake, th e assumption provides additional content for seismic design, promp ts further improvement for relevant standards, and offers guidance f or detection and repair of lifting equipments after earthquake by an alyzing the results.

hazardous goods, lifting machinery, seismic research, response spectrum