门式起重机抗震分析

武世靖

（太原重型机械集团有限公司， 山西 太原 030024）

引言

本文对某60 t 门式起重机进行分析，该门机用于将设备在两个工位之间进行转运。为精确地了解该门机在技术规格书中要求的地震设防烈度为7 度时的抗震性能，确保设备的安全与稳定，参照GB/T 3811《起重机设计规范》[1]、ASME《桥式和门式起重机制造标准》[2]，采用反应谱法[3]，应用有限元分析程序对60 t 门机进行地震载荷下多种工况组合的动态反应分析。

1 力学模型的建立

本次分析计算的60 t 门机主要包括桥架、小车、大车运行机构、起升机构等。桥架及小车采用刚性框架焊接结构。

在建立力学模型时，选用三维梁单元BEAM188、质量单元MASS21 和模拟绳索的单元LINK180 作为基本单元，根据结构实际位置、截面特性及重量分布情况建立有限元模型如图1、图2 所示。起吊位置为标高17 m 处。模型中X方向为60 t门机主梁长度方向，Y方向为大车运行轨道方向，Z方向为竖直方向。

图1 60 t 门机抗震分析有限元模型（不显示梁截面）

图2 60 t 门机抗震分析有限元模型（显示梁截面）

根据实际工况，60 t 门机大车与轨道间的连接采用简支（即图1 中车轮1 处约束其X、Y、Z三个方向的位移自由度，车轮2 处约束其X、Z两个方向的位移自由度，车轮3 处约束Z向位移自由度，车轮4 处约束其Y、Z两个方向的位移自由度）。模拟起升钢丝绳的LINK180 单元参数设定为只承受拉力，不能承受压力。

该门机门架选用材料为Q345D。弹性模量E 均为210 GPa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×103kg/m3。钢材的屈服极限σs及强度极限σb如表1 所示。按照该门机技术规格书及GB/T 3811 中对结构件材料许用应力的要求，门架各构件在设防地震工况下的应力应小于216 MPa。

表1 钢材的力学特性 MPa

根据该门机技术规格书中的抗震要求，采用反应谱法，对其进行自重及设防地震载荷作用下的结构响应分析。计算得到门架各部件的应力、位移、轮压等结果。选取门机结构前100 阶固有频率和振型进行计算，以确保谱分析中结构的各阶总模态参与质量系数达到90%以上。其中反应谱分析时的各阶模态组合方式为CQC 方法，即完全二次项组合法，其考虑了振型阻尼引起的邻近振型间的耦合效应，在抗震设计规范中被广泛使用。

参照GB/T 3811 和ASME《桥式和门式起重机制造标准》，在设防地震（SSE）载荷下，按空载和临界载荷（60 t）进行载荷工况组合。建立载荷工况组合表如表2 所示。表中，PG代表门机自重，约87 t；PQ代表吊重临界载荷（60 t）；PSSE为设防地震载荷，即X、Y、Z三个方向的地震加速度。

表2 60 t 门机载荷工况表

2 地震响应计算结果

60 t 门机主要部件在7 度设防地震（SSE）多种工况下最大位移值见表3。由计算数据可知，在7 度设防地震（SSE）多种工况下，门机主梁最大位移响应为19.12 mm，端梁最大位移响应为17.91 mm，门腿最大位移响应为23.71 mm，下横梁最大位移响应为24.45 mm。

表3 地震载荷工况下60 t 门机各主要部件最大位移响应值

60 t 门机主要部件在7 度设防地震（SSE）多种工况下的最大应力响应列于表4。

由计算结果可知，在7 度设防地震（SSE）载荷工况下，门机主梁最大应力响应为56.57 MPa，端梁最大应力响应为10.03 MPa，门腿最大应力响应为61.13 MPa，下横梁最大应力响应为16.08 MPa。依据表1 中材料参数可知，60 t 门机在地震工况下各主要部件最大应力均满足要求。

表4 60 t 门机主要部件最大应力响应结果汇总表 MPa

60 t 门机在7 度设防地震（SSE）多种工况组合下的最大车轮力响应列于表5。

由计算结果可知，在7 度设防地震（SSE）工况下，60 t 门机大车车轮最大垂直车轮力为465.24 kN，大车水平X向最大车轮力为34.09 kN，大车水平Y向最大车轮力为73.29 kN。

表5 60 t 门机地震工况下大车车轮力结果汇总表 kN

应用上抛力计算公式F=FDZ-FJZ所求得的起重机车轮上抛力F汇总于表6。由计算结果可知，在7度设防地震（SSE）载荷作用下，门机大车车轮最大上抛力为-122.48 kN，即无上抛情况发生。

3 结论

表6 60 t 门机SSE 工况下，大车车轮上抛力汇总表 kN

对60 t 门机在7 度设防地震载荷作用下，按空载和临界载荷（60 t）进行载荷工况组合，分别进行地震反应谱分析，由分析结果可知：

1）门机主梁最大位移响应为19.12 mm，端梁最大位移响应为17.91 mm，门腿最大位移响应为23.71 mm，下横梁最大位移响应为24.45 mm。

2）门机主梁最大应力响应为56.57 MPa，端梁最大应力响应为10.03 MPa，门腿最大应力响应为61.13 MPa，下横梁最大应力响应为16.08 MPa。依据表1 中材料参数及应力限值可知，60 t 门机在地震工况下各主要部件最大应力均满足要求。

3）门机大车车轮最大垂直车轮力为465.24 kN，大车水平X向最大车轮力为34.09 kN，大车水平Y 向最大车轮力为73.29 kN。车轮力数据可作为进一步分析校核大车车轮及轨道强度的参考依据。

4）门机大车车轮最大上抛力为-122.48 kN，即无上抛情况发生。

通过本文分析可知，此门机在地震载荷作用下，强度刚度均满足设计规范及技术规格书的要求且不会发生上抛现象。