集装箱岸桥结构的抗震分析与隔震研究

摘要

地震灾害的频繁发生，给人们带来了极大的生命和财产损失，同时也加剧了结构抗震研究的紧迫性。全球多数重要港口、码头均处在地震多发带上，位于码头上的各类大型桥式装卸机械既是保证港口贸易高速发展的基础，在各类自然灾害中又是大宗救援物资的重要通道。目前，针对大型工程结构的建模和动态地震分析方面已有大量的研究成果，但这些成果多集中于高层建筑、重力坝及公路桥梁，对于港口大型桥式装卸机械的研究则尚显不足。
　　 本文以集装箱码头岸边装卸起重机（简称岸桥）为研究对象，以岸桥起重机的减隔震控制为目标，通过数值仿真和振动台试验研究岸桥起重机在不同工况、不同地震激励下的动态地震行为。
　　 具体来讲，本文所开展的研究内容及获得的主要结论如下:
　　 (1)对不同工况、不同地震激励下的岸桥结构进行了静载分析、反应谱分析以及动力时程分析，全面分析了岸桥结构的动态特性及地震行为。研究结果表明，在各种情况下，岸桥自身具有相对较大的地震抵抗力，且整体稳定性较高，能够满足基本烈度下（7度）的抗震设计要求。
　　 (2)根据可靠性相关理论，完成了岸桥结构的可靠度分析模型的构建，采用极限状态法计算岸桥结构在地震作用下各危险截面处的失效概率Pf与可靠度指标β。计算结果发现:各危险截面在7度基本烈度下的失效概率不是很大，且可靠度指标均大于零。相比较而言，由于考虑了载荷分项系数对结构的影响，采用极限状态法计算得到的可靠度指标要低于采用许用应力法计算得到的可靠度指标。
　　 (3)通过仿真对比计算研究了岸桥结构在有无隔震系统下的动态特性和地震响应。计算结果表明:当施加隔震系统后，岸桥各关键位置的地震响应幅值均发生了明显的降低，减隔震效果明显。此外，构建了具有隔震系统的岸桥可靠度分析模型，仍采用极限状态法对其抗震可靠性进行分析。研究发现:当施加隔震系统后，岸桥结构各关键位置的可靠度均明显提高。
　　 (4)基于模型的动力相似理论，设计了岸桥结构的1∶50缩比模型。通过与原型计算结果的对比可以发现:1∶50缩比模型能够准确地预测出原型结构的动态特性与地震行为。
　　 (5)加工制造了岸桥起重机1∶50缩比模型的试验模型及其相应的隔震装置，利用锤击模态试验和LDS振动台试验获取了模型在有无隔震装置下的动态特性和地震响应。结果表明:试验模型的设计较为准确，能够反映出实际结构的动态特性和地震行为;在加速度峰值为0.1g的地震波作用下，岸桥结构的受力性能表现为弹性;当隔震装置开启后，各测点应变响应的幅值以及加速度响应的幅值均有明显的降低，隔震装置设计合理、准确，减隔震效果明显。
　　 (6)在考虑材料塑性变形的情况下，通过数值仿真分析了结构在7度罕遇和8度罕遇地震作用下的动态响应。计算结果表明:7度罕遇地震作用下，各测点的最大应力值均小于材料的屈服应力345 MPa，结构处于弹性状态，但此时部分工况的底部大车已经发生了跳轨、失稳的现象;8度罕遇地震作用下，部分测点的最大应力值已大于材料的屈服应力345 MPa，结构部分构件或截面已进入塑性状态，海、陆侧大车的底部已完全脱轨。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景、意义和课题来源

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．1．3 课题来源

1．2 地震灾害及抗震设计理论的发展

1．2．1 地震灾害

1．2．2 抗震设计理论的发展

1．3 国内外相关领域的研究现状

1．3．1 岸桥起重机自身特性的研究

1．3．2 岸桥起重机地震特性的研究

1．3．3 岸桥起重机减隔震设计的研究

1．3．4 其他大型起重机地震特性的研究

1．3．5 现有研究的不足之处

1．4 论文的主要研究内容

第二章 岸桥结构的地震响应分析

2．1 概述

2．2 岸桥原型结构的有限元模型

2．2．1 岸桥结构的主要工况

2．2．2 有限元模型的建立

2．3 岸桥结构地震载荷核算准则

2．4 岸桥结构的动态特性及地震响应研究

2．4．1 静载分析

2．4．2 模态分析

2．4．3 反应谱分析

2．4．4 时程分析

2．5 本章小结

第三章 基于极限状态法的岸桥抗震可靠性分析

3．1 概述

3．2 可靠性相关理论

3．2．1 结构可靠度的计算方法

3．2．2 起重机金属结构的设计方法概述

3．2．3 起重机金属结构载荷及抗力的统计

3．2．4 分项系数的确定

3．3 地震的概率模型分布与参数统计

3．3．1 地震烈度的概率分布与参数统计

3．3．2 随机地震作用的概率分布与参数统计

3．3．3 地面峰值加速度的概率分布与参数统计

3．4 基于极限状态法的岸桥抗震可靠性分析

3．4．1 岸桥承载能力的极限状态方程

3．4．2 可靠性分析的主要过程

3．4．3 可靠性分析的结果

3．5 本章小结

第四章 岸桥隔震系统的设计及抗震可靠性分析

4．1 概述

4．2 岸桥减隔震技术及其应用

4．2．1 减隔震技术工作原理

4．2．2 适用于岸桥的减隔震装置

4．3 岸桥隔震系统的参数设计

4．3．1 隔震系统的参数设计流程

4．3．2 隔震系统的力学模型

4．3．3 隔震周期的确定

4．3．4 隔震系统水平刚度和阻尼的确定

4．4 隔震效果分析

4．4．1 岸桥隔震系统的有限元模型

4．4．2 频率特性分析

4．4．3 地震时程分析

4．4．4 隔震层位移响应分析

4．5 具有隔震系统的岸桥抗震可靠性分析

4．5．1 承载能力的极限状态方程

4．5．2 定义随机输入与输出变量

4．5．3 可靠度指标β

4．5．4 灵敏度分析

4．6 本章小结

第五章 岸桥1：50缩比模型的设计与仿真验证

5．1 概述

5．2 结构动力学模型的相似理论

5．2．1 结构动力模型的量纲分析

5．2．2 弹性相似律

5．2．3 重力相似律

5．2．4 弹性力-重力相似律

5．3 岸桥1：50缩比模型的设计

5．3．1 相似比尺的确定

5．3．2 弯曲梁构件截面参数的设计

5．3．3 拉压杆构件截面参数的设计

5．3．4 集中质量的设计

5．3．5 运行小车单摆系统的设计

5．4 模型相似比尺的仿真验证

5．4．1 模型的建立

5．4．2 频率比尺验证

5．4．3 地震谱分析验证

5．4．4 地震时程分析验证

5．5 本章小结

第六章 岸桥1：50缩比模型的模态及地震试验研究

6．1 概述

6．2 1：50缩比模型的建立

6．3 1：50缩比模型隔震装置的建立

6．3．1 隔震装置的工作原理

6．3．2 隔震装置的参数设计

6．4 锤击模态试验

6．4．1 试验的目的和要求

6．4．2 试验方案

6．4．3 试验结果

6．5 地震试验

6．5．1 试验的目的和要求

6．5．2 试验方案

6．5．3 试验结果

6．6 本章小结

第七章 岸桥结构的弹塑性地震时程分析

7．1 概述

7．2 弹塑性时程分析的相关理论

7．2．1 运动方程

7．2．2 非线性有限元分析要点

7．2．3 恢复力模型

7．3 岸桥弹塑性地震时程分析

7．3．1 弹塑性地震时程分析的步骤

7．3．2 弹塑性有限元模型的建立

7．3．3 地震波的选取

7．3．4 材料的本构关系及恢复力模型

7．3．5 分析结果

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 研究内容及总结

8．2 论文创新点

8．3 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表与录用论文及参与课题