地震波对动臂塔式起重机动态特性的影响研究

崔少杰，范顺成，张顺心，管啸天

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

地震波对动臂塔式起重机动态特性的影响研究

崔少杰，范顺成，张顺心，管啸天

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

通过对动臂塔式起重机加载“宁河天津波”地震波，给出了在不同工况下动臂塔式起重机关键节点位移和起重臂、塔身最大应力的动态响应曲线以及其最大值、最小值和振幅，结果表明，起重臂仰角越小，起重臂受地震的影响越大，越易断裂；反之，起重臂仰角越大，整机越容易在起升平面内前后倾覆．因此，在动臂塔式起重机的设计和使用过程中，应根据不同地区的抗震设防烈度等级，考虑地震的影响因素，从而提高塔机的可靠性和安全性．

动臂塔式起重机；地震波；动态响应

塔式起重机广泛运用于桥梁、高层建筑、电站等大型建筑施工工程中．塔式起重机工作时，所受工作载荷的作用是预先确定的，即工作载荷是小于等于额定载荷的，因此是可以保证安全的．但是，塔式起重机工作时还往往会受到不确定的偶发载荷的作用，如风载荷、地震载荷等．特别是地震载荷，尽管发生的概率很低，但一旦发生，对塔式起重机造成的影响可能很大，甚至是破坏性，危及到人身安全和在建建筑物的严重损毁[1-3]．因此，研究地震载荷对特殊工作环境下机械设备的影响，已受到很多领域的广泛关注．目前，对小车式塔式起重机在地震作用下的研究较多[4-6]，通过对塔式起重机施加地震波采用时程分析法计算出了其动态响应．而动臂塔式起重机（以下简称动臂塔机）与小车式塔机有着很大的区别，动臂塔机回转半径小，使用灵活，广泛应用于施工条件特殊、空间场地狭小的城市建设中的大型物件吊装作业，特别是动臂塔机在工作过程中由于变幅和回转运动，将导致整机结构连接角度随之变化，其结构固有频率也将随之变化[7]，继而影响整机的动态特性．而动臂塔机在这方面的研究尚不多，还处于起步阶段．所以在目前还不能准确预报地震的情况下，对动臂塔机在地震作用下的动态响应进行研究，具有很重要的社会意义和工程实践价值．

1 有限元模型的建立

以某型动臂塔式起重机为例，该塔机结构主要部分包括塔身、平衡臂、起重臂、A型架等，其性能参数如下：在幅度为4 m～15 m（起重臂仰角85°～71.8°）范围内最大起重量为50 t，最大幅度为45 m（起重臂仰角20.4°），对应起重量为12.4t，最大起重力矩为750t·m．所有材料选用Q235钢，弹性模量为E=210GPa，泊松比为0.28．其塔身与起重臂主要结构参数如表1所示．

表1 动臂塔机塔身与起重臂主要结构参数Tab.1The main structure parameters of luffing jib tower crane＇s body and jib

该动臂塔机的有限元模型如图1所以，塔身、平衡臂、A型架和起重臂所有单元采用beam188梁单元模拟，拉索采用link180杆单元模拟，平衡重、回转下座、起吊卷扬和变幅卷扬等集中质量采用mass21质量单元模拟．在有限元模型中，X方向为起重臂在水平面内的投影方向，Y方向为竖直方向，Z方向为XY面（起升平面）的垂直方向，231节点为塔身与起重臂的连结点，592节点为起重臂的端部节点，定义起重臂与水平面XZ面的夹角为起重臂的仰角．

图1 动臂塔机有限元模型Fig.1Finite element model of luffing jib tower crane

2 地震波的描述与加载

地震波是指从震源产生向四周辐射的弹性波．当地震发生时，由于地震波的作用地表会发生剧烈的晃动，因此地面上的建筑物也会随之快速来回振动．选取地震波为“宁河天津波”，记录时长为19 s，时间间隔为0.01 s，记录信号分别为N S方向（南北向）、E W方向（东西向）和V方向（竖直向）加速度，其最大加速度分别为1.458 m/s2、-1.042 m/s2、0.731 m/s2．按建筑抗震设计规范，8度常遇地震时程分析所用地震波加速度的最大值为0.7 m/s2，因此分别采用0.480 1、0.671 9、0.957 1为折算系数把3个方向的最大加速度换算成0.7 m/s2，其修正后的地震波加速度数据曲线如图2所示．

图2 “宁河天津波”加速度曲线Fig.2Acceleration curve of"Ninghe Tianjin" earthquake wave

为全面描述地震波对动臂塔机不同工况下的影响，选取4种具有代表性的工况进行计算：

分别将地震波的N S方向、E W方向和V方向加速度施加于动臂塔机有限元模型中的X方向、Z方向、Y方向．经计算，可得出4种工况下动臂塔机的塔身和起重臂连接点231节点和起重臂端部592节点的位移响应曲线、塔身和起重臂最大应力的响应曲线，如图3～图6所示，其最大值、最小值和幅值如表2所示．

表2 节点位移和应力极值Tab.2Extrema of node's displacement and stress

图4 工况2计算结果Fig.4Result of condition two

由图3～图6和表2可得出以下结论：

1）当起重臂仰角较小时，起重臂端部Y方向的位移大于X方向位移，表现为动臂塔机的“点头”运动程度大于前后俯仰运动程度，地震波使起重臂绕其与塔身的连接处上下振动，当振幅较大且内部的弯曲应力超过材料的屈服应力时，起重臂将会产生裂纹和塑性变形，最终可能导致起重臂的断裂；由于起重臂依靠拉索连接于A型架上，如果起重臂端部的振幅特别大，也可能造成拉索的断裂，起重臂将绕其与塔身的连接处旋转而撞击塔身，造成塔身破坏．

2）当起重臂仰角较大时，起重臂端部X方向的位移大于Y方向位移，表现为动臂塔机的前后俯仰运动程度大于“点头”运动程度，起重臂仰角越大，塔机越显得高耸直立，当动臂塔机在起升平面内前后振动的振幅很大时，使塔身内产生较大的交变弯曲应力，如果超过塔身材料的屈服应力，导致塔身标准节发生折断，易造成整机在起升平面内前后倾覆．

3）当起重臂仰角恒定时，起重臂端部Z方向的位移在空载和满载情况下几乎相等，当起重臂仰角较小时，其顶点Z方向的位移很小，当仰角变大时，其顶点Z方向的位移也随之变大，比Y方向的位移略小，但远小于X方向位移，因此无论动臂塔机起重臂仰角大小还是载重大小，整机沿Z轴（起升平面垂直方向）发生侧向倾覆的可能性很小．

图6 工况4计算结果Fig.6Result of condition four

3 结论

在地震波作用下，采用时程分析法，给出了动臂塔机在地震波作用下4种极限工况下关键节点位移和起重臂、塔身最大应力的动态响应曲线以及极值和振幅．动臂塔机起重臂仰角越小起重臂越容易断裂，仰角越大整机越容易在起升平面内前后倾覆．因此，设计动臂塔机时，应根据不同地区的抗震设防烈度等级，考虑地震的影响因素，从而提高塔机的抗地震能力．在地震多发地带，动臂塔机的布置应考虑避免地震时多台塔机连带损毁，在动臂塔机不工作时，应将起重臂仰角处于中等状态．如在施工过程中突遇地震，在保证人员安全的前提下应尽快通过变幅运动将起重臂调到中等仰角，以减小影响．

[1]李云岭，艾兵，李博．塔式起重机在地震作用下的受损原因及动态分析现状[J]．特种结构，2011，28（2）：66-68．

[2]谢瑞，田太明，田奇．汶川地震中西安市塔式起重机的损毁分析[J]．起重运输机械，2009，（4）：1-3．

[3]Kitsunai Y，Sogabe K．Damage and failure of cranes due to Hanshin-Awaji earthquake[C]//Case Histories on Integrity and Failures in Industry，1999．Milan．

[4]顾永强，郭少东．塔式起重机地震效应的初步分析[J]．设计与研究，2012，39（9）：5-7．

[5]曹玉红，周占学．附着式塔式起重机地震灾害分析[J]．河北建筑工程学院学报，2010，28（1）：104-106．

[6]吉军，张辉，张顺利，等．塔式起重机地震响应研究[J]．西北师范大学学报（自然科学版），2009，45（4）：43-47．

[7]崔少杰，范顺成，管啸天，等．动臂塔式起重机的动态特性及其影响分析[J]．机械设计，2015，32（2）：66-69．

[责任编辑 田丰夏红梅]

Study on earthquake wave effect on dynamic characteristic of luffing jib tower crane

CUI Shaojie，FAN Shuncheng，ZHANG Shunxin，GUAN Xiaotian

（School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

Byadding"NingheTianjin"earthquake waveon luffing jibtower crane,this paperfigures outdynamicresponse curve and the maximum,minimum and amplitudes of displacement of luffing jib tower crane's key node and maximum stress of jib and body in different operating condition.The results show the smaller the jib's elevation is,the more easily the jib is broken and the bigger the jib's elevation is,the more easily the luffing jib tower crane fall down on lifting plane. Therefore,in the process of design and use of luffing jib tower crane,we should consider the impact of earthquake,according to the seismic fortification intensity level in different areas to improve the reliability and safety of luffing jib tower crane.

luffing jib tower crane;earthquake wave;dynamic response

TH12

A

1007-2373(2015)04-0053-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.011

2014-12-13

河北省科学技术研究与发展计划项目（11205193D）．

崔少杰（1987-），男（汉族），博士生．