大型水电站主厂房大吨位桥式起重机抗震分析*

李永亮

太原重工股份有限公司技术中心 太原 030024

0 引言

水电站1 000 t/100 t桥式起重机（以下简称为桥机）是某水电站主厂房内重要的起重设备，主要用于厂房内重要发电设备及辅助装置的吊装和检修。为精确计算校核该桥机在技术规格书中要求的地震设防烈度为8度，地震加速度水平0.2g，垂直0.13g时的结构抗震特性，确保桥机、吊装设备的安全与稳定，依据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[1]、ASME NOG-1—2015《桥式和门式起重机制造标准》[2]及相关技术要求，采用谱分析法，结合有限元分析程序Ansys，对该桥机进行地震动态响应分析研究。同时，依据规范要求对抗震分析结果进行分析和评定，计算出桥机大车车轮在地震载荷工况下的响应力峰值，为相关部件及其他承载结构、设备的设计校核提供极限接口数据。

1 计算模型及边界工况

本文所述水电站桥机主要包括大车桥架及主、副运行小车，均采用箱形框架焊接结构，其主要承载件材料选用Q345B。桥机沿厂房轨道大跨度行走，主副小车在桥架主梁上盖板铺设的小车轨道上运行起吊设备。桥机结构图如图1所示。

图1 主厂房桥式起重机结构示意图

根据桥机整体结构尺寸参数、截面特性、各部件重量及分布情况等设计数据，结合Ansys有限元分析程序中的Beam 188 3D梁单元、Link 180杆单元和Mass 21质量单元等作为基本单元，建立图2所示整机抗震计算模型。在图2中，以桥机主梁长度方向为X轴方向，Y轴为水平沿端梁长度方向，Z轴垂直向上为正，建立总体直角坐标系。

图2 主厂房桥式起重机抗震计算模型

根据该桥机实际运行工况及相关规范要求，在小车车轮与桥架轨道之间采用耦合自由度的方式连接[3]。大车车轮处采用简支约束，边界约束条件如图3所示。计算时，将模拟起升钢丝绳的Link 180单元参数设置为仅承受拉力，不承受压力状态。

图3 边界约束条件示意图

按照技术规格书的要求，参照ASME NOG-1—2015《桥式和门式起重机制造标准》，按照主小车在桥架的吊载位置（跨中、一侧极限位置）、起升绳高度位置等因素组合，建立表1所示桥机在设防地震载荷作用时的最危险的工况组合。

表1 桥机地震工况组合

2 材料特性及许用应力

主厂房桥机主要承载部件选用材料为Q345B，弹性模量E＝210 GPa，泊松比γ＝0.3，材料密度ρ＝7 850 kg/m3，材料屈服极限σs＝345 MPa，强度极限σb＝470 MPa[4]。

依GB/T 3811—2008《起重机设计规范》中对结构件材料许用应力的要求，桥机在地震极限工况下强度安全系数为1.22，且材料的屈强比σs/σb＞0.7，故桥机主要承载部件的许用应力[σ]＝0.5σs+0.35σb＝276 MPa。

3 计算方法及地震设防参数

采用谱分析方法对桥机进行地震载荷及自重载荷组合作用时的结构动响应分析。抗震计算输入地震载荷为根据桥机技术规格书中要求的地震设防参数（见表2），计算出地震影响系数曲线，进而得到地震加速度反应谱中X、Y、Z方向的地震加速度。

表2 地震设防参数

主厂房桥机的结构复杂，由模态分析结果可知其前几阶自振周期比较接近，各振型间存在耦联关系，故计算时模态组合采用CQC方法。为了满足规范中要求的模态参与质量系数超过模型总质量90%的要求，选取桥机前50阶固有频率作为计算频率。根据模态分析结果，在Ansys中输入地震加速度谱进行抗震反应谱分析。

4 抗震计算及结果分析

对主厂房桥机进行固有频率计算及地震反应谱分析，计算得到桥机各部件的应力响应、轮压响应及整车上抛情况等地震极限工况结果。

4.1 模态分析

模态分析可以计算出桥机的固有频率和振型。由图4所示桥机整机模态分析结果可知，除去起升钢丝绳的固有频率后，桥机第1阶固有频率f1＝3.17 Hz，振型主要特征为主小车整体沿桥架X方向平动；第2阶固有频率f2＝3.27 Hz，振型为桥架沿Y向的平动；桥机第3阶固有频率f3＝4.43 Hz，振型为桥架沿竖直Z向的摆动。

图4 桥机各固有频率时的振型云图

4.2 应力响应结果

根 据 ASME NOG-1—2015《 桥 式 和 门 式起重机制造标准》中的相关要求，采用公式进行结构最大应力响应计算。其中，σmax,X、σmax,Y、σmax,Z分别为设防地震X、Y、Z方向载荷引起的结构应力动态响应。将动响应值与自重（静力）工况结果叠加，进而组合计算出结构在地震工况时的总响应值。

表3为主厂房桥机在设防地震多种工况组合作用下的最大应力响应计算结果。由表3计算结果可知，主厂房桥机在地震载荷作用下，桥架主梁最大应力响应值为205.12 MPa，副主梁最大应力响应值为141.74 MPa，端梁最大应力响应值为25.17 MPa。结合桥机材料许用应力可知，在设防地震工况下，桥机主要结构最大应力满足要求。

表3 主厂房桥机最大应力响应汇总表 MPa

主厂房桥机主小车位于跨中吊重1 000 t上极限位置时，桥架在静力作用及设防地震X、Y、Z方向地震加速度载荷作用时的应力云图如图5所示。

图5 位于跨中吊重1 000 t时桥架的应力云图

4.3 轮压响应及上抛力

与应力响应组合一致，通过谱分析计算得到地震载荷作用下桥机的轮压垂直动响应，与静载轮压相组合（考虑受力方向），得到桥机所受最大垂直轮压及上抛力，判断空载时桥架、小车是否会出现上抛情况。

表4为桥机吊载1 000 t于上极限位置，在设防地震载荷作用下，大车车轮垂直支反力动响应Rzd的计算结果汇总表，表中车轮位置参见图2。Rz，X、Rz,Y、Rz,Z分别为设防地震X、Y、Z方向载荷引起的结构轮压动态响应。与静载时轮压Rzj叠加，即可求得桥机最大垂直轮压响应为Rzmax＝Rzj+Rzd。

表4 主厂房桥机最大轮压响应汇总表 kN

由表4可知，主厂房桥机在地震载荷作用下，大车车轮响应力最大为5 261.03 kN。车轮力响应结果将作为设计校核厂房承轨梁、轨道、连接销轴、螺栓等关键部件在地震极限载荷作用时的接口数据。

表5、表6为桥机空载运行时，在设防地震载荷作用下，大车及运行小车上抛力的计算结果汇总表。其中上抛力计算公式为F＝Rzd-Rzj。

表5 主厂房桥机大车上抛力汇总表 kN

表6 主厂房桥机小车上抛力汇总表 kN

由桥机上抛力计算结果可知，在设防地震载荷作用下，空载运行时大车车轮最大上抛力为-44.54 kN，小车车轮最大上抛力为-298.79 kN，方向均竖直向下，即地震时均无上抛情况发生。地震上抛力可用于起重机抗震装置设计、厂房基础校核等。

5 结语

本文结合某大型水电站抗震设计要求及相关的规范准则，采用谱分析方法，对水电站主厂房1 000 t桥机进行了设防地震多种极限载荷工况组合的抗震计算。由各项分析结果可知，该桥机各主要部件的强度等参数满足抗震设计要求，在地震载荷作用时，整车无上抛情况发生。同时，计算得到的轮压响应等数据可作为厂房及桥机内部关键部件设计校核的接口数据。

通过本文的研究，可对大型水电站大吨位桥机研发中抗震性能设计校核提供参考和借鉴，同时也可推广应用于其他大吨位常规起重机的抗震分析与优化设计中，应用前景较为广阔。