（机械设计及理论专业论文）抗地震集装箱起重机减隔振装置研究和试验分析.pdf

摘要 摘要 本文首先介绍了日本神户地震集装箱起重机的损坏情况，介绍了减隔振装 置在建筑桥梁工程中的应用情况，构思了在集装箱起重机中采用减隔振装置抗 地震的构想，由此提出了集装箱起重机抗震装置设计的基本要求。本文介绍了 集装箱起重机减隔振的可行方案，并进行了双偏心回转支承式减隔振装置设计、 层叠橡胶式减隔振装置设计和滑移式减隔振装置设计。本文对几种典型的减隔 振装置方案进行了理论研究，建立了起重机单自由度系统模型，运用反应谱理 论并结合e lc e n t r o 波和s a nf e m a n d o 波的加速度反应谱得到结论：将装有减隔 振装置后的起重机的设计固有周期将延长至4 0 秒，即可有效起到减隔振的作 用，并得到减隔振装置所需的刚度和阻尼。运用时间历程分析方法并输入e l c e n t r o 波和s a nf e m a n d o 波，得到加装减隔振装置后集装箱起重机的加速度响 应最大值分别从e lc e n t r o 波地面加速度最大值的3 4 m s 2 降低为0 4 m s z ，s a n f e r n a n d o 波地面加速度最大值的l o m s 2 降低为o 5 m s 2 ，减隔振装置有效隔离了 地面加速度对起重机的影响。 为验证理论研究结果，本文对双偏心回转支承方案进行模型抗地震试验。 介绍了试验模型设计的相似理论，并以几何相似比l 1 5 完成了双偏心回转支承 式减隔振装置相似模型设计。并在大型地震试验台上对大梁放平、减隔振机构 工作和大梁放平、减隔振机构锁死状念两种工况进行了抗地震试验数据对比分 析得到结论：减隔振装置工作时，模型水平方向频率降低大约6 0 ；水平加速 度减小约5 0 ；结构减隔振装置上部各点位移明显减小；各测点应变均普遍减 小，减隔振装置减隔振效果明显。 关键词：抗地震集装箱起重机，减隔振，反应谱理论，时间历程分析方法，相 似理论，双偏心回转支承，层叠橡胶支座，滑移支座，模型试验 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed a m a g eo fc o n t a i n e rc r a n e si nt h e19 9 5h y o g o - k e n n a n b u ( k o b e ，j a p a n ) e a r t h q u a k e ，a n di n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fs e i s m i ci s o l a t i o n d e v i c eo fa r c h i t e c t u r ea n db r i d g e ，t h e nac o n c e p t i o no fs e i s m i ci s o l a t i o nd e v i c ef o r c o n t a i n e rc r a n ei sp r o p o s e d ，a n dt h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cr e q u i r e m e n t so f s e i s m i ci s o l a t i o nd e v i c eo fa n t i s e i s m i cc o n t a i n e rc r a n e t h et h e s i si n t r o d u c e sf e a s i b l e e q u i p m e n t sw h i c hc a nb eu s e di nc o n t a i n e rc r a n e d o u b l ee c c e n t r i cs l e wr i n g ，l e a d r u b b e rb e a r i n g ，p u r ef r i c t i o nb e a r i n g b yt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h es e i s m i ci s o l a t i o n d e v i c e s ，as d o fm o d e lo fc o n t a i n e rc r a n ei sd e v e l o p e d t h et h e s i sg e t st h e c o n c l u s i o nu s i n gr e s p o n s es p e c t r u mt h e o r ya n dt h ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s es p e c t r u mo f e 1c e n t r o & s a nf e m a n d oe a r t h q u a k e ：t h eb e a r i n g sc a ni s o l a t et h em o v e m e n to ft h e g r o u n da p p a r e n t l yw h e nt h en a t u r a lp e r i o do fc o n t a i n e rc r a n ew i t hs e i s m i ci s o l a t i o n b e a r i n gi se x t e n d e dt o4 s ，a n dt h es t i f f n e s sa n dd a m p i n go ft h eb e a r i n gi so b t a i n e d 。 t h ep e a ka c c e l e r a t i o nr e s p o n s eo fc o n t a i n e rc r a n ew i t hs e i s m i ci s o l a t i o nb e a r i n g s d e c f e 鑫s e sl 两l 鞋3 。4 l l l 趣2o fe 1c e n t r ow a v et o0 4 m s 2a n df r o m10 m s 2o fs a n f e r n a n d ow a v et oo 5 r n s 2u s i n gt i m e - h i s t o r ya n a l y s i sm e t h o d s e i s m i ci s o l a t i o n b e a r i n ga t t e n u a t e st h ee f f e c to f t h ee a r t h q u a k ea p p a r e n t l y am o d e le x p e r i m e n to ft h ed o u b l ee c c e n t r i cs l e wr i n gw a sb u i l tt ot e s tt h er e s u l t o ft h e o r e t i c a la n a l y s i s t h et h e s i si n t r o d u c e ss i m i l a r i t yt h e o r yo fm o d e le x p e r i m e n t a s c a l i n gm o d e lo fd o u b l ee c c e n t r i cs l e wr i n gw a sm a d eb yt h er a t i oo f s i m i l i t u d e1 15 。 a n da ne x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e d ，t h et h e s i sg o tt h er e s u l tb yc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n gt h er e s u l t sw h e ns e i s m i ci s o l a t i o nb e a r i n gw a sw o r k i n ga n dw h e ni tw a s l o c k e d ：t h eh o r i z o n t a lf r e q u e n c yo ft h em o d e ld e c r e a s e s6 0 ；t h ea c c e l e r a t i o n r e s p o n s ed e c r e a s e s5 0 ：t h ed i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea b o v et h eb e a r i n gd e c r e a s e s ；t h e s t r a i no fa l ls e n s o r sd e c r e a s e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es e i s m i ci s o l a t i o nd e v i c ei sh i g h + k e yw o r d s ：a n t i s e i s m i c c o n t a i n e rc r a n e ，s e i s m i ci s o l a t i o n ，r e s p o n s es p e c t r u m ， t i m e - h i s t o r ya n a l y s i s ，s i m i l a r i t yt h e o r y , d o u b l ee c c e n t r i cs l e wr i n g , l e a dr u b b e rb e a r i n g ，p u r ef r i c t i o nb e a r i n g ，m o d e le x p e r i m e n t n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其他手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者虢，訇 膨豹 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 近年来地震在全世界范围内频繁发生，给人们的生命财产及安全带来巨大 的影响，由于地震的不可预测性，地震的破坏力往往是惊人的，特别是对一些 重要建筑物、桥梁和电站等的破坏更是不堪设想。于是各国大力至力于防震抗 震的综合防治，投入了大量的人力、物力，在防震抗震方面取得了一定的成果。 受地震影响较大的日本、美国也相继在这方面有突破性的进展，形成了一定的 规范和准则。我国的防震抗震起步较晚，但是也取得了一些阶段性成果，需要 进一步的完善和发剧卜5 1 。 确定一个结构在给定的地震波输入或其他动力作用下的反应问题，即使在 理论上可以通过数学解析的方法求解，但是诸如自振周期等一些结构动力特性 由于结构形式以及许多细部结构的差异，很难用纯粹的理论分析去解决，这就 需要借助动力试验数据提供必要的参数，二者相互验证。在许多场合下，结构 动力试验成为解决问题必不可缺少的。随着科学技术的发展和工业技术水平的 不断提高，大型液压振动台、大型电磁振动台、拟动力试验装置和同步激振器 等设备的进步以及振动量测与分析仪器的近代化，大大提高了抗震试验技术水 平。 一般来说，结构试验的主要任务是：验证理论和计算方法的合理性和有效 性；确定弹性阶段的应力与变形状态；寻求弹塑性和破坏阶段的工作性状。 这篇论文的主要研究内容和目的：分析比较几种典型减隔振装置的减隔振 机理，然后用理论分析比较研究各种减隔振系统在集装箱起重机上使用时的减 隔振效果，进一步对已确定的设计方案双偏心回转支承式减隔振装置，进行了 试验模型设计和地震试验。研究减隔振系统的设计参数、地震动输入和场地条 件对减隔振效果的影响，最后探讨使用各种减隔振系统对集装箱起重机进行减 隔振设计时的减隔振效果、以及使用的基本设计原则，为集装箱起重机减隔振 设计提供参考。 第l 章绪论 1 2 地震灾害 1 2 1近年来发生的强烈地震灾害情况 1 美国圣弗南多地震 美国圣弗南多地震【6 ，7 】发生在1 9 7 1 年2 月9 日上午，震级为m 6 7 级。地 震震级虽然不高，但对近代结构震后修复和结构抗震设计的研究而言，这是一 次非常重要的地震。地震中发生了很大的地面变形和强烈的地面运动，地面水 平加速度峰值为1 2 6 9 ，垂直加速度峰值为0 7 2 9 ，导致高层结构、桥梁以及生 命线工程的毁坏。此次地震死亡6 4 人，经济损失l o 亿美元。 2 中国唐山地震 我国唐山大地震发生在1 9 7 6 年7 月2 8 日北京时间凌晨3 时4 2 分，震级为 m 7 8 级。此次地震死亡人数高达约2 4 万，重伤约1 6 万，经济总损失约在百亿 人民币以上。造成如此重大伤亡的重要内因是唐山市对地震没有设防，结构物 都未经过抗震设计，以致酿成惨剧。唐山地震后，我国抗震研究工作才得到重 视，是一个转折点。 3 美国洛马普里埃塔地震 美国洛马普里埃塔地震【8 ，9 1 发生在1 9 8 9 年1 0 月1 7 日，震级为m 7 0 级， 记录到的最大水平加速度为0 4 7 - 0 5 5 9 ，竖向加速度为1 2 6 9 ，强震时间不超过 1 0 秒，但是还是引起了大范围的震害，总死亡6 2 人，总经济损失7 0 亿美元。 4 日本阪神地震 日本阪神地震发生在1 9 9 5 年1 月1 7 同晨5 时，震级为m 7 2 级。日本本是 多地震国家，而且地震遍及全国，但关西地区一直被认为是地震少发生区，故 城市抗震设防水准较低。因此，此次地震是r 本自1 9 2 3 年关东大地震以来伤亡 最重( 死亡5 4 6 6 人) 、经济损失( 约1 0 0 0 亿美元) 最大的一次破坏性地震。这 次强震记录的主要特征有：( 1 ) 水平最大加速度为o 6 1 0 8 2 9 ，峰值速度达 o 5 5 m s ；( 2 ) 竖向水平加速度超过0 3 9 ；( 3 ) 地震持续时间在1 0 1 5 秒之间；( 4 ) 卓越周期分布在0 3 2 秒之间，多为1 秒。震后，日本运输省港湾局也组织调查 2 第1 章绪论 团对大阪和神户港的集装箱起重机以及码头等设施的受损情况进行了调查。关 于起重机破坏情况将在下面章节中讨论。 1 2 2日本神户地震集装箱起重机的损坏情况 1 9 9 5 年1 月1 7 日凌晨5 点，震级为m 7 2 级的地震袭击了同本阪神和淡路 一带，仅仅十几秒的时间，剧烈的震动给以神户为中心的地区造成了一场灾难。 神户港的货物装卸设施也在地震中遭受了巨大的破坏，5 5 台起重机中的5 2 台遭 到破坏。震后，日本运输省港湾局组织调查团对大阪和神户港的集装箱起重机 以及码头等设施的受损情况进行了调研【i o 】。 根据破坏的程度和状况可以将破坏情况分为以下几类： 1 ) 发生脱轨，但未对支撑架等部位产生影响； 2 ) 可以看见对支撑架部位的少量影响，脚部扩展( 弹性变形) ； 3 ) 对支撑架影响显著，脚部可见纵向弯曲； 4 ) 大梁损坏； 5 ) 全部损坏。 对神户港六甲岛、波特岛和摩耶码头的起重机的破坏情况的统计见表1 1 。 表1 i 起重机损坏情况统计 损坏情 轨道i u j l gj3 0 m 级轨道间距1 6 2 0 m 级 摩耶码 合计 况 六甲岛波特岛六甲岛波特岛 头 一类 o 0 0000 二类40l1 162 2 三类 1 474413 0 四类000011 五类 10o001 不明11 合计 1 9761585 5 水平地震力造成的摇摆或者上下地震力造成车轮腾空、着地、脱轨。伴随 脚部的扩展或者起重机的横向摇摆造成脚部门架附近的纵向弯曲和门架变形。 上部结构的损坏只发现一台，造成这种损坏的原因可能有：( 1 ) 水平地震力引 起立柱顶部的曲折，吊臂制动器的折损或者脱落、高低绳索断裂以及随之出现 的吊臂落下的反作用会引起吊臂下方法兰盘的纵向弯曲，后拉索的后部桁架的 第l 章绪论 纵向弯曲；( 2 ) 上下地震力所引起的吊臂、桁架的上下震而造成的破坏。全部 损坏估计是由于脚部的崩溃所致，在很大程度上是由临近起重机的损伤和支撑 脚的扩展和变形所造成的。综上，在损坏情况中，脚部的扩展程弯曲变形形成 的纵向弯曲占到了绝大多数，估计造成这种损坏的主要原因是沉箱的变位。 要使起重枫具有抗震能力，就必须首先解决脚部扩展和弯鲢变形的问题， 实际上就是要将起重机脚部与上部结构的刚性联接改为柔性联接，使得地震时 在水平方向上熊够发生定的相对位移，从而消除脚部的扩展和弯曲变形。另 钋，起重机的抗震层还必须能够承受住最大水平基底剪力，即具有一定的水平 强度。以上两方面即为起重机抗震装置的基本要求。 1 。3 桥梁和建筑的减隔振技术 在抗地震减隔振研究方面，建筑和桥梁不论在理论研究、试验分析还是应 用实例方面都是先行者。所以我们在研究集装箱起重机抗地震减隔振时有必要 首先分析下建筑和桥粱的减隔振技歹| 之。 在结构抗震领域，寻求更有效的抗震手段来抵抗地震对结构的破坏一直是 研究的主要方向。传统的抗震设计概念及机理是依靠结构、构件自身具有的强 度、延性、耗能能力来抗震，设计是通过增加结构或构件的强度和延性来实现。 这种设计观念容许较大的地震力和能量从地面传递给结构，抗震设计考虑的主 要问题是如何为结构提供足够的抵抗地震作用的能力。设计过程是依据地震力 进行设计，同时需要对结构允许出现塑性铰的部分进行专门的延性设计。尽管 通过适当选择塑性铰的位置和仔细设计构件的缨郝构造可以确保结构的整体性 和防止结构倒塌的发生，但结构构件的损伤是不可避免的。近几十年来，为了 提高结构的抗震性能，研究入员提渤了一些新的抗震技术，主要包括主动控制 技术、被动控制技术、混合控制技术和减隔振技术。减隔振技术是指通过采用 减隔振装置来尽可能的将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动分离歼 来，大大减少传递到上部结构的地震力和缝量。这种分离是通过增加系统的柔 性和提供适当的阻尼来实现的。主动控制、被动控制和混合控制技术属于结构 控制技术范畴。结构控制技术是指在工程结构的特定部位装设某种装置、机构 或施力h g i 力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，确保结构本身的安全。 从本质上说，减隔振方法也是被动控制的一种。之所以将其单独划分，是因为 4 第1 章绪论 其技术发展相对成熟，也是应用最广泛，效果较理想的一种抗震技术。结构抗 震系统框图如图1 1 所示。 抗震设计 传统抗震设计 结构控制 1 3 1结构振动控制 强度设计 延性设计 被动控制 主动控制 混合控制 图1 1 结构抗震系统框图 隔震( 各种支座体系) 耗熊( 阻尼器) 调质阻尼器( 册) 主动调厦阻尼器( a 狮) 主动连杆( a c t i v et e n d o n ) 主动可调控制 主动隔震 半主动隔震 半主动调质阻尼 以华裔美国学者j e t y a o 于1 9 7 2 年提出的土木工程结构振动控制的概念为 标志，结构振动的研究历史己经3 0 年。经过各国研究者的理论与试验研究，结 构控制技术取得了长足的进步。结构振动控制方法主要分为：主动控制，被动控 制和混合控制【1 2 耶】。 1 主动控制 结构主动控制是由外部能源向结构直接提供主动控制力，达到减小结构振 动反应的控制方式。结构主动控制可以根据需要调节结构振动反应的控制效果， 从理论上讲，是最为有效的结构控制方法。结构主动控制装置分为质量阻尼器 类型和非质量阻尼器类型。主动调质阻尼器系统( a m d ) 是最流行的质量阻尼 器，主动连杆控制是一种非质量阻尼器类型。 一、主动调质阻尼器系统( a m d ) 蓥1 章绪论 该系统是将调谐质量阻尼器连到伺服系统上构成一个主动控制装置。它可 以有效地控制结构的第一振型的反应。目前所建成的质量阻尼器系统都是以提 高中小地震以及台风下居住和使焉的舒适性为基的的。质量阻尼器还不能够在 实际中抵抗大地震，因为它需要巨大的质量块和推动它们的巨大能量。1 9 8 9 年 日本在东京k y o b a s h i s e i w a 大楼上安装了a m d 系统，用来控制结构的水平振动。 这是世界上首例安装a m d 的实际建筑物。 = 、 主动连杆控制 主动连杼控制一般是盘一组同结橡相连接的预应力连杆，连杆的挝力是出 电液伺服装置控制，其控制的原理是通过调节杆的拉力来控制结构的反应。目 前，主动连杼控制系统研究主要集中在美国和日本。 e 1 1 于技术和经济的原因，用主动控制的方祛来减小高耸结构的振动反应， 短期内在我国还不能成为现实。本设计根据国内情况，亦不采用此法。 2 。 被动控制 结构被动控制是控制装置不需要外部能量输入的控制方式。被动装置采取 隔震、吸振和耗能等技术消耗结构的振动能量，达到减小结构振动反应的目的。 其控制力是控制装置随结构一起振动，因控制装置翻身的运动丽被动产生的。 被动控制装置相对来说是一种经济，较易实现的方法。被动控制的效果低于主 动控制，僵是其造价低廉、可靠性高、简单易行的特点使箕得到广泛的应用。 被动控制装置主要有基础隔震、耗能减振和吸能减振三大类。前两种将在减隰 振技术中介绍，因为减隔振技术本质就是一种被动控制技术。下面主要介绍调 频质量阻尼器( t m d ) 和调频液体阻尼( t l d ) 这两种吸能减振技术。 一、 调频质量阻尼器( t m d ) 调频质量阻尼器，也餐唾调瘊阻尼器，是较早在结构中应用的种吸振装置， 它主要由弹簧、 阻尼器和质量块组成。其原理是利用质量块的惯性达到共振吸能，从而减 小结构的振动反应。t m d 作为一种经典的动力吸振装置，已经被同本、美国、 澳大利亚等圈用于实际工程。然而，t m d 也存在一些问题，比如：对于微小振动 灵敏度不高，维修费用较高，机构复杂，技术要求较高等等。 二、调频液体阻尼器( t l d ) t l d 减振原理是结构在外葡载作用下产生振动，并带动结构上的水箱一起 6 第1 蠢绪论 运动，水箱运动使 箱中的水产生晃动，晃动的液体对箱壁的作用力就是其对结构的控制力。 t l d 对结构物减振的机理与t m d 有相似之处。但是，t l d 又具备了t m d 的许 多不具备的优点：( 1 ) t l d 构造简单；( 2 ) t l d 很容易安装；( 3 ) 自动激活性能好，即 t l d 的晃动阻尼小；( 4 ) 减振频带宽；( 5 ) 在剧烈振动后t l d 储液箱中的自由液面破 碎后可以再度生成，而t m d 的弹簧破坏后就不可以挽回；( 6 ) t l d 不需要设置启 动装鼹。尽管t l d 具有如此多的优点，但是它主要适用于建筑结构抗风载荷中， 在集装箱起重机上并不太有应潮的可能性。 3 。混合控制 近年来，主动控制和被动控制的组合使用，或者称混合控制受到了广泛的 关注。主动控制系统控制效果显著，但是控制技术要求高，造价高，特别是需 要较大的主动控制力时，很难在实际工程中实现。被动控制系统可靠性高，造 价低，易予实现，但是控制效果有一定的局限。混合控制系统能够减少单独使 用被动或者主动控制系统的局限性，并充分利用两种系统的各自优点，拓宽了 控制系统的应用范围。 混合控制系统一般有三种类型：绝对振动控制系统、混合基础隔震系统和 可变阻尼系统。 一、 绝对振动控制系统 绝对振动控制系统如图1 2 所示，是由橡胶支座和主动控制系统组成。其中 橡胶支座用于减小地震输入的能量，主动控制系统使结构保持绝对静止状态。 胶支座 幽1 2 绝对控制系统 二、 混合基础隔震系统 混合基础隔震系统是可控摩擦滑动支座、疰力控制设备、传感器、和计算 7 第l 章绪论 机处理系统组成。它是通过调整摩擦力来优化隔震系统的性能。这种支座的下 部是一个储存液体的容器，容器与钢板的接触面是滑动面。液体容器内侧用橡 胶密封。地震时，计算机根据上部结构的反应和滑移信号向液压控制系统发出 指令，实现对摩擦力的控制。系统示意图见图1 3 。 图1 3 混合基础隔震系统 三、 可变阻尼系统 可变阻尼系统主要是用于公路桥的减隔振。如图1 4 中所示，在该系统中， 粘性阻尼力根据桥梁的反应来调整。当反应幅值较小时，阻尼器的阻尼系数非 常大，从而起到阻止振动的作用。当地震引起的振幅很大时，阻尼系数减小， 以便耗散地震能量。当反应幅值过大时，阻尼又增大，从而抑制反应。 图1 4 可变阻尼系统 为了降低结构所受地震的影响，将结构与地面隔离开来的想法由来已久。 8 第l 章绪论 最早提出基础隔震概念的是同本学者河合浩藏，其在1 8 9 0 年介绍了一种类似于 隔震体系的建筑物，这属于隔震概念的起源。1 9 0 6 年，德国人j a c o bb e c h t o l d 申请了美国专季| j ，他的发明是在建筑基底放一刚性底板，并用硬材料制成的球 体支承着以达到隔震的目的。1 9 0 9 年，英格兰医生c a l a n t a n t a r i e n t s 提出了用滑 石粉层将房屋与基础隔开的隔震方法。1 9 2 9 年，新西兰人申请了发明专利，建 议的方法是在建筑的底部和基础之间放一个“b e d ”，这个“b e d 由可以耗能和 减少冲击的材料组成。在6 0 年代以前，像这样的有关隔震具体实施方法提出了 许多，但来能褥到实践的机会。这主要是由于这种新的抗震方法缺少实践的检 验，而且当时的工程师大多思想倾向保守，又对这种抗震方法是否能成功不报 兴趣和信心。僵随后一些事件却说明了这一方法的有效性。1 9 2 1 年，f r a n kl l o y d w r i g h t 设计的只本东京帝国饭店建立在有软泥层所支承的一层硬土上，在1 9 2 3 年的东京大地震中，这栋豪华建筑得以幸存。设计者在他的自传中提到此事时 说，支承饭店的8 米厚表面硬土层下的6 0 一7 0 米厚的软泥层有效的隔离了地震。 1 9 3 3 年，l o n gb e a c h 地震中，邻近的建筑物都严重损坏或倒塌，而有几栋无筋 砌体房屋却损坏轻微。事后发现这些损坏缀轻的房屋在其基础梁处产生了滑动。 类似的情况在1 9 7 6 年中国唐山大地震中也曾发生过。这也为隔震技术的应用提 供了一个闻接的证明。 在国外，自从上个世纪6 0 年代以来，新西兰、日本、美国等多地震国家都 对隔震技术进行了系统的理论分析和试验研究，并且已将隔震技术广泛应用于 实际工程中。1 9 6 9 年建成的南斯拉夫贝斯特洛奇小学，属于现代最早的隔震建 筑。从7 0 年代开始到现在，美国、f 1 本、新西兰、法国、意大利等国家对各类 隔震装置和设计方法投入了大量的研究，取得了很大的成就。鹜前，在世界范 围内，至少有1 7 个国家已建成隔震结构。在国内，隔震建筑的建造始于2 0 世 纪8 0 年代，由于经济方面的原因，对采用砂鼙石、石墨、铡板等材料的摩擦滑 移隔震研究较早，并相继建立了一些隔震工程。我国对应用最广的橡胶隔震支 座的研究起步较晚，但发展较快。隔震装置从夹层橡胶隔震挚发展到铅心橡胶 隔震垫、高阻尼橡胶隔震挚以及无糙结橡胶隔震挚，隔震型式从单一的夹层橡 胶隔震体系，发展了串、并联复合隔震体系、层间隔震及巨型框架减隔振体系 等。1 9 9 3 年，我国国内最早的橡胶支座隔震房屋在河南安阳建成，该建筑采焉 了我国自主开发的铅心橡胶隔震支座。目前，叠层橡胶支座隔震技术在我国已 经逐渐趋于成熟。我国建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) 中融经增加了有关 9 第1 章绪论 隔震和减隔振的内容，建筑隔震橡胶支座( j g1 1 8 2 0 0 0 ) 的行业标准也已实施 【1 2 ，1 6 一1 9 】 o 1 3 2 减隔振技术成功应用举例 1 ) 新西兰r a n g t i k e 河上的t e t e k o 桥，1 9 8 7 年3 月发生m 6 3 级地震，附 近建筑倒塌，桥梁仅受到轻微挤压损坏； 2 ) 美国e e lr i v e rb r i d g e l 9 8 7 年抗震加固，1 9 9 2 加州地震未遭受破坏； 3 ) 美国加州大学医院1 9 9 4 年6 月n o r t h r e d g e 地震，附近l o 所医院破坏， 但该医院采用铅芯橡胶支座减隔振，地震时还能正常工作； 4 ) 日本一座邮政省计算中心，采用铅芯橡胶支座减隔振，1 9 9 5 年6 月阪 神地震，未遭受破坏； 5 ) 有二个非人为的抗震建筑实例：( 1 ) 1 9 2 3 年关东大地震，其他建筑都 倒塌了，但是建于1 9 2 1 年的日本东京“帝国饭店”却未坏，研究结果“建 筑支承在较薄的硬土层上( 相当于基础) 硬土层下是软泥层( 相当于 隔振结构) ；( 2 ) 1 9 7 6 年中国唐山地震，钢筋混凝土结构房屋倒塌了， 但是有几个砖结构房屋却由于基础下的软地基( 相当于隔振结构) 产 生滑移，而没有倒塌。 现在许多建筑抗震规范都要求：凡对地震破坏后对社会有严重影响的，对 国民经济有巨大损失的，或有特殊要求的建筑等，一般都要做减隔振设计。如 核电站、军事、通讯、医院等。 1 4 本文研究的主要内容 介绍集装箱起重机减隔振的可行方案，并进行双偏心回转支承式减隔振装 置设计、层叠橡胶式减隔振装置设计和滑移式减隔振装置设计。建立起重机单 自由度系统模型，运用反应谱理论并结合e lc e n t r o 波和s a nf e m a n d o 波的加速 度反应谱得到抗地震集装箱起重机减隔振装置所需的刚度和阻尼。运用时间历 程分析方法并输入e lc e n t r o 波和s a nf e m a n d o 波，得到加装减隔振装置后集装 箱起重机的加速度响应，验证减隔振装置是否有效隔离了地面加速度对起重机 1 0 第1 章绪论 的影响。介绍试验模型设计的相似理论，并以几何相似比1 1 5 按照模型与原型 加速度和材料相同得到模型的其他参数。随后完成双偏心回转支承式减隔振装 置相似模型设计，进行抗地震集装箱起重机模型试验，通过对大梁放平、减隔 振机构工作和大梁放平、减隔振机构锁死状态两种工况进行数据对比分析验证： 减隔振装置工作时，模型结构动力特性变化；水平加速度反应是否明显减小； 结构减隔振装置上部各点位移是否明显减小；各测点应变是否明显减小。 第2 章减隔振猫置l l r 行方颦 析 第2 章减隔振装置可行方案分析 21集装箱起重机结构简介 集装箱起重机由几大机构即起升机构、 | 1 = l 仰机构、运行小车系统、火车行 走机构和钢结构等组成，如图2l 所示。 幽2 i 蜒姨箱起重机 集装箱超重机起升机构的作用足实现吊具和集犍箱舶州降运动，它足集装 箱起晕机最t 要的 ：作结| f = | 。起川机构傲1 组或幽组对称柿置的起丹绞牟 ( 分别由台或i 口i 台电机驱动) 、相应的联轴器、制动器和减速器等部件组成， 通过驱动钢丝绳巷简进 r 卷扬动作。 在集装箱越重机l ，实脱6 口大粱绕大粱饺点作俯 1 运动的机构称之为俯仰 机构。电机通过联轴器，经减速箱等传动装置驰动钢丝绁卷筒进行卷绕动作室 现时大粱的俯仰运动。 在集装箱超重机上，使集装箱或吊具和忙架作水、1 t 往型运动的机构总成称 为运行小车系统。它包括运行小车总成、运行小车驱动机构、小车钢丝绳卷绕 繁2 章减隔振装置可行方案分橱 和安全保护装置。 在集装箱起重机上，大车行走机构的作用是实现整机沿着码头前沿轨道作 水平运动。大车行走机构壶设在f 1 框下的4 组行走台车组成。 2 2 集装箱起重机减隔振装置的四大功能 集装箱起重机减隔振装置与应用已比较成熟的建筑桥梁减隔振装置不同， 它必须具有麴大功缝。 1 ) 触发功能：在起重机承受正常工作载荷、风载荷或轻微地震时，减隔振 装置应能锁定，起重机上部结构和大车行走机构之闻刚牲连接。在地震 加速度达到0 3 9 以上时减隔振装置被触发，起减隔振作用。安全销、 弹簧的预紧力、滑动支庶的静摩擦力等均可起到触发功能的作用，也可 根据监测振动量的大小，设计控制系统来打开触发装置； 2 ) 支承滑移功能：减隔振装置不但要能支承起蘑机上部结构。而且要使起 重机上部结构和大车行走机构之闻产生相对滑移。双偏心回转支承结 构，即日本三菱重工和上海振华港机的方案就具有支承滑移功能。由聚 四氟乙烯和不锈钢钢板组成的滑碗、淆座是一种结构简单的支承滑移结 构； 3 ) 衰减功能：一般通过弹性调频和阻尼衰减来达到衰减功能。弹性元件如 金属螺旋弹簧、投弹簧、蝶形弹簧均可作为弹性元件，应阁最广泛的是 层叠橡胶支座( 普通型) ，铅芯层叠橡胶支座和高阻尼层叠支座等；阻 尼元件如撵塑性材料阻尼器( 低碳钢、铅等) 和油阻尼器( 内置硅胶) 、 摩擦阻尼器等； 4 ) 复位功能：震后超重机如果未被破坏，应尽快复位征常工作。弹簧或液 压推力油缸均能越到较好的复位功能。 2 3集装箱起重机减隔振装置可行设计方案分析 在集装箱起羹视下横梁与大车行走机构之闻安装抗地震装黉，如 图2 2 所示。具体的说，抗地震装置采取减隔振方法，所谓减隔振就是在构 造物的下方设置可以在水平方向移动的部件，弱q 做绝缘体，这是使地震的摇摆 1 4 第2 章减隔振装置可行方案分析 难以传递的方法。在地表面和构造物之间吸收摇摆的能量，即使在地表面以快 且大的加速度发生摇摆时，构造物只是慢慢地或者轻微的摇动。设置这种减隔 振装黄来限制摇摆的幅度即振幅，它延长了码头装卸起重机的固有周期，使其 超过地震波的振动周期，这样在地面和起重机间产生接近1 8 0 度的相位差，码 头装卸起重机不会跟随地面运动，免遭地震力的影响。 图2 2 抗地震装置安装在集装箱起重机上的示意图 可以用于集装箱起重机减隔振的装置有双偏心回转支承结构2 1 1 、层叠橡胶 支座【2 2 之5 1 、滑移支座 2 6 - 2 9 等，将在以下章节详细介绍。 2 2 1双偏心回转支承式减隔振装置设计 双偏心回转支承式减隔振装置已经由上海振华港机( 集团) 公司制造完成，其 设计图如图2 3 所示，照片如图2 4 所示，剖面结构示意图如图2 5 所示。 第2 章a | 精振装置ic r 仃冉寨分析 蚓23 般偏心同转立，庶式集娃耥起毒机抗地震装岸设幽 h2 4 烈偏心川转点乐式集城箱起皿机抗地健装置照片 第2 章减隔振装置可行方案分析 l2345 6 7 | | i， 脚 、 j 】一 、 l d 踟k q n o n q n o n q o x q o n o n 圈、n n n r n n 口、 爿1 黼雁 v 。 ii 蹶蒴溺淤澜。 翌 舅闼l l 淘l 、豳胜一盛k | ) d 、x v 婚 。卜一 罐 v |1i1 “ 、j | - f穆岔2 厢忒 1 2 。心刿、。 图2 5 双偏心同转支承式集装箱起重机抗地震装置剖面结构示意图 参看图2 3 、图2 3 和图2 5 ，本抗地震装置包括滑动装置、触发装置、阻尼 装置和复原装置。 滑动装置包括偏心回转支承支座2 ，上部偏心回转支承3 和下部偏心回转支 承4 。回转支承选用三排滚柱回转支承。上部三排滚柱回转支承通过高强度螺栓 同起重机下横梁1 连接，同时通过高强度螺栓同偏心回转支承支座3 连接；偏 心回转支承支座2 又通过高强度螺栓同下部三排滚柱回转支承连接，同时下部 三排滚柱回转支承又通过高强度螺栓同大车支座l o 连接。这样，整个滑动装置 将起重机钢结构同大车行走机构联为一体。 触发装置包括剪切销1 1 。正常工作时，通过触发装置把大车支座同起重机 下横梁联为一体。当地震水平载荷达到0 3 9 时，剪切销被剪断，起重机在小车 方向的运动被释放。但在正常工作载荷作用下，包括惯性力，风载的作用，能 保证触发装置不被启动。 阻尼装置装有上支座6 、下支座8 以及液压阻尼器7 。阻尼装置的上支座6 同起重机下横梁1 连接，下支座8 同大车支座1 0 连接。上支座6 和下支座8 之 间通过液压阻尼器7 相连接。这样，通过整个阻尼装置的上、下支座和液压阻 第2 章减隔振装蒌可行方寨分析 尼器将起重机下横梁同大车行走机构联为一体，但薅者之间带有阻尼和缓冲功 能，能吸收地震时产生的能量。 复原装置装有上支痉6 、下支座9 以及弹簧装置5 。复原装置的上支座6 将 弹簧装置5 同起重机下横梁1 连接，下支座9 同大车支座l o 连接，弹簧装置5 的两端分别阏两个支座连接。这样，通过整个复原装置的上、下支座和弹簧装 置将超重机下横梁同大车行走机构联为一体。弹簧能设定吊车的周期。起重机 正常工作情况下小车方向x 的自振频率为2 s 左右，当地震发生时，触发装置启 动，复原装置能将起重机x 方向的自振频率长周期他，达到4 s 左右或以上，在 地震后归位。 双偏心豳转支承式减隔振装置抗地震的王作过程如下： 巍地震发生，起重机小车方向的地震水平力使大车运行机构有绕着偏心回 转支承转动的趋势，大车支座l o 和回转支承支座2 之间有剪切销的趋势。当 小车方向的地震水平力超过预先设定的值，通常为起重机臼重的0 1 9 o 1 5 9 ， 剪切销被剪断，触发机构启动。这时，如果不考虑阻尼和复原装罱作用的话， 起重机可戳密盘地绕着偏心回转支承转动，超重视褶对予地面是浮动豹。在起 重机和大车行走机构相互转动的过程中，安装底座连同大车支座和起重机下横 梁之间也发生相对运动。这样，阻尼装置的液压阻尼器和复原装嚣的弹簧在外 力作用下被启动。其中，液压阻尼器将吸收地震产生的振动能量，并控制着起 重机在小车方向的滑动量。弹簧的作用是设定起重机在地震工况中的自振频率， 不| 司特性的弹簧会褥到不同的起重机小车方向x 的囱振频率。逶常，起藁机在 j 下常工作情况下小车方向x 自振频率为2 s 左右，当地震发生时，触发机构启动 后，弹簧的设定能将起重机小车方向x 的宣振频率长周期纯，达到4 s 左右或以 上。同时，复原装嚣在地震发生后能起到起重机和大车行逢机构之间重新归位 的作用。 选用圈转支承： 回转支承【3 0 】类似于特大型的滚动轴承，如图2 6 所示。它将机器的上部和 下部连接起来，用以支承上部的重量和工作受蘅，并使上部能相对于下部旋转。 1 8 第2 章减m 振裂性i j 仃方鬟分析 ”五! o d ； 蚓27 州转盘，r 诎向l 剖 第2 章减隔振装置可行方案分季嚣 此处选用三排滚柱式网转支承1 3 0 4 0 1 6 0 0 和1 3 0 。4 0 。1 8 0 0 ，回转支承规格见 表2 1 。 表2 1 三撩滚柱式固转支承( 1 3 系列) 蟊t2 3 0 0 - - 1 9 9 9 夕k 形尺寸安装尺寸 结构尺寸参 考 型号d dh d l d q h重 撵 强 量n nn 1 珏l瑚mm m n h nm mn m l k g 1 3 0 豹。1 4 1 5 9 51 2 0 52 1 5 躬1 2 5 74 52 652 l o5 01 3 1 3 0 4 0 1 6 0 01 7 9 51 4 0 52 2 01 7 4 31 4 5 74 82 662 l o5 01 5 2 0 1 3 0 筠。l s 1 9 9 51 6 0 52 2 01 9 4 31 6 5 74 8 2 6 62 l o 5 01 7 5 0 l3 0 4 0 2 0 0 0 2 2 2 l 1 7 7 92 3 l 2 1 5 5 1 8 4 56 0 3 3 62 1 9 5 42 4 0 a 2 2 。2 层叠橡胶式减隔振装置设计 23456 。 ， 7t 鬣缓：。 ， ， ， ， ， i ， - ， ， _ 叫r 节 | | l 国憋、g 、，。 忒 劲 图2 8 层叠橡胶支座式集装箱超重机抗地震装置剖面结构示意图 参看图2 8 ，在下横粱l 与大车行走机构6 之间安装抗地震装霄。本抗地震 装置包括触发装置和滑动、阻尼、复原装置。 滑动装餐通过铅芯层叠橡胶支座实现。根据起重机下横梁和大车行走机构 第2 章减隔振装置可行方案分析 之间的最大相对位移，选用相应的铅芯层叠橡胶支座。铅芯层叠橡胶支座通过 高强度螺栓同起重机下横梁l 连接，同时通过高强度螺栓同大车支座4 连接。 这样，整个滑动装置将起重机钢结构同大车行走机构联为一体。 触发装置包括剪切销3 和剪切销支座2 ，剪切销支座2 同起重机下横梁刚性 连接。正常工作时，通过触发装置把大车支座同起重机下横梁联为一体。当地 震水平载荷达到0 3 9 时，剪切销被剪断，起重机在小车方向的运动被释放。但 在j 下常工作载荷作用下，包括惯性力，风载的作用，能保证触发装置不被启动。 阻尼装置通过铅芯层叠橡胶支座的铅芯实现。使起重机下横梁同大车行走 机构之间带有阻尼和缓冲功能，能吸收地震时产生的能量。 复原装置通过铅芯层叠橡胶支座实现。铅芯层叠橡胶支座的水平刚度能设 定吊车的周期。起重机正常工作情况下小车方向x 的自振频率为2 s 左右，当地 震发生时，触发装置启动，复原装置能将起重机x 方向的自振频率长周期化， 达到4 s 左右或以上，在地震后归位。 层叠橡胶式减隔振装置抗地震的工作过程如下： 当地震发生，起重机小车方向的地震水平力使大车运行机构有偏离起重机 下横梁的趋势，。当小车方向的地震水平力超过预先设定的值，通常为起重机自 重的0 i g - - o 1 5 9 ，剪切销被剪断，触发机构启动