岸邊集裝箱起重機(jī)風(fēng)致振動(dòng)研究

岸邊集裝箱起重機(jī)風(fēng)致振動(dòng)研究

                                                  桂壽平  呂英俊 劉樹道 桂程飛  陸麗芳

摘要：針對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)（簡(jiǎn)稱岸橋）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作環(huán)境的特殊性，采用Wilson-θ法推導(dǎo)了脈動(dòng)風(fēng)壓作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算公式，通過編制風(fēng)振計(jì)算分析程序，并針對(duì)實(shí)際的岸橋，進(jìn)行風(fēng)振計(jì)算機(jī)仿真。

關(guān)鍵詞：風(fēng)振   Wilson-θ法  動(dòng)力響應(yīng) 計(jì)算機(jī)仿真

Study of the quayside container crane’s wind vibration

Abstract：Aim at the quayside container crane’s structure characteristic and its special work condition, with the method of Wilson-θ, deduced the crane’s calculate formula of dynamic response under wind press, compiled the corresponding program. As an example,

a container crane was calculated, and was used for computer simulation.

Keywords: wind vibration; the method of Wilson-θ; dynamic response; computer simulation;

引言

起重機(jī)作為一種高聳結(jié)構(gòu)，對(duì)地震及風(fēng)荷載的影響十分敏感。尤其是近年來，起重機(jī)數(shù)量增多，高度增加，風(fēng)致振動(dòng)影響愈來愈多，風(fēng)毀事故也時(shí)有發(fā)生。寧波港鎮(zhèn)海作業(yè)區(qū)兩臺(tái)10t門座起重機(jī)，分別于1979年和1980年在非工作狀態(tài)時(shí)，因風(fēng)振引起箱形矩形截面拉桿斷裂；上海港、天津港也都出現(xiàn)過由風(fēng)振引起的起重機(jī)拉桿斷裂事故，嚴(yán)重影響了港口的正常工作，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。由于岸橋處于碼頭前沿工作，其迎風(fēng)面積大，風(fēng)力作用中心高，重心高，極易引起風(fēng)振，造成事故。隨著國際貿(mào)易的發(fā)展，集裝箱運(yùn)量激增，岸橋不斷朝著大型化、高效化方向發(fā)展，對(duì)風(fēng)致振動(dòng)更為敏感。因此有必要對(duì)其風(fēng)振現(xiàn)象進(jìn)行研究。本文針對(duì)岸橋的風(fēng)振現(xiàn)象，建立相關(guān)的力學(xué)與數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算機(jī)仿真，獲得風(fēng)振過程中仿真性態(tài)，適用于設(shè)計(jì)、檢測(cè)與有關(guān)技術(shù)管理部門分析與參考。

1．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖1所示，通常在岸橋基距小于軌距的情況下，風(fēng)荷載產(chǎn)生的作用（平行

于大車軌道方向，岸橋結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積大），作為基本建模依據(jù)。

 

圖1   岸邊集裝箱起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2．岸橋鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)振的計(jì)算模型

起重機(jī)風(fēng)荷載分工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)兩類。非工作狀態(tài)下所承受的風(fēng)荷載比工作狀態(tài)下的風(fēng)荷載大得多，更容易造成風(fēng)致破壞，因此研究非工作狀態(tài)下起重機(jī)的風(fēng)致振動(dòng)具有直接的現(xiàn)實(shí)意義。

計(jì)算模型為多質(zhì)點(diǎn)組合鋼架體系。其所受風(fēng)荷載根據(jù)脈動(dòng)風(fēng)的隨機(jī)性特點(diǎn)，采用時(shí)域內(nèi)的隨機(jī)模擬方法，模擬成時(shí)間的函數(shù)作用于各質(zhì)點(diǎn)，在時(shí)間域內(nèi)直接求解運(yùn)動(dòng)微分方程求得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。圖2

所示為岸橋鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，為便于計(jì)算，將圖2所示模型簡(jiǎn)化為圖3所示模型。

圖2  岸橋的計(jì)算模型        

圖3  簡(jiǎn)化后的模型

岸橋鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程一般為：

  ……（1）

式中，M、C、K分別為岸橋鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣； 、 、 分別為岸橋鋼結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度向量；F為結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)荷載向量。

在時(shí)域內(nèi)求解方程（1）采用Wilson-θ法，計(jì)算和分析表明，此法通常為無條件穩(wěn)定，只要積分步長取得合適，就能得到滿意結(jié)果。

根據(jù)Wilson-θ法的原理，由文獻(xiàn)[1]給出一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程，設(shè)第n步的系統(tǒng)位移向量

及其導(dǎo)數(shù) 及 已知，要預(yù)測(cè)下一步位移向量，假設(shè)加速度向量 按直線增加。令 代表計(jì)算步長，并設(shè)定：在從t到 （ ）這一時(shí)間區(qū)段中任一時(shí)間

的加速度按下式變化：

            

對(duì)上式進(jìn)行一次和二次積分，并以 取代 可得到 時(shí)刻的加速度和速度向量的表達(dá)式，并代入式（1），經(jīng)整理可得：

                       …………(2)

式中

　　　

　　　　　　

系數(shù) ； ； ；

對(duì)于一個(gè)已知系統(tǒng)，

及 是已知的，因此解線性方程(2)就可得到 時(shí)刻的位移向量 ，對(duì)其進(jìn)行積分后便可得 及 。

求得

時(shí)刻的位移、速度、加速度向量之后，用線性插值的方法退回到 ，求出 時(shí)刻的位移、速度和加速度向量 、 、 ，以作為下一步計(jì)算的起點(diǎn)。

     

     

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