岸邊集裝箱起重機風致振動研究

岸邊集裝箱起重機風致振動研究

岸邊集裝箱起重機風致振動研究

                                                  桂壽平  呂英俊 劉樹道 桂程飛  陸麗芳

摘要：針對岸邊集裝箱起重機（簡稱岸橋）的結構特點及其工作環境的特殊性，采用Wilson-θ法推導了脈動風壓作用下結構的動力響應計算公式，通過編制風振計算分析程序，并針對實際的岸橋，進行風振計算機仿真。

關鍵詞：風振   Wilson-θ法  動力響應 計算機仿真

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

起重機作為一種高聳結構，對地震及風荷載的影響十分敏感。尤其是近年來，起重機數量增多，高度增加，風致振動影響愈來愈多，風毀事故也時有發生。寧波港鎮海作業區兩臺10t門座起重機，分別于1979年和1980年在非工作狀態時，因風振引起箱形矩形截面拉桿斷裂；上海港、天津港也都出現過由風振引起的起重機拉桿斷裂事故，嚴重影響了港口的正常工作，造成極大的經濟損失。由于岸橋處于碼頭前沿工作，其迎風面積大，風力作用中心高，重心高，極易引起風振，造成事故。隨著國際貿易的發展，集裝箱運量激增，岸橋不斷朝著大型化、高效化方向發展，對風致振動更為敏感。因此有必要對其風振現象進行研究。本文針對岸橋的風振現象，建立相關的力學與數學模型及其計算機仿真，獲得風振過程中仿真性態，適用于設計、檢測與有關技術管理部門分析與參考。

1．結構簡圖

如圖1所示，通常在岸橋基距小于軌距的情況下，風荷載產生的作用（平行

于大車軌道方向，岸橋結構迎風面積大），作為基本建模依據。

 

圖1   岸邊集裝箱起重機鋼結構簡圖

2．岸橋鋼結構風振的計算模型

起重機風荷載分工作狀態與非工作狀態兩類。非工作狀態下所承受的風荷載比工作狀態下的風荷載大得多，更容易造成風致破壞，因此研究非工作狀態下起重機的風致振動具有直接的現實意義。

計算模型為多質點組合鋼架體系。其所受風荷載根據脈動風的隨機性特點，采用時域內的隨機模擬方法，模擬成時間的函數作用于各質點，在時間域內直接求解運動微分方程求得結構的響應。圖2

所示為岸橋鋼結構的計算模型，為便于計算，將圖2所示模型簡化為圖3所示模型。

圖2  岸橋的計算模型        

圖3  簡化后的模型

岸橋鋼結構風振響應的動力學方程一般為：

  ……（1）

式中，M、C、K分別為岸橋鋼結構的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣； 、 、 分別為岸橋鋼結構的位移、速度和加速度向量；F為結構的脈動風荷載向量。

在時域內求解方程（1）采用Wilson-θ法，計算和分析表明，此法通常為無條件穩定，只要積分步長取得合適，就能得到滿意結果。

根據Wilson-θ法的原理，由文獻[1]給出一個動力學方程，設第n步的系統位移向量

及其導數 及 已知，要預測下一步位移向量，假設加速度向量 按直線增加。令 代表計算步長，并設定：在從t到 （ ）這一時間區段中任一時間

的加速度按下式變化：

            

對上式進行一次和二次積分，并以 取代 可得到 時刻的加速度和速度向量的表達式，并代入式（1），經整理可得：

                       …………(2)

式中

　　　

　　　　　　

系數 ； ； ；

對于一個已知系統，

及 是已知的，因此解線性方程(2)就可得到 時刻的位移向量 ，對其進行積分后便可得 及 。

求得

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

     

     

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