CN104239671A - 岸桥抗震设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种岸桥抗震设计方法，该方法包含：求得地震下岸桥处于弹性阶段时的第一地震耗能需求和第一结构耗能能力；比较第一地震耗能需求和第一结构耗能能力的大小，若第一地震耗能需求小于第一结构耗能能力，则岸桥抗震结构满足弹性状态的抗震能力；求得地震下岸桥处于弹塑性阶段时的第二地震耗能需求和第二结构耗能能力；比较第二地震耗能需求和第二结构耗能能力的大小，若第二地震耗能需求小于第二结构耗能能力，则岸桥抗震结构满足弹塑性状态的抗震能力。本发明运用能量法进行集装箱起重机抗震设计，计算并比较岸桥处于弹性状态和弹塑性状态下的地震耗能需求和结构耗能能力，以获取岸桥抗震的设计参数，简单实用。

Description

岸桥抗震设计方法

技术领域

本发明涉及抗震理论方法研究的技术领域，具体涉及一种基于能量法的岸桥抗震设计方法。 

背景技术

世界上主要港口绝大多数位于环太平洋地震带，这些港口不仅是各国的主要贸易进出口基地，同时又是在紧急情况下各类物资装卸、运输的主要动脉。岸边集装箱起重机(简称岸桥)是目前世界上大型港口用于整箱货物装卸效率最高，应用最为广泛的设备，作为海洋运输的重要环节，承担着连接水陆运输的集装箱装卸作业的重任，而地震潜在地威胁着码头的岸边集装箱起重机。迄今为止，建筑抗震设计理论的发展大致经历了静力理论、反应谱理论、动力理论、基于性能的设计理论等四个阶段，国内外桥梁、建筑结构的抗震研究理论已经有了比较深入的研究和了解，各国相应制定了桥梁和建筑结构的抗震设计规范，使桥梁和建筑结构的抗震设计有迹可循。但是目前对于处于海岸沿线繁忙工作的集装箱起重机抗震理论的研究却是极其微小的，不仅尚未形成规范化的抗震设计体系，甚至未对抗震设计提出明确要求。例如在我国08年汶川地震后，桥梁、建筑结构抗震规范都有相应改动，但是《起重机设计规范》在抗震方面却仍然没有针对性改变。目前岸桥抗震设计缺少实用简单有效的方法。 

发明内容

本发明提供一种岸桥抗震设计方法，运用能量法进行集装箱起重机抗震设计，简单实用。 

为实现上述目的，本发明提供一种岸桥抗震设计方法，其特点是，该方法包含： 

求得地震下岸桥处于弹性阶段时的第一地震耗能需求和第一结构耗能能力； 

比较第一地震耗能需求和第一结构耗能能力的大小，若第一地震耗能需求小于第一结构耗能能力，则岸桥抗震结构满足弹性状态的抗震能力； 

求得地震下岸桥处于弹塑性阶段时的第二地震耗能需求和第二结构耗能能力； 

比较第二地震耗能需求和第二结构耗能能力的大小，若第二地震耗能需求小于第二结构耗能能力，则岸桥抗震结构满足弹塑性状态的抗震能力。 

上述第一地震耗能需求以式(1)求得： 

$E_d=\frac{1}{2}M{V}_d^2---\left(1\right)$

其中，E_d为岸桥处于弹性阶段时地震耗能需求；M为岸桥结构的总质量除以重力加速度；V_d为岸桥处于弹性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值。 

上述岸桥处于弹性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值V_d由以下关系式获得： 

当T_d<0.16，则 $V_d=\frac{T_d}{2\mathrm{\&pi;}}(0.64+6T_d)\&CenterDot;\mathrm{Gs};$

当0.16≤T_d<0.64，则

当0.64≤T_d，则 $V_d=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}1.024\&CenterDot;\mathrm{Gs};$

其中，T_d为岸桥固有周期，G_s为场地影响系数。 

上述第一结构耗能能力W_e1为岸桥处于弹性阶段的损伤界线时的结构耗能能力，第一结构耗能能力W_e1以式(2)求得： 

W_e1＝∑W_fi        (2) 

其中，W_fi为第i层岸桥主结构的弹性变形能，以式(3)求得： 

$W_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{fi}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{fi}}---\left(3\right)$

其中，Q_fi为结构第i层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_fi为第i层达到损伤界限时岸桥的层间位移。 

上述第二地震耗能需求以式(5)求得： 

$E_s=\frac{1}{2}M{V}_s^2--\left(5\right)$

其中，E_s为岸桥处于弹塑性阶段时地震耗能需求；M为岸桥结构的总质量除以重力加速度；V_s为岸桥处于弹塑性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值。 

上述岸桥处于弹塑性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值V_s由以下关系式获得： 

当T_s<0.16，则 $V_s=\frac{T_s}{2\mathrm{\&pi;}}(3.2+30T_s)\&CenterDot;\mathrm{Gs};$

当0.16≤T_s<0.64，则

当0.64≤T_s，则 $V_s=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}5.12\&CenterDot;\mathrm{Gs};$

其中，G_s为场地影响系数；T_s为岸桥结构弹塑性阶段的有效周期，由岸桥的固有周期T_d乘以折减系数k确定，即T_s＝kT_d。 

上述岸桥为有支撑的钢结构，k＝1.4。 

上述第二结构耗能能力W_e2为岸桥主结构达到最大允许位移时的弹塑性变形能，第二结构耗能能力W_e2以式(6)求得： 

W_e2＝∑W_fi+∑W_fj     (6) 

当第i层主结构没有超过弹性阶段时，该层的弹性变形能W_fi按式(3)求得： 

$w_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{fi}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{fi}}---\left(3\right)$

其中，Q_fi为结构第i层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_fi为第i层达到损伤界限时岸桥的层间位移； 

当第j层主结构超过弹性阶段进入弹塑性阶段时，该层的弹塑性变形能W_fj按式(7)计算： 

$W_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{yj}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yj}}+\frac{1}{2}(Q_{\mathrm{fj}}+Q_{\mathrm{yj}})\&CenterDot;({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{fj}}-{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yj}})---\left(7\right)$

其中，Q_yj为结构第j层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_yj为第j层达到损伤界限时岸桥的层间位移；Q_fj为结构第j层达到安全界限时地震水平作用力；δ_fj为第j层达到安全界限时岸桥的层间位移。 

上述场地影响系数G_s由以下关系式获得： 

当T_d<0.64，则G_s＝1.5； 

当0.64<T_d<0.864，则

当0.864≤T_d，则G_s＝2.025； 

其中T_d为岸桥的固有周期。 

求取第i层岸桥主结构的弹性变形能W_fi的方法包含： 

建立岸桥的结构模型； 

在岸桥结构的相应节点处施加地震作用力； 

该地震作用力基于A_i分布，从小到大逐渐增加，直到岸桥结构中任意部位达到弹性阶段地震作用下的允许应力值时，停止增加； 

提取岸桥层间位移并按照式(3)求取岸桥结构所能吸收的第i层岸桥主结构的弹性变形能W_fi； 

其中A_i为地震层间剪力系数比，。如式(4)： 

$A_{i}1+(\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i}}-{\mathrm{\&alpha;}}_i)\frac{2T_d}{1+3T_d}---\left(4\right)$

其中，N为岸桥模型简化层数；m_i为岸桥各个简化质点的质量；M为岸桥的总质量；T_d为岸桥的固有周期。 

本发明岸桥抗震设计方法和现有技术的岸桥设计技术相比，其优点在于，本发明运用能量法进行集装箱起重机抗震设计，计算并比较岸桥处于弹性状态和弹塑性状态下的地震耗能需求和结构耗能能力，以获取岸桥抗震的设计参数，简单实用。 

附图说明

图1为本发明岸桥抗震设计方法的方法流程图。 

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。 

本发明公开一种岸桥抗震设计方法。本发明中基于能量法的岸桥抗震设计方法采用两阶段设计，即结构在多遇地震作用下应进行弹性阶段(第一阶段)的能量抗震能力验算，以及在罕遇地震作用下应进行薄弱部位弹塑性阶段(第二阶段)变形消耗能量的抗震验算。 

如图1所示，该岸桥抗震设计方法包含以下步骤： 

步骤1、能量法抗震验算。本发明基于能量的抗震分析方法的原理简单，认为岸桥结构在地震中的反应是一个耗散地震输入能量的过程。结构耗散的形式主要是塑性滞回耗能，滞回耗能导致结构产生损伤。基于能量的抗震设计方法的控制指标就是：地震总输入能量≤岸桥结构耗能能力。 

步骤2、确定岸桥结构方案。以获得岸桥固有参数。 

步骤3、相关参数准备计算，此相关参数为用于计算岸桥在弹性状态和弹塑性状态下的地震耗能需求和结构耗能能力，下文中结合地震耗能需求和结构耗能能力的计算具体说明其相关参数的计算。 

步骤4、建立岸桥简化模型。 

步骤5、求得地震下岸桥处于弹性阶段时的第一地震耗能需求和第一结构耗能能力。 

步骤5.1、计算第一地震耗能需求。该第一地震耗能需求以式(1)求得： 

$E_d=\frac{1}{2}M{V}_d^2---\left(1\right)$

其中，E_d为岸桥处于弹性阶段时地震耗能需求，单位为kN·m；M为岸桥结构的总质量(恒载、动载、积雪荷载之和)除以重力加速度；V_d为岸桥处于弹性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值，单位为m/s。 

岸桥处于弹性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值V_d由以下关系式获得： 

当T_d<0.16，则 $V_d=\frac{T_d}{2\mathrm{\&pi;}}(0.64+6T_d)\&CenterDot;\mathrm{Gs};$

当0.16≤T_d<0.64，则

当0.64≤T_d，则 $V_d=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}1.024\&CenterDot;\mathrm{Gs};$

其中，T_d为岸桥固有周期，单位为s；G_s为场地影响系数。 

场地影响系数G_s由以下关系式获得： 

当T_d<0.64，则G_s＝1.5； 

当0.64<T_d<0.864，则

当0.864≤T_d，则G_s＝2.025； 

其中T_d为岸桥的固有周期。 

步骤5.2、计算第一结构耗能能力。第一结构耗能能力W_e1为岸桥处于弹性阶段的损伤界线时的结构耗能能力。根据第一阶段的设计目标，第一水准地震作用下主结构不屈服，故第一阶段设计时结构的耗能能力等于主结构的弹性变形能，达到弹性阶段的损伤界线时第一结构耗能能力W_e1以式(2)求得： 

W_e1＝∑W_fi     (2) 

其中，W_fi为第i层岸桥主结构的弹性变形能，以式(3)求得： 

$W_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{fi}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{fi}}---\left(3\right)$

其中，Q_fi为结构第i层达到损伤界限时地震水平作用力，单位为kN；δ_fi为第i层达到损伤界限时岸桥的层间位移，单位为m。 

求取第i层岸桥主结构的弹性变形能W_fi的方法包含：首先如步骤2和步骤4，在有限元分析软件ANSYS中建立岸桥的结构模型。在岸桥结构的 相应节点处施加地震作用力。该地震作用力基于A_i分布，从小到大逐渐增加，直到岸桥结构中任意部位达到弹性阶段地震作用下的允许应力值时，停止增加；最后提取岸桥层间位移并按照式(3)求取岸桥结构所能吸收的第i层岸桥主结构的弹性变形能W_fi。 

其中A_i为地震层间剪力系数比，。如式(4)： 

$A_{i}1+(\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i}}-{\mathrm{\&alpha;}}_i)\frac{2T_d}{1+3T_d}---\left(4\right)$

其中，N为岸桥模型简化层数；m_i为岸桥各个简化质点的质量；M为岸桥的总质量；T_d为岸桥的固有周期。 

步骤6、判断第一结构耗能能力是否大于等于第一地震耗能需求。 

若是，第一地震耗能需求小于第一结构耗能能力，则验算通过，岸桥抗震结构满足弹性状态的抗震能力，小震作用下岸桥可以保证地震持续时间内保持弹性状态，可以进入第二阶段抗震验算，即跳转到步骤7。 

若否，则设计验算不通过，结构不能满足弹性阶段的抗震要求，震作用下岸桥不能保证地震持续时间内保持弹性状态，需重新设计结构尺寸，即跳转到步骤2，重新确定岸桥结构方案。 

完成上述第一阶段的设计后，进行第二阶段的设计。第二阶段设计规定的安全界限为，在罕遇地震作用下岸桥下部门框结构的联系平衡梁节点处的位移不超过弹塑性下的最大位移限值，即岸桥结构在整个地震持续过程中可以进入弹塑性阶段，但地震作用下岸桥结构重要部位的位移变形量需遵从位移控制。 

步骤7、求得地震下岸桥处于弹塑性阶段时的第二地震耗能需求和第二结构耗能能力。 

步骤7.1、计算第二地震耗能需求，第二地震耗能需求以式(5)求得： 

$E_s=\frac{1}{2}M{V}_s^2--\left(5\right)$

其中，E_s为岸桥处于弹塑性阶段时地震耗能需求；M为岸桥结构的总质量除以重力加速度；V_s为岸桥处于弹塑性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值，单位为m/s。 

岸桥处于弹塑性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值V_s由以下关系式获得： 

当T_s<0.16，则 $V_s=\frac{T_s}{2\mathrm{\&pi;}}(3.2+30T_s)\&CenterDot;\mathrm{Gs};$

当0.16≤T_s<0.64，则

当0.64≤T_s，则 $V_s=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}5.12\&CenterDot;\mathrm{Gs}.$

其中，G_s为场地影响系数，与上述步骤5.1相同，场地影响系数G_s由以下关系式获得： 

当T_d<0.64，则G_s＝1.5； 

当0.64<T_d<0.864，则

当0.864≤T_d，则G_s＝2.025； 

其中T_d为岸桥的固有周期。 

T_s为岸桥结构弹塑性阶段的有效周期，由岸桥的固有周期T_d乘以折减系数k确定，即T_s＝kT_d。对于岸桥这种有支撑的钢结构，可取k＝1.4。 

步骤7.2、计算第二结构耗能能力W_e2。根据第二阶段的设计目标，在罕遇地震作用下岸桥主结构不发生倒塌，故第二阶段设计时结构的耗能能力等于主结构达到最大允许位移时的弹塑性变形能。因此，达到第二阶段安全界限时结构的耗能能力W_e按下式(6)求得： 

W_e2＝∑W_fi+∑W_fj     (6) 

当第i层主结构没有超过弹性阶段时，该层的弹性变形能W_fi按式(3)求得： 

$W_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{fi}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{fi}}---\left(3\right)$

其中，Q_fi为结构第i层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_fi为第i层达到损伤界限时岸桥的层间位移。 

求取第i层岸桥主结构的弹性变形能W_fi的方法包含：首先如步骤2和步骤4，在有限元分析软件ANSYS中建立岸桥的结构模型。在岸桥结构的相应节点处施加地震作用力。该地震作用力基于A_i分布，从小到大逐渐增加，直到岸桥结构中任意部位达到弹性阶段地震作用下的允许应力值时，停止增加；最后提取岸桥层间位移并按照式(3)求取岸桥结构所能吸收的第i层岸桥主结构的弹性变形能W_fi。 

其中A_i为地震层间剪力系数比，。如式(4)： 

$A_{i}1+(\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i}}-{\mathrm{\&alpha;}}_i)\frac{2T_d}{1+3T_d}---\left(4\right)$

其中，N为岸桥模型简化层数；m_i为岸桥各个简化质点的质量；M为岸桥的总质量；T_d为岸桥的固有周期。 

当第j层主结构超过弹性阶段进入弹塑性阶段时，该层的弹塑性变形能W_fj按式(7)计算： 

$W_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{yj}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yj}}+\frac{1}{2}(Q_{\mathrm{fj}}+Q_{\mathrm{yj}})\&CenterDot;({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{fj}}-{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yj}})---\left(7\right)$

其中，Q_yj为结构第j层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_yj为第j层达到损伤界限时岸桥的层间位移；Q_fj为结构第j层达到安全界限时地震水平作用力；δ_fj为第j层达到安全界限时岸桥的层间位移。 

本实施例中，设第i层和第j层为岸桥结构中不同的两层。其中第i层未超过损伤界限，第j层超过损伤界限，但未超过安全界限。 

另，损伤界限指结构应力到达屈服极限；安全界限指结构水平位移达到允许最大位移。 

步骤8、判断第二结构耗能能力是否大于等于第二地震耗能需求。 

若是，第二地震耗能需求小于第二结构耗能能力，则验算通过，结构能够满足第二阶段弹塑性状态的抗震能力，大震作用下岸桥可以保证地震持续时间内处于安全界限以内，跳转到步骤9。 

若否，则验算不通过，结构不能满足第二阶段的抗震要求，大震作用下岸桥不能保证地震持续时间内处于安全界限内，存在倒塌可能，即跳转到步骤2，重新确定岸桥结构方案，重新设计结构尺寸以满足第二阶段抗震要求。 

步骤9、抗震设计验算结束。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (10)

1.一种岸桥抗震设计方法，其特征在于，该方法包含： 

求得地震下岸桥处于弹性阶段时的第一地震耗能需求和第一结构耗能能力； 

比较第一地震耗能需求和第一结构耗能能力的大小，若第一地震耗能需求小于第一结构耗能能力，则岸桥抗震结构满足弹性状态的抗震能力； 

求得地震下岸桥处于弹塑性阶段时的第二地震耗能需求和第二结构耗能能力； 

比较第二地震耗能需求和第二结构耗能能力的大小，若第二地震耗能需求小于第二结构耗能能力，则岸桥抗震结构满足弹塑性状态的抗震能力。 

2.如权利要求1所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述第一地震耗能需求以式(1)求得： 

其中，E_d为岸桥处于弹性阶段时地震耗能需求；M为岸桥结构的总质量除以重力加速度；V_d为岸桥处于弹性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值。 

3.如权利要求2所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述岸桥处于弹性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值V_d由以下关系式获得： 

当T_d<0.16，则

当0.16≤T_d<0.64，则

当0.64≤T_d，则

其中，T_d为岸桥固有周期，G_s为场地影响系数。 

4.如权利要求1所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述第一结构耗能 能力W_e1为岸桥处于弹性阶段的损伤界线时的结构耗能能力，第一结构耗能能力W_e1以式(2)求得： 

W_e1＝∑W_fi    (2) 

其中，W_fi为第i层岸桥主结构的弹性变形能，以式(3)求得： 

其中，Q_fi为结构第i层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_fi为第i层达到损伤界限时岸桥的层间位移。 

5.如权利要求1所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述第二地震耗能需求以式(5)求得： 

其中，E_s为岸桥处于弹塑性阶段时地震耗能需求；M为岸桥结构的总质量除以重力加速度；V_s为岸桥处于弹塑性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值。 

6.如权利要求5所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述岸桥处于弹塑性阶段时地震作用于岸桥能量的速度换算值V_s由以下关系式获得： 

当T_s<0.16，则

当0.16≤T_s<0.64，则

当0.64≤T_s，则

其中，G_s为场地影响系数；T_s为岸桥结构弹塑性阶段的有效周期，由岸桥的固有周期T_d乘以折减系数k确定，即T_s＝kT_d。 

7.如权利要求6所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述岸桥为有支撑 的钢结构，k＝1.4。 

8.如权利要求1所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述第二结构耗能能力W_e2为岸桥主结构达到最大允许位移时的弹塑性变形能，第二结构耗能能力W_e2以式(6)求得： 

W_e2＝∑W_fi+∑W_fj    (6) 

当第i层主结构没有超过弹性阶段时，该层的弹性变形能W_fi按式(3)求得： 

其中，Q_fi为结构第i层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_fi为第i层达到损伤界限时岸桥的层间位移； 

当第j层主结构超过弹性阶段进入弹塑性阶段时，该层的弹塑性变形能W_fj按式(7)计算： 

其中，Q_yj为结构第j层达到损伤界限时地震水平作用力；δ_yj为第j层达到损伤界限时岸桥的层间位移；Q_fj为结构第j层达到安全界限时地震水平作用力；δ_fj为第j层达到安全界限时岸桥的层间位移。 

9.如权利要求3或6所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，所述场地影响系数G_s由以下关系式获得： 

当T_d<0.64，则G_s＝1.5； 

当0.64<T_d<0.864，则

当0.864≤T_d，则G_s＝2.025； 

其中T_d为岸桥的固有周期。 

10.如权利要求4或8所述的岸桥抗震设计方法，其特征在于，求取第i层岸 桥主结构的弹性变形能W_fi的方法包含： 

建立岸桥的结构模型； 

在岸桥结构的相应节点处施加地震作用力； 

该地震作用力基于A_i分布，从小到大逐渐增加，直到岸桥结构中任意部位达到弹性阶段地震作用下的允许应力值时，停止增加； 

提取岸桥层间位移并按照式(3)求取岸桥结构所能吸收的第i层岸桥主结构的弹性变形能W_fi； 

其中A_i为地震层间剪力系数比，如式(4)： 

其中，N为岸桥模型简化层数；m_i为岸桥各个简化质点的质量；M为岸桥的总质量；T_d为岸桥的固有周期。