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以限制大型集装箱起重机损坏和放塌的地震响应分析设计和建议
Erik Soderberg1 and Michael Jordan2
1 Erik Soderberg, SE, Principal, Liftech Consultants Inc., 344 20th Street, Suite 360, Oakland, CA 94612: Tel 510-832-5606, Fax 510-832-2436; esoderberg@liftech.net
2 Michael Jordan, SE, CEO, Liftech Consultants Inc.; mjordan@liftech.net
简介
集装箱起重机已经已经成为服务于越来越大的船舶的重要工具了。现在典型的起重机的已经是原来起重机大小的三倍，它更重和更容易受到地震事件的伤害。
对于详细的历史结果的分析，这些大型起重机的地震易损性最近才被确认。本文讨论了什么造成了这些弱点。对历史数据的分析，主要有码头和起重机相互影响的物理解释，码头和起重机的抗震设计标准不一致性，推荐的设计标准，以及一些基本的分离修改概念。
改变了什么
第一个码头集装箱是在1959年由Paceco为美森导航系统设计建造的，它的轨距33，重量不到1000千克。同样在1960年代，轨距50的更大的起重机被建成.在1970年代，为服务于巴拿马第一船舶而建造的起重机有100轨距和135的延伸。在1990年代开始到现在，为了满足能运输22个以及更多的集装箱的船舶。更大，更重的起重机被广泛建造。
在有大风的地区时，起重机需要和码头链接牢固。因此当有大风预报时，系牢起重机就是唯一的防御方法了。然而起重机往往并没有和码头相连接，这样它就可以从栏杆上提起。但是在地震事件中，当起重机的腿从栏杆上抬起时，起重机的响应被中断了。因此，地震事件引起的横向载荷仅限于倾覆力。
图一显示了1960年代的一个典型的50轨距的巴拿马起重机和一个现在的一个100轨距的大型起重机。值得注意的是50轨距起重机的前端惯性载荷约为0.3g和300磅，轨距100起重机的前端惯性载荷大约为0.5g和1500磅。当吊销吊重物时，所有的载荷仅仅通过两条支腿来承担的。同样值得注意的是桥门机的高度更高于轨距100的起重机，而在桥门机支撑腿的顶部部分是结构破坏最可能发生的地方，这部分的载荷等同于数倍的横向力。轨距100起重机的这部分比轨距50其中的这部分更为显著，并且由于其他所有载荷的组合，这部分的受力情况更为复杂。
图一 小型起重机和大型起重机的倾覆力
对于旧的起重机，它的地震引起的载荷和其它载荷的差异并不是那么标志，那么明显。即使起重机不是为倾覆力而设计的，其结构通常也需要足够的强度和延展性，以保证它不会在大的震动中断裂。然而，承受更大差异载荷的巨型吊车必须考虑到地震荷载，不然这些起重机将在倾翻之前先行散架。
历史数据的分析
由于传统的人字起重机的重心近似是在起重机轨道之间，当轨道的布置因不合理而变的不稳定时，横向地震力会将起重机从轨道上抬起。这对低重心的起重机来说是不正确的。满载的低重心起重机的重心几乎超出了门轨。参见图2。临近海边的支腿的一个小的提升都会造成起重机的倾覆。
图二 低重心的起重机
为了探讨低重心起重机在高地震区域中使用的可行性，曾启动过一个低重心起重机的响应的历史分析。并且，也对传统的人字起重机的反应进行了研究。
这些调查导致了令人惊讶的发现，无论是低重心起重机还是传统的人字起重机在地震事件中都容易倒塌。
在此之前，对起重机的响应进行研究仅仅是为了确定起重机对码头的影响。由于码头和起重机动态特性的差异，起重机降低了码头的位移。参见图3。在地震中，最初的起重机移动很小，因为码头在它下面移动。在一段较长的时间段，起重机几乎是静止的。当码头移动时，起重机阻止码头的运动，并减少了支腿上的力。研究证实，起重机降低了码头的地震力。
但对起重机来说究竟发生了什么？起重机吊车运行方向的位移在10秒的初始地面运动后达到最高峰。巨型起重机可以在门式铁的水平上晃到30英寸。典型起重机的问题是门式钢架腿的顶部强度和延展性不足。
平行于龙门的抗侧向力框架是一个灵活的O型框架，而这个方向的倾翻力通常较低，所以桶架运动方向上的抗震设计力不会产生明显的应力。
向水面位移与时间图
POLA CLE2没有隆起的地动设计
图三 起重机和码头的地震反应
标准地震——起重机与码头
码头设计标准和起重机的设计标准一直不一致。码头常常被设计为抗三级地震，不同等级的地震会有相应的允许损坏值。码头目前的设计标准表是由Piers和 Wharves通过ASCE COPRI抗震设计指南研究讨论出来的。
表一：近来码头的设计标准
典型起重机的设计规范：0.2G起重机的横向轻微损坏
一些通过码头设计标准建造的起重机在OLE等级时会产生更多的微小损坏，甚至有的起重机在CLE等级和ULE等级时还会断裂坍塌。对于许多利益相关者（运营商，业主，托运人)来说，在地震之后，码头和起重机还可以运行和维修是一个不正确的观点。事实上，尽管在地震之后，码头也许可以运行操作，但是起重机可能就不牢固或者完全无法使用。
对这样的困境有一个解决的办法，可以增加一些少量的成本来设计新的起重机和码头设计标准,对于现有的起重机可以被评估或者翻新改造，如果必要的话吗，就像对现有建筑改造一样改造起重机。
建议
新起重机的方法
有三种新的起重机的设计方法：
力学理论
提高起重机的强度和刚度来使起重机的支腿能够抵挡倾覆力，即使当一个足够到能把起重机从钢轨上推翻的侧向力存在时，起重机的支腿也不会断裂坍塌。力学理论标准并不适应于低重心的起重器，并且对一些巨型起重机来说，该理论是不切实际的。
替代理论
设计侧向力来抵挡局部变形量，使之达到能够接受的标准范围。通常对于30英尺的门梁来说，它的每一处都不会超过规定的应变极限。对于那些应力大于屈服应力0.8倍以上的零件来说，这些零件应该加固并且做成符合AISC抗震设计手册的要求特殊弯矩框架。对于典型的集装箱起重机来说，在门梁和支腿接缝处部分的全部框架都按照AISC抗震框架标准来设计是没有好处的。下见图4
图四 地震紧凑的位置和要求
在正交方向所受到的拉力应该是由一个方向上增加的百分之30的力和另一个方向上百分之100的力组合而成。此外，这个设计理念应该通过倒塌机制分析来证实（通常也被叫做“静力弹塑性分析”），包括P-Delta效应和非线性屈服。
隔离理论
对于历史数据的分析，需要设计基础隔离装置。这个装置所需的大概位移将约30英尺。基础隔离系统不能影响起重机的正常工作和运行，它应该能够自实现动化并且能简单的恢复到起重机的原始状态。
目前，已经有几套基础隔震系统用于开发和使用当中了。如图五所示，三菱重工已经开发了一套基础隔离装置，它能够把起重机的底梁隔离出来。这套系统需要一个阻尼机制，滑动机构，触发机制和恢复机制。
图五 MHI隔离系统
图六显示了一个由Liftech开发的隔离系统，它能够使起重机的顶梁和支腿分离开来，并且它是自动的不需要其他辅助装置的隔离系统。它可以自我修复，在对地震的设计模拟中，它也不会造成损坏。这套系统可以用于普通的桥式起重中机。图7提供了一个详细的隔离铰链。
图六 Liftech隔离系统的布置
图七 Liftech隔离系统-隔离铰链
现有起重机的方法
漏洞的确定
对于分析起重机的框架来核查地震易损性不需要用到任何关于起重机的特殊知识。通常来说，建筑框架和起重机框架的主要区别是它们的宽厚比不一样，建筑框架的宽厚比要比起重机的宽厚比大得多。从AICS钢结构施工手册的规范来说，E7板块提供了薄加筋板的分析数据，在金属结构稳定性设计准则指南中也提到了极限强度的方法(Galambos 1988)。
对于新的起重机来说，只需要根据推荐标准来检查起重机框架中受侧向力的阻尼元件即可。不太严格的标准对于现有的起重机来说可能是合理的，如果这样的标准没有被达到，起重机就可能会损坏或者坍塌。通常来说，避免永久变形是不合理的。
如果加强合理，再加上进行静力弹塑性分析，例如有效宽度，可以对局部屈曲使用极限强度的方法来确定改造方案。
改造选项的确定
改造的选项包括加强起重机结构，在起重机特定位置增加结构的延展性，或增加隔离机制。如果能够减少桥门之间的间隙，起重机加强就能够实现。如果需要更多的韧性和延展性，可能需要在支腿和门梁的内部加入筋板，这些结构在图四中用交叉线画成了阴影。如果起重机能够被提起，加入隔离装置也是可行的。表2总结了翻新选项。图8中提供了一些改造方案。
表二 翻新选项
图八 改造概念
成本效益分析
根据不同等级的地震确定对起重机进行改造的成本，并将成本与预期损失进行比较。预期损害应包括维修，损失收入，工作中断。在重大事故之后，有些人想到过处理这件事的最经济的办法就是适当的增加一些起重机的数量来保证工作的运行，并且接受起重机的严重损坏和断裂崩塌。
预期性能
参见图9，一个假设的推理图解显示了非延展性，延展性以及起重机隔离结构的理想化表现。最初的屈服和屈曲的刚度和加速度完全取决于起重机和起重机的设计标准。有抗震性紧凑部件的起重机比不含有紧凑部件的起重机忍受更大的变形和损坏。对于一些隔离方案，在平均2500年复发一次的地震事件中设计出地震所需要的位移是很有实际意义的（核磁共振）。
这些核磁共振标记出来的曲线是一个在典型高震区码头的单自由度结构用几个平均的设计时程检测出来的。一个简化的恒定阻尼比。对于非延展性和延展性的方案来说，需要通过增加板的屈曲和屈服的阻尼来得到一个微小的位移。
图九 Pushover曲线—非延展性，延展性，隔离框架
在Pushover曲线中表明，就像上述部分提到的起重机隔离机构或者门梁下屈服位置铰链处的所需极限位移是可以替换码头的。在Liftech隔离理论中，对于研究了475-MRI设计时程的起重机来说，它的极限位移约为30英寸。在隔离系统中实现这一数据是可行的。
结论
集装箱起重机在强烈的地震可能会容易受到损害。但是起重机的地震标准往往比码头的地震标准更为的宽松。这可能导致在一场地震事件后，码头仍然可以运行，但是起重机却不能正常工作了。
新的起重机应该和码头采用一样的设计标准。这样的话在起重机上增加的花费将会很小并且在一场地震发生之后，码头的停工也会相应的减少。
对于现有的起重机的抗震性能可以使用传统的建筑分析方法和标准来进行评估。也有一些列外，局部可能会发证弯曲，但对于避免局部的弯曲和变形来说，这种做法是不划算的。对于大多说起重机来说，一个小小的改进可能会对起重机的抗震性和可靠性有显著的提升。
参考文献
Galambos, Theodore V. ed. 1988. Guide to Stability Design Criteria for
Metal Structures, 4th Edition. New York, NY: John Wiley amp; Sons. ISBN:
0-471- 09737-3.
Seismic Design Guidelines for Piers and Wharves, June 2006 draft. ASCE
COPRI Committee on Seismic Design of Piers and Wharves.
Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, AISC Seismic Design
Manual, ANSI/AISC 341-05. Chicago, IL: American Institute of Steel
Construction, Inc., March 9, 2005. ISBN: 1-56424-056-8.
Specifications for Structural Steel Buildings, AISC Steel Construction
Manual, Thir
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