7500噸浮式起重機(jī)風(fēng)載荷特性分析

張戩杰　張氫　秦仙蓉　廖鑫

摘要：采用1∶200的幾何縮尺比制作模型，高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力技術(shù)，按0～180°范圍內(nèi)不同風(fēng)向角、3種不同臂架幅度及兩種風(fēng)場(chǎng)地貌確定了78種試驗(yàn)工況，完成了7 500噸浮式起重機(jī)基底響應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn).對(duì)基底響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化后，分別從風(fēng)向角、臂架幅度及風(fēng)場(chǎng)地貌3個(gè)方面各自對(duì)風(fēng)載荷特性的影響進(jìn)行了全面研究分析.結(jié)果表明：1）等軸側(cè)方向（135°風(fēng)向角）浮吊的實(shí)際風(fēng)載荷達(dá)到最大，如果只沿主軸方向（90°風(fēng)向角）進(jìn)行結(jié)構(gòu)或整機(jī)風(fēng)載荷穩(wěn)定性校驗(yàn)，則可能漏掉整機(jī)實(shí)際最大風(fēng)載荷；2）不同臂架幅度下結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積不同，將導(dǎo)致基底響應(yīng)不同；3）開(kāi)闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應(yīng)的差異不顯著.

關(guān)鍵詞：浮式起重機(jī)；風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)；風(fēng)載荷；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TH 218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

7 500 t浮式起重機(jī)是目前世界上單機(jī)回轉(zhuǎn)起吊能力最大的海上浮式起重機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括底盤、人字架、臂架及鋼絲繩等，其臂架長(zhǎng)度約110 m，人字架高約51 m，可廣泛應(yīng)用于重型橋梁安裝工程、海上油氣田開(kāi)發(fā)的吊裝作業(yè)、港口建設(shè)重大件吊裝和沉船打撈等作業(yè)中.7 500 t浮吊不同于常見(jiàn)的機(jī)械和建筑結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊、復(fù)雜.其臂架可在20°～80°范圍內(nèi)自由俯仰，且其臂架是由2個(gè)對(duì)稱布置的桁架結(jié)構(gòu)單支組成，其特點(diǎn)是多弦桿、腹桿等細(xì)柔桿件，啟動(dòng)外形復(fù)雜.此外，浮吊的工作海區(qū)廣闊，可工作于近岸、淺海、深海等各種海域，作業(yè)區(qū)域地貌環(huán)境多樣.因此，有必要討論浮式起重機(jī)在不同的臂架俯仰角和風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下整體的基底響應(yīng).

迄今為止，對(duì)7 500 t浮吊風(fēng)載荷的計(jì)算大多集中于按相關(guān)規(guī)范估算和CFD數(shù)值仿真模擬[1-3]，僅限于某種特殊工況下的風(fēng)載荷計(jì)算，且不能保證結(jié)果的精確.浮吊的局部剛度較好，風(fēng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)整體的基底響應(yīng).為此，采用高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力技術(shù)，在同濟(jì)大學(xué)TJ-2邊界層風(fēng)洞內(nèi)分別進(jìn)行了0～180°范圍內(nèi)不同風(fēng)向角、3種不同臂架幅度、兩種不同風(fēng)場(chǎng)地貌的風(fēng)洞試驗(yàn)，全面研究了7 500 t浮吊的風(fēng)載荷特性.

由表2可知，隨著臂架俯仰角增大，風(fēng)力系數(shù)逐漸增大.風(fēng)載荷在沿臂架方向最明顯，當(dāng)風(fēng)向角在135°附近時(shí)達(dá)到最大值.且隨著臂架俯仰角增大，增大顯著.風(fēng)載荷引起的傾覆力矩在繞垂直于臂架的y軸方向最明顯，且當(dāng)風(fēng)向角在135°附近時(shí)達(dá)到最大值.

5結(jié)論

1）基底響應(yīng)均大致關(guān)于90°風(fēng)向角對(duì)稱或反對(duì)稱.等軸側(cè)方向（135°風(fēng)向角）浮吊的實(shí)際風(fēng)載荷達(dá)到最大，若只沿主軸方向（90°風(fēng)向角）進(jìn)行結(jié)構(gòu)或整機(jī)風(fēng)載荷穩(wěn)定性校驗(yàn)，則可能漏掉整機(jī)實(shí)際最大風(fēng)載荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎風(fēng)面積也增加，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積的變化是不同臂架幅度下基底響應(yīng)不同的主要原因.

3）開(kāi)闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應(yīng)的差異較小.

通過(guò)高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，全面研究了不同風(fēng)向角、臂架幅度及風(fēng)場(chǎng)地貌對(duì)7 500 t浮吊風(fēng)載荷特性的影響機(jī)理，為巨型浮吊的風(fēng)載荷計(jì)算提供了試驗(yàn)依據(jù).

參考文獻(xiàn)

[1]鄭惠強(qiáng)，申靜靜，張氫. 7 500 t浮式起重機(jī)臂架鋼結(jié)構(gòu)分析[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，6（2）：184-187.

[2]董達(dá)善，王晟，梅瀟. 7 500 t浮式起重機(jī)風(fēng)載荷計(jì)算[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正農(nóng)，郝艷峰，劉申會(huì). 不同風(fēng)場(chǎng)下高層建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高頻天平測(cè)力試驗(yàn)的輸電塔風(fēng)載荷空間分布估計(jì)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009， 37（6）：147-152.

[7]SIMIU E， SCANLAN H R. Wind effects on structures and introduction to wind engineering [M]. 2nd ed. New York： John Wiley & Sons， 1995：191-195.

[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黃鵬，顧明，全涌. 高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)洞測(cè)壓和測(cè)力試驗(yàn)研究[J]. 力學(xué)季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.

摘要：采用1∶200的幾何縮尺比制作模型，高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力技術(shù)，按0～180°范圍內(nèi)不同風(fēng)向角、3種不同臂架幅度及兩種風(fēng)場(chǎng)地貌確定了78種試驗(yàn)工況，完成了7 500噸浮式起重機(jī)基底響應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn).對(duì)基底響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化后，分別從風(fēng)向角、臂架幅度及風(fēng)場(chǎng)地貌3個(gè)方面各自對(duì)風(fēng)載荷特性的影響進(jìn)行了全面研究分析.結(jié)果表明：1）等軸側(cè)方向（135°風(fēng)向角）浮吊的實(shí)際風(fēng)載荷達(dá)到最大，如果只沿主軸方向（90°風(fēng)向角）進(jìn)行結(jié)構(gòu)或整機(jī)風(fēng)載荷穩(wěn)定性校驗(yàn)，則可能漏掉整機(jī)實(shí)際最大風(fēng)載荷；2）不同臂架幅度下結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積不同，將導(dǎo)致基底響應(yīng)不同；3）開(kāi)闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應(yīng)的差異不顯著.

關(guān)鍵詞：浮式起重機(jī)；風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)；風(fēng)載荷；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TH 218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

7 500 t浮式起重機(jī)是目前世界上單機(jī)回轉(zhuǎn)起吊能力最大的海上浮式起重機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括底盤、人字架、臂架及鋼絲繩等，其臂架長(zhǎng)度約110 m，人字架高約51 m，可廣泛應(yīng)用于重型橋梁安裝工程、海上油氣田開(kāi)發(fā)的吊裝作業(yè)、港口建設(shè)重大件吊裝和沉船打撈等作業(yè)中.7 500 t浮吊不同于常見(jiàn)的機(jī)械和建筑結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊、復(fù)雜.其臂架可在20°～80°范圍內(nèi)自由俯仰，且其臂架是由2個(gè)對(duì)稱布置的桁架結(jié)構(gòu)單支組成，其特點(diǎn)是多弦桿、腹桿等細(xì)柔桿件，啟動(dòng)外形復(fù)雜.此外，浮吊的工作海區(qū)廣闊，可工作于近岸、淺海、深海等各種海域，作業(yè)區(qū)域地貌環(huán)境多樣.因此，有必要討論浮式起重機(jī)在不同的臂架俯仰角和風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下整體的基底響應(yīng).

迄今為止，對(duì)7 500 t浮吊風(fēng)載荷的計(jì)算大多集中于按相關(guān)規(guī)范估算和CFD數(shù)值仿真模擬[1-3]，僅限于某種特殊工況下的風(fēng)載荷計(jì)算，且不能保證結(jié)果的精確.浮吊的局部剛度較好，風(fēng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)整體的基底響應(yīng).為此，采用高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力技術(shù)，在同濟(jì)大學(xué)TJ-2邊界層風(fēng)洞內(nèi)分別進(jìn)行了0～180°范圍內(nèi)不同風(fēng)向角、3種不同臂架幅度、兩種不同風(fēng)場(chǎng)地貌的風(fēng)洞試驗(yàn)，全面研究了7 500 t浮吊的風(fēng)載荷特性.

由表2可知，隨著臂架俯仰角增大，風(fēng)力系數(shù)逐漸增大.風(fēng)載荷在沿臂架方向最明顯，當(dāng)風(fēng)向角在135°附近時(shí)達(dá)到最大值.且隨著臂架俯仰角增大，增大顯著.風(fēng)載荷引起的傾覆力矩在繞垂直于臂架的y軸方向最明顯，且當(dāng)風(fēng)向角在135°附近時(shí)達(dá)到最大值.

5結(jié)論

1）基底響應(yīng)均大致關(guān)于90°風(fēng)向角對(duì)稱或反對(duì)稱.等軸側(cè)方向（135°風(fēng)向角）浮吊的實(shí)際風(fēng)載荷達(dá)到最大，若只沿主軸方向（90°風(fēng)向角）進(jìn)行結(jié)構(gòu)或整機(jī)風(fēng)載荷穩(wěn)定性校驗(yàn)，則可能漏掉整機(jī)實(shí)際最大風(fēng)載荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎風(fēng)面積也增加，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積的變化是不同臂架幅度下基底響應(yīng)不同的主要原因.

3）開(kāi)闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應(yīng)的差異較小.

通過(guò)高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，全面研究了不同風(fēng)向角、臂架幅度及風(fēng)場(chǎng)地貌對(duì)7 500 t浮吊風(fēng)載荷特性的影響機(jī)理，為巨型浮吊的風(fēng)載荷計(jì)算提供了試驗(yàn)依據(jù).

參考文獻(xiàn)

[1]鄭惠強(qiáng)，申靜靜，張氫. 7 500 t浮式起重機(jī)臂架鋼結(jié)構(gòu)分析[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，6（2）：184-187.

[2]董達(dá)善，王晟，梅瀟. 7 500 t浮式起重機(jī)風(fēng)載荷計(jì)算[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正農(nóng)，郝艷峰，劉申會(huì). 不同風(fēng)場(chǎng)下高層建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高頻天平測(cè)力試驗(yàn)的輸電塔風(fēng)載荷空間分布估計(jì)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009， 37（6）：147-152.

[7]SIMIU E， SCANLAN H R. Wind effects on structures and introduction to wind engineering [M]. 2nd ed. New York： John Wiley & Sons， 1995：191-195.

[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黃鵬，顧明，全涌. 高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)洞測(cè)壓和測(cè)力試驗(yàn)研究[J]. 力學(xué)季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.

摘要：采用1∶200的幾何縮尺比制作模型，高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力技術(shù)，按0～180°范圍內(nèi)不同風(fēng)向角、3種不同臂架幅度及兩種風(fēng)場(chǎng)地貌確定了78種試驗(yàn)工況，完成了7 500噸浮式起重機(jī)基底響應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn).對(duì)基底響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化后，分別從風(fēng)向角、臂架幅度及風(fēng)場(chǎng)地貌3個(gè)方面各自對(duì)風(fēng)載荷特性的影響進(jìn)行了全面研究分析.結(jié)果表明：1）等軸側(cè)方向（135°風(fēng)向角）浮吊的實(shí)際風(fēng)載荷達(dá)到最大，如果只沿主軸方向（90°風(fēng)向角）進(jìn)行結(jié)構(gòu)或整機(jī)風(fēng)載荷穩(wěn)定性校驗(yàn)，則可能漏掉整機(jī)實(shí)際最大風(fēng)載荷；2）不同臂架幅度下結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積不同，將導(dǎo)致基底響應(yīng)不同；3）開(kāi)闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應(yīng)的差異不顯著.

關(guān)鍵詞：浮式起重機(jī)；風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)；風(fēng)載荷；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TH 218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

7 500 t浮式起重機(jī)是目前世界上單機(jī)回轉(zhuǎn)起吊能力最大的海上浮式起重機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括底盤、人字架、臂架及鋼絲繩等，其臂架長(zhǎng)度約110 m，人字架高約51 m，可廣泛應(yīng)用于重型橋梁安裝工程、海上油氣田開(kāi)發(fā)的吊裝作業(yè)、港口建設(shè)重大件吊裝和沉船打撈等作業(yè)中.7 500 t浮吊不同于常見(jiàn)的機(jī)械和建筑結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊、復(fù)雜.其臂架可在20°～80°范圍內(nèi)自由俯仰，且其臂架是由2個(gè)對(duì)稱布置的桁架結(jié)構(gòu)單支組成，其特點(diǎn)是多弦桿、腹桿等細(xì)柔桿件，啟動(dòng)外形復(fù)雜.此外，浮吊的工作海區(qū)廣闊，可工作于近岸、淺海、深海等各種海域，作業(yè)區(qū)域地貌環(huán)境多樣.因此，有必要討論浮式起重機(jī)在不同的臂架俯仰角和風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下整體的基底響應(yīng).

迄今為止，對(duì)7 500 t浮吊風(fēng)載荷的計(jì)算大多集中于按相關(guān)規(guī)范估算和CFD數(shù)值仿真模擬[1-3]，僅限于某種特殊工況下的風(fēng)載荷計(jì)算，且不能保證結(jié)果的精確.浮吊的局部剛度較好，風(fēng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)整體的基底響應(yīng).為此，采用高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力技術(shù)，在同濟(jì)大學(xué)TJ-2邊界層風(fēng)洞內(nèi)分別進(jìn)行了0～180°范圍內(nèi)不同風(fēng)向角、3種不同臂架幅度、兩種不同風(fēng)場(chǎng)地貌的風(fēng)洞試驗(yàn)，全面研究了7 500 t浮吊的風(fēng)載荷特性.

由表2可知，隨著臂架俯仰角增大，風(fēng)力系數(shù)逐漸增大.風(fēng)載荷在沿臂架方向最明顯，當(dāng)風(fēng)向角在135°附近時(shí)達(dá)到最大值.且隨著臂架俯仰角增大，增大顯著.風(fēng)載荷引起的傾覆力矩在繞垂直于臂架的y軸方向最明顯，且當(dāng)風(fēng)向角在135°附近時(shí)達(dá)到最大值.

5結(jié)論

1）基底響應(yīng)均大致關(guān)于90°風(fēng)向角對(duì)稱或反對(duì)稱.等軸側(cè)方向（135°風(fēng)向角）浮吊的實(shí)際風(fēng)載荷達(dá)到最大，若只沿主軸方向（90°風(fēng)向角）進(jìn)行結(jié)構(gòu)或整機(jī)風(fēng)載荷穩(wěn)定性校驗(yàn)，則可能漏掉整機(jī)實(shí)際最大風(fēng)載荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎風(fēng)面積也增加，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積的變化是不同臂架幅度下基底響應(yīng)不同的主要原因.

3）開(kāi)闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應(yīng)的差異較小.

通過(guò)高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，全面研究了不同風(fēng)向角、臂架幅度及風(fēng)場(chǎng)地貌對(duì)7 500 t浮吊風(fēng)載荷特性的影響機(jī)理，為巨型浮吊的風(fēng)載荷計(jì)算提供了試驗(yàn)依據(jù).

參考文獻(xiàn)

[1]鄭惠強(qiáng)，申靜靜，張氫. 7 500 t浮式起重機(jī)臂架鋼結(jié)構(gòu)分析[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，6（2）：184-187.

[2]董達(dá)善，王晟，梅瀟. 7 500 t浮式起重機(jī)風(fēng)載荷計(jì)算[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正農(nóng)，郝艷峰，劉申會(huì). 不同風(fēng)場(chǎng)下高層建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高頻天平測(cè)力試驗(yàn)的輸電塔風(fēng)載荷空間分布估計(jì)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009， 37（6）：147-152.

[7]SIMIU E， SCANLAN H R. Wind effects on structures and introduction to wind engineering [M]. 2nd ed. New York： John Wiley & Sons， 1995：191-195.

[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黃鵬，顧明，全涌. 高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)洞測(cè)壓和測(cè)力試驗(yàn)研究[J]. 力學(xué)季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.