港口機(jī)械風(fēng)載荷計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

韓振生

大連華銳重工港機(jī)設(shè)計(jì)院

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港口機(jī)械風(fēng)載荷計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

韓振生

大連華銳重工港機(jī)設(shè)計(jì)院

介紹了FEM1.004∶2000第一部分中關(guān)于錨固風(fēng)壓計(jì)算方法和中歐標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于風(fēng)載荷的對(duì)比情況，給出了滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的錨固風(fēng)壓合理計(jì)算方法。運(yùn)用該方法，可避免造成設(shè)備過(guò)重、非工作載荷過(guò)度放大和投資浪費(fèi)。

基本風(fēng)速； 平均風(fēng)； 脈動(dòng)風(fēng)； 湍流強(qiáng)度； 等效靜態(tài)風(fēng)壓

1 引言

20世紀(jì)90年代后期，交通部頒發(fā)文件，要求國(guó)內(nèi)港口設(shè)備非工作設(shè)計(jì)風(fēng)速為55 m/s。我國(guó)南北海岸線長(zhǎng)，氣候差異大，不同地區(qū)應(yīng)用相同的風(fēng)載

荷，以及對(duì)如何將文件要求55 m/s的非工作風(fēng)速應(yīng)用于設(shè)計(jì)并和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)融合，產(chǎn)生了一些問(wèn)題，導(dǎo)致載荷過(guò)大并增加碼頭和設(shè)備成本。本文將FEM與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，給出港口機(jī)械非工作錨固風(fēng)壓的合理計(jì)算方法。

2 風(fēng)速與風(fēng)壓

風(fēng)速是指T時(shí)間距離內(nèi)的最大平均風(fēng)速，其大小與陣風(fēng)樣本的記錄時(shí)間T0有關(guān)，當(dāng)T→0時(shí)，V即為瞬時(shí)風(fēng)速。風(fēng)速主要由長(zhǎng)周期風(fēng)和短周期風(fēng)2部分組成。起重機(jī)的非工作錨固風(fēng)壓主要考慮10 min時(shí)距的平均風(fēng)和3 s時(shí)距的脈動(dòng)風(fēng)的影響。FEM和中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》GB50009-2012取10 min作為平均風(fēng)速的時(shí)距，《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB3811-2008)取3 s作為平均風(fēng)速的時(shí)距。在起重機(jī)非工作工況，10 min時(shí)距風(fēng)速乘1.4可以得到3 s時(shí)距風(fēng)速，換算系數(shù)1.4與歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13001-2∶2004完全相同[1-2]。

3 風(fēng)速剖面與脈動(dòng)風(fēng)

4 風(fēng)載荷

采用FEM的風(fēng)載荷表達(dá)式：F=A×q×Cf，Cf為風(fēng)力系數(shù)；q為風(fēng)壓N/m2;A為迎風(fēng)面積m2。任何標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)載荷都可以用上述公式表達(dá)，公式中只有風(fēng)壓q是與環(huán)境條件有關(guān)的。各標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)載荷函數(shù)表達(dá)式不同，說(shuō)明對(duì)脈動(dòng)風(fēng)影響的風(fēng)壓考量不同。對(duì)主要受力結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓的表達(dá)式有2種形式，一種是平均風(fēng)壓與脈動(dòng)風(fēng)壓的疊加；另一種為平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)。FEM1.004∶2000第一部分(以下簡(jiǎn)稱FEM1.004)是前一種，《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》和美國(guó)ASEC屬于后一種?！镀鹬貦C(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》則只采用脈動(dòng)風(fēng)壓[3-4]。

為了比較各標(biāo)準(zhǔn)的不同，先定義如下參數(shù)：基本風(fēng)速Vref，在空曠平坦地區(qū)離地10 m高處50年一遇的10 min或3 s時(shí)距的年最大平均風(fēng)速。應(yīng)用伯努利方程可獲得當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓?；撅L(fēng)速或風(fēng)壓是按實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出的，一般可在建筑載荷規(guī)范中查找。

4.1 FEM錨固風(fēng)壓

FEM1.004 第3.2款，對(duì)非工作風(fēng)載荷的計(jì)算提供2個(gè)依據(jù)，位于歐洲A、B、C區(qū)域的起重機(jī)可按FEM1.001 表T.2.2.4.1.2.2或FEM1.004的附錄2計(jì)算；D、E、F、G區(qū)域的起重機(jī)按FEM1.004的附錄2計(jì)算。從FEM1.004插圖F.A.2可以看出， A、B、C區(qū)域處于歐洲內(nèi)陸，因此，港口機(jī)械只能根據(jù)FEM1.004附錄2計(jì)算。這意味著FEM1.001表T.2.2.4.1.2.2不能應(yīng)用于沿海的港口機(jī)械，只能應(yīng)用于內(nèi)陸的一般起重機(jī)。FEM1.004的附錄2設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算公式如下：

3 s時(shí)距風(fēng)速(gust)與Vref的表達(dá)式，K=0.005 5。

Vref化簡(jiǎn)后得到下式

對(duì)于25年一遇的風(fēng)，該標(biāo)準(zhǔn)給出Fref=0.946 3；25年以上一遇的風(fēng)，該標(biāo)準(zhǔn)未給出數(shù)據(jù)。因此，對(duì)25年以上一遇的風(fēng)，取Fref=1，則：

FEM標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)載荷高度系數(shù)為：

4.2 《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》非工作風(fēng)載荷

我國(guó)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的非工作計(jì)算風(fēng)速為空曠地區(qū)離地10m高處3s時(shí)距的平均瞬時(shí)風(fēng)速，相當(dāng)于FEM中的基本風(fēng)速采用3s時(shí)距的脈動(dòng)風(fēng)速，這意味著沒(méi)有考慮10min平均風(fēng)速的影響。其公式為：

PWIII=Cj×Kh×PIII×A

4.3 中歐風(fēng)載荷對(duì)比

各標(biāo)準(zhǔn)之間風(fēng)載荷的區(qū)別特征是脈動(dòng)風(fēng)對(duì)風(fēng)壓影響的比例和是否符合湍流強(qiáng)度規(guī)律。從表1中可以看出，雖然《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》與FEM1.004非工作風(fēng)速時(shí)距不同，但非工作風(fēng)壓的初始值(離地10m)的計(jì)算值是相同的，等于3s時(shí)距的基本風(fēng)壓。FEM1.004的非工作風(fēng)壓是在10min平均風(fēng)速基礎(chǔ)上考慮脈動(dòng)風(fēng)的影響的。從本文4.1節(jié)中可知其高度系數(shù)Kh的前一項(xiàng)考慮10min時(shí)距平均風(fēng)的影響，后一項(xiàng)考慮的是脈動(dòng)風(fēng)的動(dòng)態(tài)影響。當(dāng)z=10m時(shí)，風(fēng)壓是10min時(shí)距風(fēng)壓的1.96倍。從Kh的公式中看出，脈動(dòng)風(fēng)在風(fēng)壓中的影響比例為0.96/1.96=49%，隨著高度的增加，脈動(dòng)風(fēng)的比例逐漸降低，說(shuō)明FEM1.00風(fēng)壓中關(guān)于脈動(dòng)風(fēng)的比例與湍流強(qiáng)度規(guī)律一致。

《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的非工作基本風(fēng)速是時(shí)距3s平均風(fēng)速，它沒(méi)有考慮長(zhǎng)周期(10min時(shí)距)平均風(fēng)的影響，只考慮脈動(dòng)風(fēng)的影響。隨著高度的增加，與湍流強(qiáng)度規(guī)律不一致，且公式中也沒(méi)有任何修正系數(shù)來(lái)考慮與湍流規(guī)律保持一致。美國(guó)載荷規(guī)范ASCE7-10的基本風(fēng)速也采用3s時(shí)距的平均風(fēng)速，但在風(fēng)載荷(ASCE26.9.1)中對(duì)剛性結(jié)構(gòu)有一個(gè)0.85的gust-effectfactor來(lái)考慮長(zhǎng)周期風(fēng)對(duì)風(fēng)壓的影響。

因此，《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》非工作風(fēng)壓的計(jì)算公式是過(guò)于保守的。尤其是對(duì)大型港口機(jī)械來(lái)說(shuō)，隨著高度的增加，相對(duì)放大了非工作風(fēng)載荷，相比之下FEM1.004比《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》更合理，是首選的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 風(fēng)載荷及參數(shù)對(duì)比

5 FEM與GB3811標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

5.1 交通部55 m/s風(fēng)速規(guī)定的影響

基本風(fēng)速作為氣象統(tǒng)計(jì)參數(shù)將取自當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)或氣象資料。中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》中表E5中，湛江市百年一遇的基本風(fēng)壓為950 Pa，按伯努利方程換算成V(10 min)=39 m/s，乘以1.4得到V(3 s)=54.6 m/s。我們發(fā)現(xiàn)55 m/s幾乎是湛江地區(qū)百年一遇的離地10 m高出的3 s時(shí)距風(fēng)速。

5.2 主要城市數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2 500 t/h級(jí)別的抓斗卸船機(jī)非工作整機(jī)高度約97 m；65 t級(jí)3E岸橋非工作臂架重心高度約90 m。討論100 m高的風(fēng)壓可以預(yù)見(jiàn)風(fēng)壓計(jì)算對(duì)大型港機(jī)的影響。表2是根據(jù)中國(guó)沿海代表城市的基本風(fēng)壓還原的2種時(shí)距的風(fēng)速和離地100 m高度的風(fēng)壓。風(fēng)壓的數(shù)據(jù)是根據(jù)表1計(jì)算得出的。最后一行是使用交通部55 m/s套用GB3811計(jì)算出來(lái)。最后1列的數(shù)據(jù)是按GB3811計(jì)算出風(fēng)壓等于1 891 Pa時(shí)的計(jì)算高度。

將表2第6列的風(fēng)壓除以第5列風(fēng)壓，得到一個(gè)相同的數(shù)據(jù)1.234，它說(shuō)明在離地100 m高度按GB3811計(jì)算的風(fēng)壓是按FEM標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)壓值的1.234倍。

如果將交通部的55 m/s風(fēng)速按基本風(fēng)速應(yīng)用于GB3811，離地100 m高度的風(fēng)壓為3 772.3。它是同列的天津的2.41倍，?？诘?.13倍；前列天津風(fēng)壓的2.98倍，?？诘?.4倍。因此，將湛江百年一遇的基本風(fēng)速應(yīng)用于全國(guó)港口是極不合理的，其結(jié)果是導(dǎo)致把在一個(gè)相對(duì)保守的標(biāo)準(zhǔn)上過(guò)度放大。把起重機(jī)頂部計(jì)算風(fēng)壓當(dāng)作起重機(jī)全高的風(fēng)壓是相對(duì)保守的、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范接受的全高等壓計(jì)算方法。落實(shí)交通部規(guī)定的合理方法是將55 m/s風(fēng)速與起重機(jī)最高點(diǎn)風(fēng)速相比較，當(dāng)頂部風(fēng)速按規(guī)范的計(jì)算值小于55 m/s，按55 m/s計(jì)算起重機(jī)全高的錨固風(fēng)

表2 基于中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》的基本數(shù)據(jù)及離地100 m高度非工作風(fēng)壓對(duì)比

壓；否則，按規(guī)范計(jì)算。表2最后1列的前3項(xiàng)數(shù)據(jù)說(shuō)明應(yīng)用于渤海灣、目前最大規(guī)格的港口機(jī)械可以按55 m/s風(fēng)速全高等壓方法計(jì)算非工作風(fēng)壓。

4 結(jié)語(yǔ)

選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施起重機(jī)的風(fēng)載荷計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)速必須采用當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)速。如果招標(biāo)時(shí)沒(méi)有當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)，投標(biāo)方可以在應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)所在地區(qū)進(jìn)行類比推薦。FEM1.004風(fēng)載荷估算合理，是國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目的首選標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于國(guó)內(nèi)港口機(jī)械來(lái)說(shuō)，滿足國(guó)內(nèi)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的最合理的計(jì)算方法是根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》表18注釋a，在中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》中選擇基本風(fēng)壓并換算為3 s時(shí)距風(fēng)速，然后做為非工作基本風(fēng)速應(yīng)用《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》；僅當(dāng)設(shè)備最高點(diǎn)風(fēng)速不大于55 m/s時(shí)，55 m/s按全高等壓原則計(jì)算風(fēng)載荷。簡(jiǎn)單地將55 m/s風(fēng)速做為基本風(fēng)速套用《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，將造成設(shè)備過(guò)重、非工作載荷過(guò)度放大和投資的巨大浪費(fèi)。

[1] 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 釋義與應(yīng)用GB/T3811-2008[S].

[2] 建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范GB50009-2012[S].

[3] FEM1.004-2000.07.03[S].

[4] 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008[S].

韓振生： 116000，大連市西崗區(qū)付家莊17號(hào)

The Application of Wind Load Calculation Rules in Port Machinery

Han Zhensheng

Dalian Huarui Heavy Industry Co.,Ltd.

This paper introduces the calculation method of storm-wind pressure at the standard，F(xiàn)EM1.004∶2000，section 1 (hereinafter referred to as FEM1.004) and the difference of calculation method between GB standard and FEM, giving the reasonable calculation method which meets the GB standards and administrative regulation. With the method, over-heavy equipment over-amplified non-working load and investment wasting can be avolded.

reference wind speed; average wind; fluctuating wind; turbulence intensity; equivalent static wind pressure

2016-07-07

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.017