岸邊集裝箱起重機(jī)防風(fēng)設(shè)計研究

李波，李星

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

岸邊集裝箱起重機(jī)是位于碼頭前沿和集裝箱船舶之間負(fù)責(zé)集裝箱裝卸的設(shè)備，其裝卸速度與能力對碼頭作業(yè)率有直接影響。近年來，港口起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故時有發(fā)生，導(dǎo)致港口很多大型起重機(jī)設(shè)備損毀，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對港口正常的生產(chǎn)活動也產(chǎn)生了不利影響，所以，岸邊集裝箱起重機(jī)防風(fēng)設(shè)計研究迫在眉睫。當(dāng)前，港口起重機(jī)設(shè)計部門、咨詢部門以及使用部門都在努力研究并不斷完善起重機(jī)防風(fēng)措施。

岸邊集裝箱起重機(jī)普遍采用配置夾輪器、電動液壓頂軌器與夾軌器等部件的防爬裝置、系固裝置與錨定裝置來完成防風(fēng)保護(hù)，取得了理想的效果。但是考慮到以下原因，很多設(shè)計人員贊同起重機(jī)設(shè)備的風(fēng)載荷屬于眾多設(shè)計載荷中難預(yù)測的載荷：①在對起重機(jī)設(shè)備使用地點的描述中，一般缺少關(guān)于最大風(fēng)速的詳細(xì)信息。②風(fēng)屬于紊流空氣，強(qiáng)度、方向等會隨著空間變化、時間推移而時刻發(fā)生變化。即便在相同時間內(nèi)，起重機(jī)設(shè)備處于不同位置的風(fēng)壓也有所區(qū)別，因此在進(jìn)行設(shè)計時，僅能利用與位置或結(jié)構(gòu)尺度有關(guān)聯(lián)的簡化變量實現(xiàn)風(fēng)壓力向靜態(tài)壓力的轉(zhuǎn)變。③設(shè)計人員能夠通過試驗數(shù)據(jù)，建立起系統(tǒng)的以具體結(jié)構(gòu)面為載體的風(fēng)阻力模型，但是比較難建立起以整體部件或起重機(jī)為載體的風(fēng)阻力模式，所以數(shù)據(jù)資料不夠全面。

岸邊集裝箱起重機(jī)載荷按照類型可分為環(huán)境載荷、固定載荷、初始載荷以及活動載荷四種。運(yùn)行中與停運(yùn)下的風(fēng)載荷都是環(huán)境載荷，其中停運(yùn)下的風(fēng)載荷通常是起重機(jī)設(shè)備設(shè)計差異的主要原因。相關(guān)專家提出將岸邊集裝箱起重機(jī)荷載與港口設(shè)計進(jìn)行合并設(shè)計的設(shè)想，本文主要對岸邊集裝箱起重機(jī)防風(fēng)設(shè)計進(jìn)行了介紹。

1 岸橋風(fēng)災(zāi)事故分析

（1）風(fēng)災(zāi)種類與防風(fēng)能力要求。港口起重機(jī)遭受的風(fēng)災(zāi)主要包括臺風(fēng)、龍卷風(fēng)以及陣風(fēng)等等，其中陣風(fēng)與龍卷風(fēng)是突發(fā)風(fēng)，很難提前準(zhǔn)確預(yù)測，突發(fā)性強(qiáng)，出現(xiàn)時間非常短，且是在小區(qū)域出現(xiàn)，風(fēng)力持續(xù)的時間一般是10分鐘到30分鐘，風(fēng)速通常超過每秒15米。而颶風(fēng)指的是風(fēng)力等級不低于12級的熱帶氣旋。從風(fēng)力上來說，臺風(fēng)的風(fēng)力等級比不上颶風(fēng)，但是臺風(fēng)造成的破壞特別大，在臺風(fēng)來臨之前，要充分做好港口起重機(jī)設(shè)備的各項防風(fēng)固定處理。防風(fēng)工作具體又可以分成靜態(tài)防風(fēng)與動態(tài)防風(fēng)兩種。其中，動態(tài)防風(fēng)指的是起重機(jī)在工作狀態(tài)下的防風(fēng)處理，而靜態(tài)防風(fēng)指的是起重機(jī)設(shè)備在停運(yùn)狀態(tài)下的防風(fēng)處理。因為在起重機(jī)設(shè)備運(yùn)行時，操作人員與機(jī)械設(shè)備均會受到風(fēng)災(zāi)的威脅，所以，起重機(jī)動態(tài)防風(fēng)處理顯得更為重要。此外，針對室外起重機(jī)設(shè)備所具有的抗風(fēng)能力要求，國家的各項文件明確規(guī)定停運(yùn)狀態(tài)下的起重機(jī)設(shè)備所具有的抗風(fēng)能力不能低于每秒55米，而工作狀態(tài)下的抗風(fēng)能力不能低于每秒35米。當(dāng)前，許多舊式岸橋設(shè)備均無法滿足對工作狀態(tài)下起重機(jī)設(shè)備防風(fēng)能力的要求，所以必須進(jìn)行技術(shù)改造，改造重點就是工作狀態(tài)下起重機(jī)的防風(fēng)裝置改造與防風(fēng)方式改造。

結(jié)合當(dāng)前我國港口的基本運(yùn)營情況，在停運(yùn)狀態(tài)下，岸橋會在路軌道與車輪間安裝配套的防風(fēng)裝置，在可能面臨強(qiáng)風(fēng)情況下還會安裝防風(fēng)纜繩、錨定等固定裝置。有了這些裝置的保護(hù)，一般情況下很少出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)下位移情況。一般風(fēng)災(zāi)事故通常發(fā)生于起重機(jī)工作狀態(tài)下或短時停車中被突發(fā)性陣風(fēng)襲擊，還沒有開啟防風(fēng)系固等各項裝置，岸橋已經(jīng)被陣風(fēng)吹動，與相鄰的其他重機(jī)發(fā)生碰撞，被動運(yùn)動起來的岸橋破壞力非常大，在強(qiáng)風(fēng)推動下在大車軌道上進(jìn)行移動的起重機(jī)設(shè)備，會逐漸積蓄起很大的動能，破壞力很大。如果與其他起重機(jī)發(fā)生碰撞或被阻擋而發(fā)生驟停時，就會出現(xiàn)災(zāi)難性后果。如果能立即采取有效措施固定住起重機(jī)，這些安全事故是能夠完全避免的。

（2）風(fēng)災(zāi)造成岸橋傾覆分析。被動運(yùn)動起來的岸橋破壞力非常大。當(dāng)起重機(jī)設(shè)備被風(fēng)吹動并加速移動時，位于一側(cè)的門腿會被阻擋，與之相對應(yīng)的另一側(cè)門腿則會被高高抬起。結(jié)合撞擊發(fā)生前起重機(jī)設(shè)備所積蓄的能量，可能出現(xiàn)不同的撞擊情況：如能量足夠大，重心會轉(zhuǎn)移到大車基距之外，導(dǎo)致起重機(jī)設(shè)備直接倒塌；若起重機(jī)設(shè)備移動距離比較短，速度低，那么積蓄的能量就比較少，不至于使起重機(jī)整機(jī)傾倒，而是傾斜后又落下，起重機(jī)設(shè)備門腿因反彈力抬起后又落下，因反沖擊力而失去穩(wěn)定性，最終傾覆。

2 規(guī)范使用

港口設(shè)計一般采用阻力與荷載系數(shù)法，也就是需要強(qiáng)度不超過設(shè)計強(qiáng)度，材料強(qiáng)度的數(shù)值乘強(qiáng)度折減系數(shù)就能得出設(shè)計強(qiáng)度。需要強(qiáng)度指的是各種工作載荷和載荷系數(shù)乘積的和。岸邊集裝箱起重機(jī)進(jìn)行設(shè)計時一般利用許用應(yīng)力法。因為設(shè)計規(guī)范非常復(fù)雜，造成規(guī)范條文錯誤使用的問題時有發(fā)生，出現(xiàn)工程誤差的情況也在變多。在美國，一般通過土木工程師協(xié)會所制定的ASCE7-05建筑物與其它結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計載荷標(biāo)準(zhǔn)對碼頭載荷進(jìn)行確定，采用混凝土學(xué)會制定的ACI318結(jié)構(gòu)混凝土建筑物規(guī)范要求與解釋對碼頭設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，采用鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計鋼樁與各種碼頭部件。

部分設(shè)計人員把起重機(jī)所具有的固定載荷看成活動載荷，取 1．6 載荷系數(shù)，造成了 1．6/1．3-1．0=23% 的過度設(shè)計。相關(guān)專家重點告知風(fēng)載荷系數(shù)要做出準(zhǔn)確選擇，呼吁港口設(shè)計者從起重機(jī)設(shè)備供應(yīng)商處獲得全部的數(shù)據(jù)載荷，再結(jié)合ACI中的具體要求完成載荷組合。

3 停運(yùn)狀態(tài)下的風(fēng)載荷的計算

結(jié)合公式計算起重機(jī)設(shè)備在停運(yùn)狀態(tài)下的具體載荷，公式中，A表示部件迎風(fēng)面積，Cf表示將屏蔽影響包含在內(nèi)的形狀系數(shù)，能夠結(jié)合設(shè)計規(guī)范獲得必要的經(jīng)驗值。但是，綜合考慮了邊界層、屏蔽效應(yīng)與風(fēng)角度效應(yīng)的風(fēng)洞試驗所獲取數(shù)值的準(zhǔn)確度更高。根據(jù)Liftech公式可以計算出風(fēng)荷載，與通過風(fēng)洞試驗得出的風(fēng)載荷，兩者比較，在起重機(jī)承受最大風(fēng)載荷時呈現(xiàn)的風(fēng)角度有所不同，但最大風(fēng)載荷基本接近。qz表示動態(tài)風(fēng)壓力，是出現(xiàn)持續(xù)時間、表面粗糙程度、平均重現(xiàn)時間間隔以及v2w的函數(shù)。

出現(xiàn)持續(xù)時間指的是平均風(fēng)速達(dá)到參考風(fēng)速后保持的時間，一般情況下，出現(xiàn)持續(xù)時間3秒的風(fēng)速明顯大于10分的風(fēng)速，結(jié)合風(fēng)速測量結(jié)果，一般出現(xiàn)持續(xù)時間3秒的風(fēng)速比10分的風(fēng)速大46%。當(dāng)通過出現(xiàn)持續(xù)時間對設(shè)計風(fēng)速或基本風(fēng)速進(jìn)行定義時，不同規(guī)范之間會有明顯差別。起重機(jī)迎風(fēng)面區(qū)域的粗糙程度決定風(fēng)載荷的大小，一般情況下，用風(fēng)壓沿著高度方向呈光滑梯度型或階梯型分布方式對起重機(jī)風(fēng)載荷進(jìn)行計算。

4 防風(fēng)系固裝置設(shè)計

岸邊集裝箱起重機(jī)出現(xiàn)系固裝置失效情況比較多，主要是因為在制造和安裝過程中出現(xiàn)了質(zhì)量問題，而且人們對防風(fēng)系固裝置的理解比較淺。從目前來看，較少努力來避免防風(fēng)系固裝置的失敗。

造成岸邊集裝箱起重機(jī)防風(fēng)系固裝置出現(xiàn)拉力分配失衡情況的原因有：①在風(fēng)力作用影響下，起重機(jī)發(fā)生變形。②施工存在誤差。③因為受到摩擦影響，防風(fēng)系固裝置出現(xiàn)了彎曲。④碼頭上安裝的銷軸偏離原中心位置。若在起重機(jī)其中一條門腿上安裝多重系固裝置，在起重機(jī)工作時，因為系固裝置拉力分布不均衡，其中某個系固裝置所承擔(dān)的拉力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其自身應(yīng)承擔(dān)的拉力，那么該系固裝置也就會提前報廢，這種情況循環(huán)出現(xiàn)，最后就會造成起重機(jī)倒塌。所以，有必要在系固裝置上再添加均衡裝置。但是，因為潛在系固裝置存在拉力分配不均勻的情況，在起重機(jī)各門腿上用大型系固裝置代替小型系固裝置效果更好。因為大型系固裝置自身的重量太大，在聯(lián)結(jié)碼頭部件與系固裝置時難度較大。為了保證系固裝置可以最大化發(fā)揮其作用，起重機(jī)設(shè)計者應(yīng)主動向碼頭設(shè)計者提供起重機(jī)門腿拔力的有關(guān)信息，其中包括系固裝置分布、最大門腿上拔力以及允許有向上拔力方向等。

5 結(jié)語

岸邊集裝箱運(yùn)輸作為一種現(xiàn)代化運(yùn)輸方式，運(yùn)輸效率極高，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。近年來，我國集裝箱發(fā)展非常迅速。集裝箱運(yùn)輸不但有效減少了運(yùn)輸成本，縮短了貨品運(yùn)輸時間，而且貨品安全也有了保障。但是，岸邊起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生，會大型起重機(jī)設(shè)備損毀，造成了經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，對港口正常的生產(chǎn)活動產(chǎn)生影響，所以對岸邊集裝箱起重機(jī)進(jìn)行防風(fēng)設(shè)計研究有著重要的現(xiàn)實意義。當(dāng)前，切實提高岸邊集裝箱起重機(jī)防風(fēng)能力已經(jīng)成為了目前港口設(shè)備管理工作的重中之重。本文主要對岸邊集裝箱起重機(jī)在具體防風(fēng)工作中可能遇到的各種問題進(jìn)行了分析，并提出了一些應(yīng)對與改進(jìn)措施。

[1]彭傳圣．岸邊集裝箱起重機(jī)的防風(fēng)設(shè)計[J]．港口裝卸．2016,(02) ．

[2]李娜,胡吉全．港口門座起重機(jī)防風(fēng)裝置的計算與選擇[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械．2016,(11)．