岸邊集裝箱起重機風振動探討

史文瓊，奚小歐

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

當前岸橋具有結(jié)構(gòu)高、體型大的特點，正朝著大型化、高速化的方向發(fā)展，其高聳的結(jié)構(gòu)在裝卸集裝箱的過程中發(fā)揮了重要作用，但是也增大了風振動的風險。加之港口碼頭岸邊風力較大，導致風振情況愈發(fā)嚴重，風毀事故也時有發(fā)生。因此，分析岸橋風振動原因并尋求有效的防范對策非常必要。

1 岸橋風振動的危害

受經(jīng)濟全球化發(fā)展的影響，港口貿(mào)易呈現(xiàn)出良好的態(tài)勢，其中岸橋作為必備的運輸設(shè)備，只有保證性能可靠、安全穩(wěn)定方可更好地完成作業(yè)任務。但在實際應用過程中，岸橋重心高的特點在很大程度上決定了其對風荷載的敏感性，同時多數(shù)情況下岸邊不僅風力作用集中，而且大風暴風等惡劣天氣的發(fā)生概率遠高于內(nèi)陸，使得岸橋結(jié)構(gòu)所受迎風面積大大增加，極其容易引發(fā)共振，輕則干擾岸橋性能的正常發(fā)揮，重則破壞其構(gòu)件、結(jié)構(gòu)甚至傾倒。如2018 年6 月，某港區(qū)突發(fā)大風，風速由最初的16.0 m/s 迅速增至57.4 m/s，致使其中一碼頭的5 臺岸橋瞬間被風吹倒，可見風荷載是岸橋安全作業(yè)的一大威脅。雖然當下岸橋的防風設(shè)計水平有所提高，但很難以有效控制風振，這就需要人們重視岸橋風振動這一問題，并基于對其風振機理的分析尋求對策，以期促進岸橋健康發(fā)展。

2 岸橋風振動的機理

一般情況下，基于經(jīng)驗所采取的岸橋風振預防措施較為簡單，不可否認，其在一定程度上緩解了風振問題，但效果并不是十分理想，尤其是細長的金屬類構(gòu)件，易在長期振動下出現(xiàn)疲勞開裂。經(jīng)研究岸橋結(jié)構(gòu)自振、風振以及風荷載與結(jié)構(gòu)的相互作用等一系列因素后發(fā)現(xiàn)，岸橋結(jié)構(gòu)件風振有著重要的分析價值，下面圍繞岸橋結(jié)構(gòu)件風振機理加以探討。

2.1 合理建模是基礎(chǔ)

岸橋風振動機理的分析離不開模型的構(gòu)建，而有限元法作為科學計算領(lǐng)域常用的一種計算方法，可以離散微分方程用于程序的編制，進而在計算機的輔助處理下完成求解的目的。因此為了更為直觀、高效地了解岸橋風振動的過程、特點和原因，建模是非常必要的，應用有限元法也是必不可少的。具體而言，可將岸橋總重、起重額定值、前后伸距最大值、起升軌上軌下高度、機距、大車軌距、空載起升速度、雙箱吊具起升速度、吊鉤梁下起升速度以及工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的風速等主要參數(shù)作為建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；然后便是設(shè)置坐標系，即X 軸表示小車運行方向，Y 軸表示大車運行方向，Z 軸表示垂直向上，形成主體為箱型梁結(jié)構(gòu)的岸橋模型，配以LS-DYNA 程序分析仿真結(jié)構(gòu)件動力屈曲過程，最終得到的岸橋門腿模型，便于后續(xù)岸橋結(jié)構(gòu)動態(tài)穩(wěn)定性的計算和分析。不過需要注意的是，岸橋結(jié)構(gòu)有限元模型的精準度直接關(guān)系計算結(jié)果的偏差，所以在保證材料參數(shù)不變且精確的條件下需要對其進行適當簡化，如分布質(zhì)量可主要考慮大梁、后腿以及主梁樓梯、內(nèi)部筋板，再如以附近節(jié)點代替附件質(zhì)量或用虛單元代替一些梁單元等，以此順利實現(xiàn)建模[1]。

2.2 分析風荷載下的門腿失效

之所以會發(fā)生風災，在很大程度上與門腿失效有關(guān)。如用于本文建模的岸橋原型中的薄壁箱型結(jié)構(gòu)，采用的材料強度較大且為焊接而成，面對巨大的沖擊其非常容易屈曲失效，進而出現(xiàn)整機坍塌的后果。這就需要基于研究對象的特點確定最佳控制方程，常見的有虛應力、虛位移、虛功率等多種選擇，結(jié)合使用材料模型、有限元法、分類搜索等對其接觸力值進行合理的計算，此時不可避免的會涉及到積分法。如在仿真岸橋門腿受沖屈曲過程時，需要先將材料性質(zhì)輸入其中經(jīng)LS-DYNA 處理后得到有效應力應變數(shù)據(jù)，如材料彈性模量、泊松比、密度等的變化曲線，考慮到計算的便捷性，在此只以風荷載下門腿部位為對象構(gòu)建受力模型，并設(shè)置一定的約束條件保證邊界合理，然后在ANSYS 分析和轉(zhuǎn)換得到門腿端部位置的集中質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上仿真其跌落過程，以期進一步了解風荷載與岸橋門腿失效之間的關(guān)系。當然，上述算法也可用于分析岸橋由已傾斜但后又復原的沖擊情況。

2.3 分析風作用下的結(jié)構(gòu)件振動

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，岸橋最易發(fā)生風振動的是水平撐件、斜撐桿、梯形架后拉桿等構(gòu)件，關(guān)鍵在于上述構(gòu)件基本為圓形截面，大大增加了依次計算各種圓管構(gòu)件參數(shù)的難度。下面將以常見的圓管風振動為例進行分析。

（1）為了進一步接近岸橋的實際結(jié)構(gòu)，在ANSYS 的作用下進行了仿真，即除了RY為自由條件下，模型的其他兩端均為約束條件，然后結(jié)合有限元軟件分析不同規(guī)格圓管確定其動態(tài)特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于空間迭代法的圓管固有頻率（前四階）會隨著圓管外徑的增大而增大，隨著長度的增加而增加，但隨著壁厚的加厚而減小，所以管徑和長度是影響較為明顯的兩個因素。

（2）在分析岸橋結(jié)構(gòu)件風振動機理時，需要從順風向和橫風向兩方面加以考慮，根據(jù)實測資料可知，順風向有長周期和短周期兩種時程成分，具體表現(xiàn)為平均風與脈動風，其中脈動風變化不規(guī)則，強度會跟隨時間變化，所以對岸橋結(jié)構(gòu)件的影響最大。經(jīng)深入計算得知，由脈動風引起的構(gòu)件振動對岸橋的威脅并不大；而橫向風需要視渦激振動情況而定，如果岸橋某階固有頻率接近其跨臨界，則可能因劇烈振動損壞結(jié)構(gòu)件。通常10.0～12.5 m/s的風速下，岸橋結(jié)構(gòu)風振明顯，此時渦旋脫落頻率與第一階構(gòu)件固有頻率較為接近，使得橫向共振現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 分析岸橋靜風響應結(jié)果

在多數(shù)情況下，臨時停車的岸橋或處于工作狀態(tài)的岸橋更容易在突然的強陣風作用下出現(xiàn)風災事故，所以在分析岸橋風振動機理時也應對靜風響應有所了解。如當風向與大車運行方向一致時，設(shè)計風速分別為20 m/s、30 m/s、40 m/s、50 m/s 和60 m/s。選取其中幾個重要節(jié)點分析位移應力響應，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風速為20 m/s 時大梁以豎向位移為主，主要與正常載荷有關(guān)，結(jié)合大梁縱向位置小于400 mm 的要求，只要在工作狀態(tài)下風速在允許范圍內(nèi)是不會有問題的；當風速持續(xù)增大至60 m/s，大梁縱向位置增大明顯，此時豎向位移幾乎不變，只是內(nèi)門框這一次要構(gòu)件與橫梁的位置縮小了一倍左右，所以縱向風速較大時，岸橋升力微小?？傮w上說，隨著風速的增加，無論是前大梁前端還是后大梁末端，以及聯(lián)系橫梁的內(nèi)門框，都會呈現(xiàn)出位移增大的趨勢，且當風速達到60 m/s 時構(gòu)件位移超出了設(shè)計要求（圖1），所以需要采取必要的防風措施，否則會威脅岸橋的安全，嚴重時會導致整機傾覆[2]。

圖1 岸橋構(gòu)件隨風速變化的位移響應結(jié)果

3 岸橋風振動的防范

由上可知，岸橋風振動情況有輕有重，引發(fā)安全事故的概率也不盡相同，但當務之急是采取措施增強岸橋防風能力，使其更好的適應特殊環(huán)境，保證安全可靠的作業(yè)。

3.1 強化風荷載的計算

既然風力不受人為影響和控制，那就借助科學技術(shù)加以分析和計算，特別是在岸橋自動化、智能化的建設(shè)過程中，必須將風荷載這一因素考慮在內(nèi)，以期基于合理有效的模型、仿真和自動化處理獲得真實、精準的數(shù)據(jù)，如風力等級、風向性質(zhì)、作用過程、對岸橋構(gòu)件的影響、對岸橋結(jié)構(gòu)的影響程度以及因風力作用而發(fā)生碰撞和傾覆的風險高低等，以為工作人員采取下一步措施提供可靠的參考，進而最大限度地減小風振動的不良影響。不過這些需要相關(guān)人員不斷加大研究和創(chuàng)新力度，早日將其變?yōu)楝F(xiàn)實。

3.2 優(yōu)化岸橋防風設(shè)計

切實優(yōu)化岸橋防風設(shè)計也是非常必要的，如防風拉鎖作為岸橋抵抗暴風的關(guān)鍵構(gòu)件，需要重視上拔力的計算和結(jié)構(gòu)形式的改進，目前相對合理的方法是根據(jù)實際的風險級別確定并計算最大風速下的結(jié)構(gòu)、輪壓和防風拉鎖，其中對岸橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算時建議采用LRFD（Load and Resistance Factor Design，荷載和抗力系數(shù)設(shè)計）法。同時融合柔性拉板概念，轉(zhuǎn)化原有的剛性防風拉鎖為延展性的防風拉鎖，用于在一定程度上抵消左右兩側(cè)的不對稱受力，最好采用圓弧面的碼頭連接銷孔，以期改善防風拉鎖的受力情況。再如錨定裝置的優(yōu)化，即增設(shè)固定螺釘和墊片于錨定板之上，并縮小坑位與錨定板的預留間隙，以期通過適當?shù)貜浹a海陸兩側(cè)的不對稱誤差，控制大車位移、保證拉鎖位置準確提高岸橋防風能力。制動裝置——防爬鐵鞋也可用于岸橋防風，但適用于岸橋自身輪壓較大的情況下，并要求設(shè)置6 s的延時功能，保證起重機停止、夾輪器閉合完全后鐵鞋才能工作，以免埋下安全隱患。

4 結(jié)束語

岸橋的工作環(huán)境特殊而多變，對風力作用非常敏感，且容易因振動影響岸橋的性能和使用壽命。因此為了安全起見，必須對其風振動機理進行分析研究，并結(jié)合實際需要采取有力的防風措施，以此保證岸橋安全作業(yè)和長遠發(fā)展。