岸邊集裝箱起重機的防風方案設計與研究

戴煉

（江蘇潤邦工業(yè)裝備有限公司，江蘇蘇州215000）

0 引言

岸邊集裝箱起重機（簡稱岸橋）是用于船到岸、岸到船的集裝箱裝卸作業(yè)的主要起重設備之一。隨著海洋船舶物流運輸?shù)陌l(fā)展，岸橋作為主要的集裝箱裝卸設備也正朝向大型化和智能化的方向發(fā)展，而岸橋的作業(yè)地點和安裝過程中的總裝作業(yè)地點主要位于碼頭岸邊，因此也帶來了各種作業(yè)和安裝過程中的防風問題。受臺風熱帶氣流和突發(fā)性陣風的影響，因防風措施不到位而導致岸橋發(fā)生傾覆損壞的情況頻頻發(fā)生[1]。而在岸橋總裝作業(yè)的過程中，受制于作業(yè)環(huán)境的局限性，無法嚴格按照岸橋在交付使用時的防風設計方案進行施工，因此需要針對總裝作業(yè)碼頭的實際情況單獨進行防風方案的設計計算，以確保起重機在總裝作業(yè)的過程中處于一個安全可靠的環(huán)境。

1 碼頭作業(yè)環(huán)境和防風要求

1.1 地理位置

所在碼頭位于太倉港長江岸線，長江下游白茆沙南水道的右岸，與上海崇明島隔江相望，距離上游徐六涇節(jié)點約24 km，下游至瀏河口約23 km，距吳淞口約47 km。岸線基本順直且邊灘穩(wěn)定，水流平緩，深水區(qū)開闊、穩(wěn)定，是長江下游地區(qū)最佳港址之一，碼頭泊位長度為361 m，寬為40 m，水深為12 m。

1.2 氣象風況

太倉市屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，四季分明，雨水充沛，氣候溫和，日照充足，無霜期長。冬季受北方冷空氣控制，以寒冷少雨天氣為主；夏季受副熱帶高壓控制，天氣炎熱；春、秋季是季風交替時期，天氣寒冷多變、干濕相間。本地區(qū)季風特征明顯，夏季以SE～SSE向風為主，冬季受冷空氣影響以N向風為主。本地區(qū)多年平均風速3.3 m/s，全年常風向為E向，統(tǒng)計頻率為12%，強風向為NW向，實測最大風速為22.0 m/s。本地區(qū)大風主要由寒潮和臺風影響引起，6級以上的大風日數(shù)年均為26 d，最多年份為52 d。

1.3 碼頭防風要求

根據(jù)國家交通部發(fā)文要求，對于大型港口機械設備的防風裝置應分為防止風的水平力、上拔力的裝置和防滑制動裝置，以及防風預報裝置，并進行技術測試，滿足風速警示預報的要求。

在防風方案的工藝設計中，應當配備防滑和制動裝置，其中防滑裝置須保證設備在15～35 m/s的現(xiàn)場風力作用下不發(fā)生滑移；選擇配備防止風的水平力和上拔力的裝置時，須保證設備在35～55 m/s的現(xiàn)場風力作用下不發(fā)生傾覆。使用單位所在地區(qū)50 a最大風速歷史記錄超出上述范圍的，應當按照50 a最大風速設防[2]。

防風過程中需要考慮風載帶來的水平力和上拔力，來防止機器的水平移動及抬腿傾覆，正常工況下可以利用錨定、地錨、系攬樁等進行生根。岸橋本身會配置大車制動器，正常情況下制動器為關閉狀態(tài)，可以滿足日常的防滑保護，另外考慮暴風的情況會增加夾軌器、制動塊等進行保護，通常在行走的軌道端口會增加鋼板制成的擋塊，用于額外保護。

一般碼頭會配備風速儀等實時監(jiān)控碼頭的風速，港口委也會實時監(jiān)控及預測未來天氣情況，及時告知惡劣天氣等情況。以便港口能夠提前預防、避免突發(fā)性事件的發(fā)生。

大型港口及作業(yè)碼頭應該根據(jù)當?shù)氐年囷L及臺風的歷史數(shù)據(jù)進行預防性的保護措施，并且能夠定期檢查，確保其具備完好的防風防臺能力，以便應對突發(fā)性陣風。對于完全不具備防風防臺能力的碼頭或者設備，也應當根據(jù)實際計算情況采取有效的改進措施，確保其防風防臺能力。在設備遇到突發(fā)性陣風，無法立即到達防風位置時，應就地采取防風措施，增加擋塊、制動塊等塞入軌道等手段，防止滑移，確保設備安全。對于陣風多發(fā)季節(jié)處在安裝過程中的設備，提前把防風措施做好。在接收到預警后，停電、停機、停止作業(yè)，進行檢查，再次確認防風方案的完整性，以確保滿足防風防臺要求。

2 設備狀態(tài)和主要參數(shù)

兩臺集裝箱岸邊起重機位于總裝碼頭的前沿位置，主體鋼結構已吊裝安裝完成且進入總裝階段的機械和電氣安裝接線階段，后續(xù)將進入調試階段，整個周期會持續(xù)4～5個月。為避免突發(fā)性陣風及臺風的來襲，在岸橋進入總裝作業(yè)階段后，就需要設計制定防風方案并嚴格按照方案的工藝要求進行綁扎固定，做好預防臺風的措施，確保設備在整個總裝作業(yè)過程中處于安全的狀態(tài)。同時需要時刻關注防風預警信息，接收氣象局的警報信息，提前做好斷電、人員撤離的工作，并且檢查防風措施。設備主要性能參數(shù)如表1所示。

3 整體方案設計

?參數(shù) 指標數(shù)量 2 臺設計等級 U7/Q2/A7額定載荷/t 65跨距/m 16整機質量/t 1200起升高度/m S 側軌道上40;S 側軌道下19小車行程/m SD58.5;LD19起升速度/（m·min-1） 滿載75;空載150小車速度/（m·min-1） 200大車速度/（m·min-1） 45

在兩臺岸橋安裝所在碼頭前沿缺少固定錨定的情況下，防風方案的設計需要單獨考慮機器沿著大車方向上的位移，以及在暴風情況下機器會發(fā)生抬腿的惡劣情況?？傮w防風工藝方案設計中，通過固定的弧形鍥板和配重塊的設計計算，來抵消預設風速所帶來的水平和豎直方向上的受力，以達到防風錨定的效果。其中需要保證水平方向車檔的強度能夠承受水平方向的分力，配重的自重及鋼絲繩的受力要能夠抵消風速帶來的上拔力，以此來達到固定錨定防風的效果。方案布置總圖如圖1所示。

圖1 方案布置總圖

3.1 計算模型

運用Krasta軟件進行有限元建模分析，在計算模型中給出風速等外部條件，更能夠模擬出實際暴風狀態(tài)下岸橋各個部件的受力情況。根據(jù)受力情況在各個連接點給出限制條件，即模擬防風拉索的實際工況，得出各個拉索的受力情況，通過受力情況再去配置對應的防風鋼絲繩。得出實際需要的鋼絲繩及配重的數(shù)量、規(guī)格、角度等要求，以確保防風鋼絲繩及機器都滿足暴風狀態(tài)下的防風要求，如圖2所示。

3.2 模型計算

如圖3所示，在計算模型中，給出風速限制條件，從而計算得出大車方向的風載受力情況，依據(jù)計算結果給出相應的車檔方案。非工作狀態(tài)下風載的計算利用公式ΣSCfQ進行，S為迎風面積；Cf為考慮屏蔽影響的形狀系數(shù)；Q為動態(tài)風壓力[3]。

大車方向風速V=55 m/s。風載計算公式：風載=迎風面積S×風壓Q×風力系數(shù)Cf；風壓Q=0.625×V2，風力系數(shù)Cf=1.27；迎風面積為1074 m2，根據(jù)結構模型計算計算。結論：暴風沿大車方向的風載約為212 t。

圖3 岸橋角點位置示意圖

通過Krasta三維建模軟件計算可獲得岸橋大車離地的上拔力及總圖布置的防風鋼絲繩所需的上拔力如表2所示。根據(jù)各個角的受力情況，選擇適合的鋼絲繩及配置符合要求的配重，以滿足抵消上拔力的要求，如表2所示（注：岸橋重心偏陸側，計算受力時需考慮極端情況，風由海側往陸側吹，1/2 角離地抬腿為極端受力情況）。

3.3 防風方案措施

3.3.1 大車方向

表2 各角位置及鋼絲繩上拔力數(shù)值表

1）岸橋在安裝及調試過程中，無法實現(xiàn)固定錨定防風的效果。根據(jù)暴風工作狀態(tài)下，岸橋受力計算可以得出岸橋的受力情況，可以通過利用大車車檔（鋼板制成的擋塊）來實現(xiàn)水平方向上的制動效果，根據(jù)計算結果一臺岸橋任意大車方向由16個擋塊阻擋，不考慮摩擦阻力，假設水平風載都由擋塊承受。只要車檔的作用力及強度能夠滿足風載要求即可，如圖4所示。

圖4 車檔布置示意圖

2）車檔強度計算。許用接觸強度大于實際接觸強度。接觸強度σ=單個擋塊受載Fz/接觸面積S（單個擋塊受載Fz=大車方向風載Ff/擋塊個數(shù)n）；設計時車檔材料選用Q235材質，根據(jù)材料標準查詢其材料屈服強度σs=215 MPa, 許用接觸強度[σ]=195 MPa。（[σ]= σs/1.1，根據(jù)FEM標準風暴情況和材料屈服強度，確定安全系數(shù)為1.1）。結論：實際接觸強度<許用接觸強度，滿足要求，如表3所示。

3.3.2 鋼絲繩強度

1）在缺少固定錨定的情況下，需要額外增加配重塊，使得配重通過鋼絲繩與機器連接，從而實現(xiàn)增加垂直方向的力，克服抬腿情況。需要考慮配重自身的質量及鋼絲繩的強度，能夠抵消上拔力即可，如圖5所示。

2）鋼絲繩計算。根據(jù)Krasta模型計算得出岸橋各個角抬腿所需要的豎直方向的上拔力，根據(jù)力的受力分解，作用在鋼絲繩上，可以計算得出各個鋼絲繩所受的力，在滿足安全系數(shù)下，確保不超過鋼絲繩破斷拉力即可。鋼絲繩作用的力，生根在配重上，配重本身的自重大于鋼絲繩受力即可。鋼絲繩破斷拉力Fp=鋼絲繩最小拉力破斷系數(shù)K×鋼絲繩直徑D2×鋼絲繩公稱抗拉強度R/1000；許用鋼絲繩拉力Fa=鋼絲繩破斷拉力Fp/安全系數(shù)n；最大上拔力Fu由Karsta模型計算所得；鋼絲繩力Fs=最大上拔力Fu·cos θ。結論：鋼絲繩力Fs＜許用鋼絲繩拉力Fa，如表4、表5所示。

表3 計算數(shù)值表

圖5 下部鋼絲繩布置示意圖

表4 下部鋼絲繩強度計算表

表5 上部鋼絲繩強度計算表

4 結論

岸橋在設備提供商碼頭的總裝作業(yè)過程的防風設計與其在終端集裝箱碼頭的防風方案設計同樣重要，且其更是依附于總裝作業(yè)過程中的起重機狀態(tài)、碼頭環(huán)境和區(qū)域氣候情況，方案的實用性更為重要。通過此次防風方案的設計研究，充分利用了自有碼頭的設備物資，確保了岸橋在總裝裝配作業(yè)過程中的安全性，使設備順利完成了總裝發(fā)運工作。