大型龍門(mén)吊風(fēng)災(zāi)事故結(jié)構(gòu)變形分析及修復(fù)研究

鄭 彤

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江蘇南京 210015）

0 引言

大型龍門(mén)吊的噸位、跨度是船舶、海工平臺(tái)制造能力的重要標(biāo)志之一，300～1200 t 的大型龍門(mén)吊被普遍采用。龍門(mén)吊規(guī)格越高，主梁及剛性腿受風(fēng)面積越大，受到惡劣天氣影響也越大，龍門(mén)吊正常工作風(fēng)速＜16 m/s（對(duì)應(yīng)7 級(jí)風(fēng)力），停止工作風(fēng)速為16～21.0 m/s 時(shí)（對(duì)應(yīng)7～8 級(jí)風(fēng)力），當(dāng)超過(guò)最大工作風(fēng)速22 m/s 時(shí)（對(duì)應(yīng)9 級(jí)風(fēng)力），此時(shí)切斷大車電源，固定纜風(fēng)繩及地錨。在風(fēng)力作用下發(fā)生事故的情況，通常是龍門(mén)吊在工作中突遇大風(fēng)，風(fēng)速超過(guò)24.5 m/s（對(duì)應(yīng)10 級(jí)風(fēng)力）時(shí)，龍門(mén)吊水平方向所受風(fēng)力大于運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)力，在風(fēng)力作用下龍門(mén)吊沿軌道移動(dòng)，剛、柔性腿運(yùn)動(dòng)速度不同步產(chǎn)生的門(mén)架結(jié)構(gòu)變形。大型龍門(mén)吊剛、柔性腿兩側(cè)的運(yùn)行行程偏差安全范圍≤起重機(jī)跨度的3‰，大型龍門(mén)吊主梁與剛性腿之間采用焊接連接，主梁與柔性腿之間普遍采用撓性鉸連接。剛、柔性腿中心線錯(cuò)位量超過(guò)安全范圍后，柔性腿撓性鉸連接無(wú)法調(diào)節(jié)行程偏差，吊車開(kāi)始產(chǎn)生門(mén)架結(jié)構(gòu)的變形，剛、柔性腿中心線錯(cuò)位量繼續(xù)變大，出現(xiàn)兩種情況，一是大型龍門(mén)吊沿軌道移動(dòng)受阻，瞬間減速停止，柔性腿與主梁門(mén)架是轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)，能釋放動(dòng)能引起的變形，剛性腿與主梁門(mén)架是剛性連接結(jié)構(gòu)，受力后造成整體扭曲；二是當(dāng)主梁門(mén)架與柔性腿撓性鉸連接脫開(kāi)，吊車主梁失去柔性腿支撐，門(mén)架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，起重機(jī)發(fā)生傾覆。研究大型龍門(mén)吊風(fēng)災(zāi)事故結(jié)構(gòu)變形，明確起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)受損范圍，對(duì)制定事故吊車維修方案，減少故障隱患意義重大。

1 大型龍門(mén)吊風(fēng)災(zāi)事故結(jié)構(gòu)變形分析

對(duì)大型龍門(mén)吊風(fēng)災(zāi)事故研究，以未發(fā)生傾覆、具備修復(fù)價(jià)值的狀態(tài)為重點(diǎn)。剛性腿迎風(fēng)面積較大，受兩個(gè)方向（主梁跨度方向、大車運(yùn)行方向）的風(fēng)力吹襲影響，柔性腿為圓筒狀，迎風(fēng)面較小，載荷較小，受風(fēng)影響不大，造成兩邊行走滑移量不一致。風(fēng)對(duì)大型龍門(mén)吊的影響最大的方向是在垂直于主梁，風(fēng)載荷與風(fēng)速的關(guān)系見(jiàn)式（1）：

式中 Pw——作用在起重機(jī)上或物品上的風(fēng)載荷，N

C——風(fēng)力系數(shù)

Kh——風(fēng)壓高度變化系數(shù)

q——計(jì)算風(fēng)壓，N/m2

A——起重機(jī)或物品垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，m2

垂直吊車主梁最大風(fēng)壓變化如圖1 所示，風(fēng)壓與空氣密度和風(fēng)速的關(guān)系見(jiàn)式（2）：

圖1 垂直吊車主梁最大風(fēng)壓變化

式中 V——計(jì)算風(fēng)速m/s

根據(jù)大型龍門(mén)吊已有風(fēng)災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，剛性腿的滑移量普遍大于柔性腿，剛、柔性腿中心線錯(cuò)位產(chǎn)生起重機(jī)主梁中心線偏轉(zhuǎn)，剛性腿與主梁是剛性連接結(jié)構(gòu)，在風(fēng)力作用下，剛性腿與主梁承受的扭力沿著剛性腿至上而下傳遞，扭力需要在剛性腿結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中得到釋放，剛性腿結(jié)構(gòu)最弱的部位產(chǎn)生塑性扭轉(zhuǎn)變形損傷，整體門(mén)架結(jié)構(gòu)受風(fēng)力扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，結(jié)構(gòu)內(nèi)力出現(xiàn)新的變化與重新分布。大型龍門(mén)吊鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力將影響吊車門(mén)架剛度及穩(wěn)定性，吊車使用過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)及主梁受力，使得構(gòu)件中殘余應(yīng)力分布改變，這種應(yīng)力變化在柔性腿撓性鉸連接不能夠充分釋放時(shí)，大型龍門(mén)吊安裝定位尺寸將發(fā)生變化，影響起重設(shè)備的安全狀態(tài)。

大型龍門(mén)吊門(mén)架變形，造成剛性腿行走機(jī)構(gòu)車輪水平方向與起重機(jī)本體出現(xiàn)軸線偏差，這種偏差將引起大車行走車輪水平方向、垂直方向的偏斜，起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程車輪邊緣與運(yùn)行軌道相互摩擦和擠壓，加速傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損（行走輪、軸承、齒輪、電機(jī)的損壞），剛、柔性腿不同步頻繁糾偏，門(mén)架行走過(guò)程振動(dòng)異響，設(shè)備故障率大幅提高，縮減起重機(jī)的使用壽命。

對(duì)大型龍門(mén)吊風(fēng)災(zāi)事故（未發(fā)生傾覆事故）現(xiàn)場(chǎng)勘查，常見(jiàn)的問(wèn)題如下：①剛性腿明顯外傾，運(yùn)行機(jī)構(gòu)脫軌受損；②剛性腿內(nèi)側(cè)、外側(cè)面檢測(cè)有局部凹陷變形，內(nèi)部主板、橫隔板及主筋扭曲，對(duì)應(yīng)梯子平臺(tái)存在不同程度的扭曲變形；③電梯井結(jié)構(gòu)變形，電梯局部受損；④柔性鉸、上糾偏裝置損壞，安全拉桿焊縫撕裂，柔性鉸橡膠擠壓變形。

以上情況可以通過(guò)觀測(cè)及儀器測(cè)量發(fā)現(xiàn)，無(wú)法觀測(cè)的是有害殘余應(yīng)力，事實(shí)存在危害極大。由于剛性腿在風(fēng)災(zāi)事故中出現(xiàn)整體門(mén)架結(jié)構(gòu)瞬間變形，結(jié)構(gòu)變形造成起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大殘余應(yīng)力，得不到消除的有害應(yīng)力將長(zhǎng)時(shí)間存在，不斷的變化，影響起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，殘余應(yīng)力通過(guò)自然時(shí)效釋放需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程對(duì)大型龍門(mén)吊使用安全極為不利。加快殘余應(yīng)力釋放，消除吊車鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)災(zāi)事故中有害殘余應(yīng)力，對(duì)大型龍門(mén)吊的安全使用有著較為重要的實(shí)際意義。

2 大型龍門(mén)吊修復(fù)方案

2.1 大型龍門(mén)吊修復(fù)目標(biāo)

通過(guò)修理?yè)p傷部件，調(diào)整門(mén)架結(jié)構(gòu)定位尺寸，恢復(fù)大型龍門(mén)吊到初始狀態(tài)；除了對(duì)可觀察到的損傷部位進(jìn)行修復(fù)，還需要采取措施消除有害應(yīng)力，調(diào)整恢復(fù)起重機(jī)到安裝時(shí)的定位體系狀態(tài)，保障起重機(jī)長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性能。

2.2 大型龍門(mén)吊修復(fù)工作流程

事故分析，制定安全修復(fù)方案→采取安全防護(hù)措施，避免次生災(zāi)害（預(yù)防維修期間突發(fā)大風(fēng)天氣、起重機(jī)失穩(wěn)狀態(tài)的加固等）→起重機(jī)主梁中心線位置復(fù)位→有害應(yīng)力的消除→受損的鋼結(jié)構(gòu)維修、剛性腿運(yùn)行機(jī)構(gòu)維修、脫軌復(fù)位→柔性腿上糾偏機(jī)械裝置及柔性鉸檢修→受損機(jī)械、電氣部件修復(fù)→大車糾偏系統(tǒng)進(jìn)行檢修調(diào)整歸位→驗(yàn)收取證。

2.3 大型龍門(mén)吊修復(fù)方案

2.3.1 應(yīng)急簡(jiǎn)易修復(fù)方案（適用起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形）

主要工作內(nèi)容：通過(guò)柔性腿沿軌道牽引，起重機(jī)主梁中心線位置復(fù)位，對(duì)損傷的大車行走構(gòu)件進(jìn)行更換。主梁中心線位置復(fù)位方案如圖2 所示。

圖2 主梁中心線位置復(fù)位方案

優(yōu)點(diǎn)：修復(fù)時(shí)間短，正常在3 d 左右，維修費(fèi)用較低。此方案只適用起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)脫軌復(fù)位維修。

缺點(diǎn)：鋼結(jié)構(gòu)瞬間變形產(chǎn)生的應(yīng)力沒(méi)有得到釋放，在使用過(guò)程中，由于鋼結(jié)構(gòu)有害應(yīng)力的存在，使用過(guò)程將出現(xiàn)嚴(yán)重啃軌、反復(fù)糾偏現(xiàn)象，增加起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)維修頻率及日常維修費(fèi)用。

2.3.2 剛性腿頂升修復(fù)方案

主要工作內(nèi)容：通過(guò)柔性腿沿軌道牽引，起重機(jī)主梁中心線位置復(fù)位；在剛性腿魚(yú)尾段底部位置，布置頂升工裝，頂升剛性腿，讓起重機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)與剛性腿絞接脫開(kāi)，行走機(jī)構(gòu)沿軌道拉出解體，修復(fù)剛性腿分段、各級(jí)平衡梁鋼結(jié)構(gòu)，更換損傷構(gòu)件，重新定位組裝。剛性腿頂升修復(fù)方案如圖3 所示。

圖3 剛性腿頂升修復(fù)方案

優(yōu)點(diǎn)：具有實(shí)施周期短，投入成本低，修復(fù)費(fèi)用可控，重新調(diào)整大車行走機(jī)構(gòu)安裝定位體系，局部消除有害應(yīng)力，改善大車行走輪啃軌現(xiàn)象效果明顯。

缺點(diǎn)：通過(guò)剛性腿魚(yú)尾段底部布置頂升工裝，剛性腿及門(mén)架結(jié)構(gòu)有害應(yīng)力未得到充分釋放，在使用過(guò)程中，剩余有害應(yīng)力將引起起重機(jī)定位體系變化，產(chǎn)生輕度啃軌現(xiàn)象。

2.3.3 剛性腿整體提升吊裝修復(fù)方案

主要工作內(nèi)容：在主梁剛性腿側(cè)設(shè)立塔架提升裝置（吊耳燒焊在主梁上），通過(guò)提升、剛性腿騰空，將受損的剛性腿分段切除維修或更換，行走機(jī)構(gòu)沿軌道拉出解體，柔性腿上糾偏機(jī)械裝置及柔性鉸檢修，恢復(fù)原有安裝定位體系。剛性腿整體吊裝提升方式如圖4 所示。

圖4 剛性腿整體吊裝提升方式

優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)主梁剛性腿側(cè)設(shè)立塔架提升裝置，使得剛性腿門(mén)架騰空、處于自由狀態(tài)，調(diào)整恢復(fù)起重機(jī)門(mén)架安裝定位體系，可以快速有效的釋放門(mén)架有害應(yīng)力，對(duì)損傷的剛性腿分段整體拆除，維修比較徹底，有效解決大車行走輪啃軌現(xiàn)象。

缺點(diǎn)：塔架提升裝置安裝拆除工作量大，維修成本高，修理周期較長(zhǎng)。

3 風(fēng)災(zāi)事故對(duì)柔性鉸安全使用影響

大型龍門(mén)吊設(shè)計(jì)時(shí)，柔性鉸的設(shè)計(jì)使用壽命按照吊車使用壽命計(jì)算，柔性鉸設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式以合金結(jié)構(gòu)鋼為材料的剛性層、聚四氟乙烯為材料的柔性層、起防塵作用的橡膠圈組成，受力主要以承壓為主，同時(shí)具備釋放起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的彎矩和扭轉(zhuǎn)、吸收能量、減小振動(dòng)的作用。柔性鉸在風(fēng)災(zāi)事故中存在受力變形，柔性鉸損傷失效會(huì)造成大型龍門(mén)吊啃軌及頻繁糾偏，這一現(xiàn)象與行走機(jī)構(gòu)軸線與軌道不平行的表象一致，嚴(yán)重影響吊車使用安全，如何判斷柔性鉸在風(fēng)災(zāi)事故中的損傷程度，目前可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。

柔性鉸檢驗(yàn)的外觀判斷：觀察外部鋼結(jié)構(gòu)、柔性鉸外形的變形量、上下底座間隙、防塵橡膠擠壓程度；內(nèi)部檢驗(yàn)剛性層和柔性層卷邊、分層、開(kāi)裂。內(nèi)部檢驗(yàn)需要將柔性鉸拆除，常規(guī)維修工藝在柔性腿A 字頭頂部頂升點(diǎn)位置布置液壓千斤頂及保險(xiǎn)套管，在鉸支座外側(cè)設(shè)置移位平臺(tái)，用于柔性鉸的拆除及換新吊裝如圖5 所示。柔性鉸拆除安全防護(hù)主要措施，在柔腿上部拉設(shè)臨時(shí)風(fēng)繩，利用塔架提升裝置穩(wěn)定起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)。

圖5 柔性鉸維修工藝

4 大型龍門(mén)吊風(fēng)災(zāi)事故搶險(xiǎn)安全防控

大型龍門(mén)吊門(mén)架結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)事故中發(fā)生變形，打破原有的穩(wěn)定性，出現(xiàn)短時(shí)失穩(wěn)狀態(tài)，風(fēng)災(zāi)停止后，吊車處于新的平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)比較脆弱，存在較多不穩(wěn)定因素，在吊車修復(fù)期間需要防范突發(fā)大風(fēng)天氣及臺(tái)風(fēng)的影響，避免次生災(zāi)害發(fā)生。風(fēng)災(zāi)事故后的吊車安全性檢查非常重要，通過(guò)查找安全隱患點(diǎn)，進(jìn)行加固，可采取對(duì)變形部位增加支撐、拉設(shè)纜風(fēng)、設(shè)立警戒區(qū)域等措施。

吊車剛性腿提升作業(yè)地基受吊車位置及搶險(xiǎn)時(shí)間的影響，一般采用事故現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)，缺乏加強(qiáng)處理，在安裝提升裝置前，對(duì)原有基礎(chǔ)承載能力進(jìn)行校核，通過(guò)鋪設(shè)路基箱板增加承載面積，降低風(fēng)險(xiǎn)。整體提升前期要做好長(zhǎng)期氣象咨詢預(yù)報(bào)工作，龍門(mén)起重機(jī)提升初期采用分級(jí)加載的方法，對(duì)地基、提升裝置受力變化情況密切觀察，控制在設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，防止出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，直至大車行走機(jī)構(gòu)離開(kāi)軌道。在提升過(guò)程中及時(shí)調(diào)整吊車?yán)|風(fēng)繩，防止在維修期間內(nèi)突起大風(fēng)，造成龍門(mén)起重機(jī)整體的橫向擺動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)查大型龍門(mén)吊風(fēng)災(zāi)事故內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害應(yīng)力的過(guò)程，分析對(duì)比不同維修方案消除有害應(yīng)力的效果，為大型龍門(mén)吊修復(fù)提供理論依據(jù)，為消除行走輪啃軌、頻繁糾偏、行走過(guò)程振動(dòng)異響提供可靠修復(fù)方案。