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港口装卸２００７年第２期（总第１７２期） 岸边集装箱起 重机的防风设计 交通部水运科学研究院 彭传圣 摘 要：许多设计人员认为起重机的风载荷是各种设计载荷中最让人困惑和不可预测的载荷。美国咨询商 Ｌｉｆｔｅｃｈ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｉｎｃ．的专家从规范的使用、系固装置及轨道车挡的设计等方面对岸边集装箱起重机的防风设计 提出了相关观点。 关键词：岸边集装箱起重机；风载荷；防风设计 Ａｎｔｉ——Ｓｔｏｒｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｑｕａｙｓｉｄｅ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｃｒａｎｅ Ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｐｅｎｇ Ｃｈｕａｎｓｈｅｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｌｏｔ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｂｅｌｉｅｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｌｏａｄ ｆｏｒ ｃｒａｎｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｕｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ａｎｄ ｐｕｚｚｌｅｄ ｏｎｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｌｏａｄｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｔｓ ｆｒｏｍ Ｌｉｆｔｅｃｈ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｉｎｃ．ｉｎ ＵＳＡ ｈａｖｅ ｔｈｅｉｒ ｏｗｎ ｏｐｉｎｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ａｎｔｉ－－ｓｔｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｑｕａｙｓｉｄｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｃｒａｎｅ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａｎｃｈｏｒｅｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｒａｉｌ ｂｌｏｃｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｙｓｉｄｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｃｒａｎｅ；ｗｉｎｄ ｌｏａｄ；ａｎｔｉ—ｓｔｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ 由于强风造成港口大型起重机损毁的事故在国 专家２００６年在美洲港口联合会（ＡＡＰＡ）举办的设 内外常有发生，损失惨重，对港口生产影响巨大，因 此，港口起重机咨询、设计和使用部门均致力于不断 研究和完善提高港１＝１起重机防风能力的方法 。 备工程研讨会上做了一个报告，提出将岸边集装箱 起重机荷载和码头结构设计统一考虑，本文介绍其 中关于岸边集装箱起重机防风设计的相关观点。 目前，岸边集装箱起重机广泛使用包括电动液压顶 轨器、夹轨器、夹轮器等在内的防爬装置、锚定装置 ｌ 规范的使用 码头的设计通常采用荷载与抗力系数法（ＬＲ— ＦＤ），即需要的强度不大于设计强度，设计强度为材 和系固装置进行防风保护，效果显著。但是鉴于以 下原因，许多起重机设计人员认为起重机的风载荷 是各种设计载荷中最让人困惑和不可预测的载荷： （１）在起重机使用地点的介绍中，常常缺乏最 大风速的数据。 料强度与强度折减系数的乘积，需要的强度为各类工 作载荷与载荷系数乘积之和；岸边集装箱起重机的设 计通常采用许用应力法（ＡＳＤ）。由于设计规范变得 更加复杂，结果导致规范条文的误用情况也更加严 重，发生工程误差的机会也在增加。在美国，通常采 用美国土木工程师协会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎ－ ｇｉｎｅｅｒｓ）的ＡＳＣＥ ７—０５建筑物以及其它结构最小设 计载荷规范确定码头载荷，采用美国混凝土学会 （Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）的ＡＣＩ ３１８结构混凝土 建筑物规范要求及其解释指导码头设计，采用美国钢 结构学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ （２）风是一种紊流空气，其方向和强度随时问 和空间位置的变化而变化，即使在同一时间，起重机 结构的不同表面上的风压也完全不同，设计时只能 采用与结构尺度和位置相关的简化变量将结构上的 风压力转换成当量的静态压力。 （３）可以利用试验数据很好地建立计算具体结 构面上的风阻力的模型，但是很少有能够建立计算 发生在整个部件或者起重机上的风阻力模型的数据 资料…。 Ｉｎｃ．，ＡＩＳＣ）标准进行钢桩和包括码头轨道车挡、系固 装置托架和锚定插座等在内的码头部件的设计。ＡＣＩ ３１８规定的载荷系数和强度折减系数见表１。ＡＳＣＥ ７ —岸边集装箱起重机载荷可以分成固定载荷、活 动载荷、初始载荷以及环境载荷，工作状态下的风载 荷和非工作状态下的风载荷属于环境载荷，其中非 工作状态下的风载荷往往是起重机设计差异的主要 来源。 ０５规定起重机固定载荷为不包括起升载荷在内的 起重机重量，活动载荷为起升载荷或者额定起重量， ＡＣＩ ３１８规定的起重机载荷系数见表２。 一咨询商Ｌｉｌｆｅｃｈ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｉｎｃ．（简称Ｌｉｌｆｅｃｈ）的 些设计人员将起重机固定载荷视为活动载荷， ５ 维普资讯 http://www.cqvip.com
表１ ＡＣＩ ３１８规定日的载荷系数和强度折减系数 不同重现时间间隔的风在一 定时间内出现的概率见表３，如 平均重现时间间隔为５０ ａ的大 风在１，ａ、１０ ａ、２５ ａ、５０ ａ和１００ ａ 内出现的概率分别为２％、１ ８％、 如果不包括方向系数则取１．３０ ４０％、６４％和８７％。不过，不同 取１．６的载荷系数，从而导致１．６／１．３—１．０＝２３％的 重现时间间隔的风在重现时间间隔内出现的概率均 为６４％。 表３不同平均重现时间间隔风在一定时间内出现的概率 过度设计。Ｌｉｌｆｅｃｈ的专家提醒注意风载荷系数的正 确选用，建议码头设计商从起重机供应商处获取基 本数据载荷，再根据ＡＣＩ的要求进行载荷组合。此 外，需要注意载荷系数在２００２年前后发生的变化。 表２ ＡＣＩ ３１８规定的起重机载荷系数 出现的持续时间是指风速平均达到参考风速水 平的风的持续时间，出现的持续时间３ Ｓ的风速显 ２ 非工作状态风载荷的计算 利用公式∑ＡＣｉｑ：计算起重机的非工作状态风载 荷，式中，Ａ为部件的迎风面积；Ｃ 为考虑屏蔽影响的 著大于出现的持续时间１０ ｍｉｎ的风速，根据风速测 量结果，通常出现的持续时间３ Ｓ的风速比出现的 持续时间１０ ｍｉｎ的风速大４６％。当使用出现的持 续时间来定义设计风速或者基本风速时，不同的规 范可能会有显著的差别。表４为不同规范对基本风 速的定义。 表４不同规范定义的基本风速 规范 平均重现时间间隔 出现的持续时ＩＮ／ａ 形状系数，可以根据设计规范取经验值，不过，根据考 虑了边界层、风角度效应以及屏蔽效应的风洞试验结 果取值更加准确，图１所示为Ｌｉｌｆｅｃｈ公式计算的风 载荷与风洞试验的风载荷的比较结果，风洞试验测出 的起重机所受风载荷最大时的风角度与理式的 计算结果有差别，但是最大风载荷的量值相差不大； ｑ＝为动态风压力，是平均重现时间间隔、出现的持续 时间、 ：（ 为起重机使用地点说明或者规范中规定 的参考风速）以及表面粗糙程度的函数。 与风速相应的风载荷的大小取决于 起重机迎风面的粗糙程度，通常用风压 厂 。‘＼ ‘／＼ 沿高度方向呈阶梯型或者光滑梯度型分 布方式计算起重机的风载荷，见图２。 由于也能够用风载荷计算因素的变 化，计算结果也因此变化，表５为非工作 ． ＼ ， Ｊ——阶梯型 Ｊ——光漏梯摩 ，｝一 ｆ ／ ／ ＿ ｝ ／ｌ Ｉ ＜ ｆ ９０ １ ３５ １ ８０ ５００ １ ０００ １ ５００ ｌ＼Ｉ ｌ Ｉ ２０００ 风角度／。 风压／Ｐａ 图１ Ｌｉｆｔｅｃｈ公式计算的风载荷与风洞试验的风载荷结果的比较 ６ 图２风压力沿高度方向分布的方式 维普资讯 http://www.cqvip.com
港口装卸２００７年第２期（总第１７２期） 状态下风载荷计算变化量。风载荷与风速的平方成 作用，岸边集装箱起重机设计商应该向码头设计商提 正比，因为计算条件不同对风载荷产生的影响较对 供岸边集装箱起重机门腿上拔力的信息，包括最大门 风速产生的影响大。非工作状态时码头和起重机上 腿上拔力、系固装置的分布、允许有一定偏斜的上拔 没有工作人员，即使遭遇大风，也不存在人的生命安 力的方向。 全问题，因此，大部分规范允许采用平均重现时间 间隔２５ ａ的大风作为设计风速。Ｌｉｌｆｅｃｈ的专家提 ４ 系固力计算 醒以下事项：①不要搭配使用不同规范提供的风压 大部分起重机的毁损是在非工作状态下由风载荷 和载荷系数，建议采用平均重现时间间隔５０ ａ的大 引起的，而且问题均出自系固装置或锚定装置，系固力 风风速作为设计风速，原因在于岸边集装箱起重机 又是岸边集装箱起重机系固装置最大的问题来源。 表５非工作状态下风载荷计算变化量 岸边集装箱起重机在非工作状态下 的受力分析见图３。图中Ｆ 为风载荷； Ｆ，为系固力；Ｄ为起重机固定载荷；ｈ为 风载荷Ｆ 距轨道面的距离；６为轨距；口 为底梁端部距另一端轨道的距离（为获 得较大的力矩，系固装置位置总是尽可能 价格昂贵，使用寿命长，这样做经济上合理；②采用 靠近底梁端部）。起重机的倾覆力矩为Ｆ ｈ，扶正力 起重机使用地点当地设计规范确定设计风速、风压 矩为Ｄｂ／２。假设起重机的倾覆力矩与扶正力矩的比 沿高度方向的分布和载荷系数；③选用通过风洞试 值为ｙ，风载荷实际值是计算风载荷值的（１＋ｅ）倍， 验获得的形状系数。 则实际系固力与计算系固力的比值为｛［（１＋ｅ）Ｆ ｈ —３，防风系固，装置设计 Ｄｂ／２］／ａ｝／｛［Ｆ ｈ—Ｄｂ／２］／Ⅱ｝＝［（１＋ｅ） —１］／ （７—１）。风载荷误差ｅ来源于风速、形状系数、风压 岸边集装箱起重机系固装置失效事件的发生比 沿高度方向的分布等因素，风载荷误差及其导致的实 人们预料的要多，原因主要在于对其缺少了解以及 际系固力与计算系固力的误差之间的关系见图４。 制造和安装中的质量问题。当前人们几乎没有做什 结果表明：当７接近或者等于１，即起重机的倾 么努力以避免系固装置失效事件的发生。 覆力矩接近扶正力矩时，较小的风载荷误差就会导 以下原因导致岸边集装箱起重机系固装置拉力 致较大的实际系固力与计算系固力之间的误差；而 分配不均衡：①起重机在风力作用下的变形；②施工 当 较大时，实际系固力与计算系固力的误差与风 误差；③码头上的销轴偏离中心；④由于摩擦的影响 载荷的误差比较接近。例如，如果风速误差为１０％， 系固装置不完全是直的。如果在起重机一条门腿上 则ｅ：２１％，当７＝１．４时，实际系固力等于计算系固 设有多重系固装置，在起重机运动的过程中，由于系 力的１．７４倍；而当 ＝１．４时，实际系固力等于计算 固装置拉力的不均衡分布，会使一个系固装置承担的 系固力的１． ２６倍。通常在飓风区使用的较老的 拉力远大于其应分担的拉力，其会在其他系固装置分 岸边集装箱起重机，陆侧 值为１．０～２．５，海侧 担拉力之前破坏，其他系固装置 也会因为同样的原因而渐渐破 坏，最后导致起重机倒塌，因此， 有时会在系固系统上加设均衡装 置。不过，由于潜在的系固装置 拉力分配的不均衡性，在起重机 每条门腿上用一个大型系固装置 。一一 取代多重小型系固装置是比较好 的，实践中不用这种大型系固装 １ ０ １ ５ ２ ０ ２ ５ ３ ０ ３ ５ ４ ０ ４ ５ ５ ０ 置的原因主要是，大型系固装置 倾覆力矩／扶正力矩 部件重量太大，不易完成系固装 ＝ 羹亘堡茎 ：！！堡差 二 ＝堡 ０ ＝ 考 置与码头部件之间的联结。为保 证防风系固装置能够有效地发挥 图３系固力计算图示 图４风载荷误差与系固力计算误差的关系 ７ ６ 维普资讯 http://www.cqvip.com
Ｐｏｒｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ２００７．Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１７２） 港口门座起重机防风装置的计算与选择 武汉理工大学物流工程学院 李 娜 胡吉全 摘 要：阐述了港１２１门座起重机结构形式与风作用的关系，以及门座起重机发生事故的状况及其原因，并通 过不同工况和不同风力作用下门座起重机受力情况的计算分析，提出了如何选取合适、有效的防风装置。 关键词：门座起重机；防风装置；计算 Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｐｏｒｔ Ｐｏｒｔａｌ Ｃｒａｎｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｉ Ｎａ．Ｈｕ Ｊｉｑｕａｎ ，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｏａａｌ ｃｒａｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆｏｒｃｅａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｃａｓｅｓ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｌ ｃｒａｎｅｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ ｂｒｉｎｇｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｈｏｗ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｔｉ—ｗｉｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｔａｔｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｌ ｃｒａｎｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｆｏｒｃｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔａｌ ｃｒａｎｅ，ａｎｔｉ—ｗｉｎｄ ｄｅｖｉｃｅ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 近１０年来，台风和突发性阵风对港口大型机械 造成灾难性损毁的事故日趋增多，影响了码头的正 ｌ 门座起重机结构形式与风作用的关系 门座起重机金属结构由臂架系统、转台与转柱、 常生产，造成了巨大的经济损失。门座起重机是港 口码头前沿使用最多的机型，其结构复杂，受风作用 影响大，因此研究和改进港口门座起重机的防风抗 台装置有重要意义。 人字架及门架等组成，其制造通常采用箱形结构和 桁架结构。箱形结构用钢板焊接制成，而桁架结构 可用角钢、槽钢、工字钢和无缝钢管等材料制作。因 值为２．０～５．０，为避免保守设计，Ｌｉｌｆｅｅｈ的专家建 议陆侧取值至少为海侧的５０％。使用较设计要求 更高的系固装置，即使额外增加成本也是值得的。 Ｌｉｌｆｅｅｈ的专家建议码头部件的设计采用与起重 机系固装置同样的载荷和安全系数，即采用荷载与 抗力系数法确定系固装置强度要求（ＡＣＩ给定的稳 定性载荷系数为固定载荷的０．９；小车载荷和起升 系统载荷的０．９；平均重现时间间隔为５０ ａ的风载 荷，如果不包括ＡＳＣＥ ７—０２的方向性系数则取 １．３０，否则取１．６０），花篮螺丝能够承受２倍的系固 装置系数载荷，系固装置结构部件在整个承受拉力 部分的允许应力取０．９倍的材料屈服拉应力。 图５ 码头轨道车挡被起重机撞击损坏的实例 挡，导致起重机门框支在设在下横梁端部的防倾支 承板上时的冲击载荷，即每个码头轨道车挡能够承 受的最大撞击载荷约为起重机固定载荷的１／４。 参考文献 ５ 码头轨道车挡设计 通常岸边集装箱起重机缓冲器的设计目的，是 为了缓解起重机大车以最大运行速度与码头轨道车 挡之间发生的碰撞，并不能适应失控的起重机与码 头轨道车挡之间的碰撞，图５所示为轨道车挡被起 重机撞击损坏的实例。 Ｌｉｌｆｅｅｈ的专家建议码头轨道车挡的承载力适应 起重机发生倾覆状态的需要，即起重机撞击轨道车 ８ ［１］ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｃ．Ｇｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｕｐ ｏｖｅｒ ｃｒａｎｅ ｄｅｓｉｇｎｓ［Ｊ］． Ｗｏｒｌｄ Ｃａｒｇｏ Ｎｅｗｓ，１９９６（７）：４３—４４． ［２］ 郑维馥．港口大型装卸设备的防风措施［Ｊ］．起重运输 机械，１９９７（９）：３—６． ［３］ 包起帆，沈讽．港口大型起重机抵御风害的安全措施 ［Ｊ］．起重运输机械，２００６（１１）：１—５． 彭传圣：１０００８８，北京市西土城路８号 收稿日期：２００７—０２—２６
