7500吨浮式起重机风载荷特性分析

张戬杰　张氢　秦仙蓉　廖鑫

摘要：采用1∶200的几何缩尺比制作模型，高频动态天平测力技术，按0～180°范围内不同风向角、3种不同臂架幅度及两种风场地貌确定了78种试验工况，完成了7 500吨浮式起重机基底响应的风洞试验.对基底响应试验数据无量纲化后，分别从风向角、臂架幅度及风场地貌3个方面各自对风载荷特性的影响进行了全面研究分析.结果表明：1）等轴侧方向（135°风向角）浮吊的实际风载荷达到最大，如果只沿主轴方向（90°风向角）进行结构或整机风载荷稳定性校验，则可能漏掉整机实际最大风载荷；2）不同臂架幅度下结构迎风面积不同，将导致基底响应不同；3）开阔海域的A类地貌和近岸海域的B类地貌下基底响应的差异不显著.

关键词：浮式起重机；风洞测力试验；风载荷；结构分析

中图分类号：TH 218 文献标识码：A

7 500 t浮式起重机是目前世界上单机回转起吊能力最大的海上浮式起重机，主要结构包括底盘、人字架、臂架及钢丝绳等，其臂架长度约110 m，人字架高约51 m，可广泛应用于重型桥梁安装工程、海上油气田开发的吊装作业、港口建设重大件吊装和沉船打捞等作业中.7 500 t浮吊不同于常见的机械和建筑结构，其结构相对特殊、复杂.其臂架可在20°～80°范围内自由俯仰，且其臂架是由2个对称布置的桁架结构单支组成，其特点是多弦杆、腹杆等细柔杆件，启动外形复杂.此外，浮吊的工作海区广阔，可工作于近岸、浅海、深海等各种海域，作业区域地貌环境多样.因此，有必要讨论浮式起重机在不同的臂架俯仰角和风场环境下整体的基底响应.

迄今为止，对7 500 t浮吊风载荷的计算大多集中于按相关规范估算和CFD数值仿真模拟[1-3]，仅限于某种特殊工况下的风载荷计算，且不能保证结果的精确.浮吊的局部刚度较好，风载荷对结构的作用主要体现在结构整体的基底响应.为此，采用高频动态天平测力技术，在同济大学TJ-2边界层风洞内分别进行了0～180°范围内不同风向角、3种不同臂架幅度、两种不同风场地貌的风洞试验，全面研究了7 500 t浮吊的风载荷特性.

由表2可知，随着臂架俯仰角增大，风力系数逐渐增大.风载荷在沿臂架方向最明显，当风向角在135°附近时达到最大值.且随着臂架俯仰角增大，增大显著.风载荷引起的倾覆力矩在绕垂直于臂架的y轴方向最明显，且当风向角在135°附近时达到最大值.

5结论

1）基底响应均大致关于90°风向角对称或反对称.等轴侧方向（135°风向角）浮吊的实际风载荷达到最大，若只沿主轴方向（90°风向角）进行结构或整机风载荷稳定性校验，则可能漏掉整机实际最大风载荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎风面积也增加，结构迎风面积的变化是不同臂架幅度下基底响应不同的主要原因.

3）开阔海域的A类地貌和近岸海域的B类地貌下基底响应的差异较小.

通过高频动态天平测力风洞试验，全面研究了不同风向角、臂架幅度及风场地貌对7 500 t浮吊风载荷特性的影响机理，为巨型浮吊的风载荷计算提供了试验依据.

参考文献

[1]郑惠强，申静静，张氢. 7 500 t浮式起重机臂架钢结构分析[J]. 中国工程机械学报，2008，6（2）：184-187.

[2]董达善，王晟，梅潇. 7 500 t浮式起重机风载荷计算[J]. 上海海事大学学报， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正农，郝艳峰，刘申会. 不同风场下高层建筑风效应的风洞试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高频天平测力试验的输电塔风载荷空间分布估计[J]. 华南理工大学学报：自然科学版，2009， 37（6）：147-152.

[7]SIMIU E， SCANLAN H R. Wind effects on structures and introduction to wind engineering [M]. 2nd ed. New York： John Wiley & Sons， 1995：191-195.

[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黄鹏，顾明，全涌. 高层建筑标准模型风洞测压和测力试验研究[J]. 力学季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.

摘要：采用1∶200的几何缩尺比制作模型，高频动态天平测力技术，按0～180°范围内不同风向角、3种不同臂架幅度及两种风场地貌确定了78种试验工况，完成了7 500吨浮式起重机基底响应的风洞试验.对基底响应试验数据无量纲化后，分别从风向角、臂架幅度及风场地貌3个方面各自对风载荷特性的影响进行了全面研究分析.结果表明：1）等轴侧方向（135°风向角）浮吊的实际风载荷达到最大，如果只沿主轴方向（90°风向角）进行结构或整机风载荷稳定性校验，则可能漏掉整机实际最大风载荷；2）不同臂架幅度下结构迎风面积不同，将导致基底响应不同；3）开阔海域的A类地貌和近岸海域的B类地貌下基底响应的差异不显著.

关键词：浮式起重机；风洞测力试验；风载荷；结构分析

中图分类号：TH 218 文献标识码：A

7 500 t浮式起重机是目前世界上单机回转起吊能力最大的海上浮式起重机，主要结构包括底盘、人字架、臂架及钢丝绳等，其臂架长度约110 m，人字架高约51 m，可广泛应用于重型桥梁安装工程、海上油气田开发的吊装作业、港口建设重大件吊装和沉船打捞等作业中.7 500 t浮吊不同于常见的机械和建筑结构，其结构相对特殊、复杂.其臂架可在20°～80°范围内自由俯仰，且其臂架是由2个对称布置的桁架结构单支组成，其特点是多弦杆、腹杆等细柔杆件，启动外形复杂.此外，浮吊的工作海区广阔，可工作于近岸、浅海、深海等各种海域，作业区域地貌环境多样.因此，有必要讨论浮式起重机在不同的臂架俯仰角和风场环境下整体的基底响应.

迄今为止，对7 500 t浮吊风载荷的计算大多集中于按相关规范估算和CFD数值仿真模拟[1-3]，仅限于某种特殊工况下的风载荷计算，且不能保证结果的精确.浮吊的局部刚度较好，风载荷对结构的作用主要体现在结构整体的基底响应.为此，采用高频动态天平测力技术，在同济大学TJ-2边界层风洞内分别进行了0～180°范围内不同风向角、3种不同臂架幅度、两种不同风场地貌的风洞试验，全面研究了7 500 t浮吊的风载荷特性.

由表2可知，随着臂架俯仰角增大，风力系数逐渐增大.风载荷在沿臂架方向最明显，当风向角在135°附近时达到最大值.且随着臂架俯仰角增大，增大显著.风载荷引起的倾覆力矩在绕垂直于臂架的y轴方向最明显，且当风向角在135°附近时达到最大值.

5结论

1）基底响应均大致关于90°风向角对称或反对称.等轴侧方向（135°风向角）浮吊的实际风载荷达到最大，若只沿主轴方向（90°风向角）进行结构或整机风载荷稳定性校验，则可能漏掉整机实际最大风载荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎风面积也增加，结构迎风面积的变化是不同臂架幅度下基底响应不同的主要原因.

3）开阔海域的A类地貌和近岸海域的B类地貌下基底响应的差异较小.

通过高频动态天平测力风洞试验，全面研究了不同风向角、臂架幅度及风场地貌对7 500 t浮吊风载荷特性的影响机理，为巨型浮吊的风载荷计算提供了试验依据.

参考文献

[1]郑惠强，申静静，张氢. 7 500 t浮式起重机臂架钢结构分析[J]. 中国工程机械学报，2008，6（2）：184-187.

[2]董达善，王晟，梅潇. 7 500 t浮式起重机风载荷计算[J]. 上海海事大学学报， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正农，郝艳峰，刘申会. 不同风场下高层建筑风效应的风洞试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高频天平测力试验的输电塔风载荷空间分布估计[J]. 华南理工大学学报：自然科学版，2009， 37（6）：147-152.

[7]SIMIU E， SCANLAN H R. Wind effects on structures and introduction to wind engineering [M]. 2nd ed. New York： John Wiley & Sons， 1995：191-195.

[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黄鹏，顾明，全涌. 高层建筑标准模型风洞测压和测力试验研究[J]. 力学季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.

摘要：采用1∶200的几何缩尺比制作模型，高频动态天平测力技术，按0～180°范围内不同风向角、3种不同臂架幅度及两种风场地貌确定了78种试验工况，完成了7 500吨浮式起重机基底响应的风洞试验.对基底响应试验数据无量纲化后，分别从风向角、臂架幅度及风场地貌3个方面各自对风载荷特性的影响进行了全面研究分析.结果表明：1）等轴侧方向（135°风向角）浮吊的实际风载荷达到最大，如果只沿主轴方向（90°风向角）进行结构或整机风载荷稳定性校验，则可能漏掉整机实际最大风载荷；2）不同臂架幅度下结构迎风面积不同，将导致基底响应不同；3）开阔海域的A类地貌和近岸海域的B类地貌下基底响应的差异不显著.

关键词：浮式起重机；风洞测力试验；风载荷；结构分析

中图分类号：TH 218 文献标识码：A

7 500 t浮式起重机是目前世界上单机回转起吊能力最大的海上浮式起重机，主要结构包括底盘、人字架、臂架及钢丝绳等，其臂架长度约110 m，人字架高约51 m，可广泛应用于重型桥梁安装工程、海上油气田开发的吊装作业、港口建设重大件吊装和沉船打捞等作业中.7 500 t浮吊不同于常见的机械和建筑结构，其结构相对特殊、复杂.其臂架可在20°～80°范围内自由俯仰，且其臂架是由2个对称布置的桁架结构单支组成，其特点是多弦杆、腹杆等细柔杆件，启动外形复杂.此外，浮吊的工作海区广阔，可工作于近岸、浅海、深海等各种海域，作业区域地貌环境多样.因此，有必要讨论浮式起重机在不同的臂架俯仰角和风场环境下整体的基底响应.

迄今为止，对7 500 t浮吊风载荷的计算大多集中于按相关规范估算和CFD数值仿真模拟[1-3]，仅限于某种特殊工况下的风载荷计算，且不能保证结果的精确.浮吊的局部刚度较好，风载荷对结构的作用主要体现在结构整体的基底响应.为此，采用高频动态天平测力技术，在同济大学TJ-2边界层风洞内分别进行了0～180°范围内不同风向角、3种不同臂架幅度、两种不同风场地貌的风洞试验，全面研究了7 500 t浮吊的风载荷特性.

由表2可知，随着臂架俯仰角增大，风力系数逐渐增大.风载荷在沿臂架方向最明显，当风向角在135°附近时达到最大值.且随着臂架俯仰角增大，增大显著.风载荷引起的倾覆力矩在绕垂直于臂架的y轴方向最明显，且当风向角在135°附近时达到最大值.

5结论

1）基底响应均大致关于90°风向角对称或反对称.等轴侧方向（135°风向角）浮吊的实际风载荷达到最大，若只沿主轴方向（90°风向角）进行结构或整机风载荷稳定性校验，则可能漏掉整机实际最大风载荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎风面积也增加，结构迎风面积的变化是不同臂架幅度下基底响应不同的主要原因.

3）开阔海域的A类地貌和近岸海域的B类地貌下基底响应的差异较小.

通过高频动态天平测力风洞试验，全面研究了不同风向角、臂架幅度及风场地貌对7 500 t浮吊风载荷特性的影响机理，为巨型浮吊的风载荷计算提供了试验依据.

参考文献

[1]郑惠强，申静静，张氢. 7 500 t浮式起重机臂架钢结构分析[J]. 中国工程机械学报，2008，6（2）：184-187.

[2]董达善，王晟，梅潇. 7 500 t浮式起重机风载荷计算[J]. 上海海事大学学报， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正农，郝艳峰，刘申会. 不同风场下高层建筑风效应的风洞试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高频天平测力试验的输电塔风载荷空间分布估计[J]. 华南理工大学学报：自然科学版，2009， 37（6）：147-152.

[7]SIMIU E， SCANLAN H R. Wind effects on structures and introduction to wind engineering [M]. 2nd ed. New York： John Wiley & Sons， 1995：191-195.

[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黄鹏，顾明，全涌. 高层建筑标准模型风洞测压和测力试验研究[J]. 力学季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.