港口机械风载荷计算标准的应用

韩振生

大连华锐重工港机设计院



港口机械风载荷计算标准的应用

韩振生

大连华锐重工港机设计院

介绍了FEM1.004∶2000第一部分中关于锚固风压计算方法和中欧标准关于风载荷的对比情况，给出了满足国内标准和法规的锚固风压合理计算方法。运用该方法，可避免造成设备过重、非工作载荷过度放大和投资浪费。

基本风速； 平均风； 脉动风； 湍流强度； 等效静态风压

1 引言

20世纪90年代后期，交通部颁发文件，要求国内港口设备非工作设计风速为55 m/s。我国南北海岸线长，气候差异大，不同地区应用相同的风载

荷，以及对如何将文件要求55 m/s的非工作风速应用于设计并和相关标准融合，产生了一些问题，导致载荷过大并增加码头和设备成本。本文将FEM与国内标准进行对比分析，给出港口机械非工作锚固风压的合理计算方法。

2 风速与风压

风速是指T时间距离内的最大平均风速，其大小与阵风样本的记录时间T0有关，当T→0时，V即为瞬时风速。风速主要由长周期风和短周期风2部分组成。起重机的非工作锚固风压主要考虑10 min时距的平均风和3 s时距的脉动风的影响。FEM和中国《建筑结构载荷规范》GB50009-2012取10 min作为平均风速的时距，《起重机设计规范》(GB3811-2008)取3 s作为平均风速的时距。在起重机非工作工况，10 min时距风速乘1.4可以得到3 s时距风速，换算系数1.4与欧洲标准EN 13001-2∶2004完全相同[1-2]。

3 风速剖面与脉动风

4 风载荷

采用FEM的风载荷表达式：F=A×q×Cf，Cf为风力系数；q为风压N/m2;A为迎风面积m2。任何标准的风载荷都可以用上述公式表达，公式中只有风压q是与环境条件有关的。各标准中风载荷函数表达式不同，说明对脉动风影响的风压考量不同。对主要受力结构，风压的表达式有2种形式，一种是平均风压与脉动风压的叠加；另一种为平均风压乘以风振系数。FEM1.004∶2000第一部分(以下简称FEM1.004)是前一种，《建筑结构载荷规范》和美国ASEC属于后一种。《起重机设计规范》则只采用脉动风压[3-4]。

为了比较各标准的不同，先定义如下参数：基本风速Vref，在空旷平坦地区离地10 m高处50年一遇的10 min或3 s时距的年最大平均风速。应用伯努利方程可获得当地的基本风压。基本风速或风压是按实测样本数据经概率统计得出的，一般可在建筑载荷规范中查找。

4.1 FEM锚固风压

FEM1.004 第3.2款，对非工作风载荷的计算提供2个依据，位于欧洲A、B、C区域的起重机可按FEM1.001 表T.2.2.4.1.2.2或FEM1.004的附录2计算；D、E、F、G区域的起重机按FEM1.004的附录2计算。从FEM1.004插图F.A.2可以看出， A、B、C区域处于欧洲内陆，因此，港口机械只能根据FEM1.004附录2计算。这意味着FEM1.001表T.2.2.4.1.2.2不能应用于沿海的港口机械，只能应用于内陆的一般起重机。FEM1.004的附录2设计风速计算公式如下：

3 s时距风速(gust)与Vref的表达式，K=0.005 5。

Vref化简后得到下式

对于25年一遇的风，该标准给出Fref=0.946 3；25年以上一遇的风，该标准未给出数据。因此，对25年以上一遇的风，取Fref=1，则：

FEM标准的风载荷高度系数为：

4.2 《起重机设计规范》非工作风载荷

我国《起重机设计规范》规定的非工作计算风速为空旷地区离地10m高处3s时距的平均瞬时风速，相当于FEM中的基本风速采用3s时距的脉动风速，这意味着没有考虑10min平均风速的影响。其公式为：

PWIII=Cj×Kh×PIII×A

4.3 中欧风载荷对比

各标准之间风载荷的区别特征是脉动风对风压影响的比例和是否符合湍流强度规律。从表1中可以看出，虽然《起重机设计规范》与FEM1.004非工作风速时距不同，但非工作风压的初始值(离地10m)的计算值是相同的，等于3s时距的基本风压。FEM1.004的非工作风压是在10min平均风速基础上考虑脉动风的影响的。从本文4.1节中可知其高度系数Kh的前一项考虑10min时距平均风的影响，后一项考虑的是脉动风的动态影响。当z=10m时，风压是10min时距风压的1.96倍。从Kh的公式中看出，脉动风在风压中的影响比例为0.96/1.96=49%，随着高度的增加，脉动风的比例逐渐降低，说明FEM1.00风压中关于脉动风的比例与湍流强度规律一致。

《起重机设计规范》的非工作基本风速是时距3s平均风速，它没有考虑长周期(10min时距)平均风的影响，只考虑脉动风的影响。随着高度的增加，与湍流强度规律不一致，且公式中也没有任何修正系数来考虑与湍流规律保持一致。美国载荷规范ASCE7-10的基本风速也采用3s时距的平均风速，但在风载荷(ASCE26.9.1)中对刚性结构有一个0.85的gust-effectfactor来考虑长周期风对风压的影响。

因此，《起重机设计规范》非工作风压的计算公式是过于保守的。尤其是对大型港口机械来说，随着高度的增加，相对放大了非工作风载荷，相比之下FEM1.004比《起重机设计规范》更合理，是首选的设计标准。

表1 风载荷及参数对比

5 FEM与GB3811标准的应用

5.1 交通部55 m/s风速规定的影响

基本风速作为气象统计参数将取自当地的相关标准或气象资料。中国《建筑结构载荷规范》中表E5中，湛江市百年一遇的基本风压为950 Pa，按伯努利方程换算成V(10 min)=39 m/s，乘以1.4得到V(3 s)=54.6 m/s。我们发现55 m/s几乎是湛江地区百年一遇的离地10 m高出的3 s时距风速。

5.2 主要城市数据对比分析

2 500 t/h级别的抓斗卸船机非工作整机高度约97 m；65 t级3E岸桥非工作臂架重心高度约90 m。讨论100 m高的风压可以预见风压计算对大型港机的影响。表2是根据中国沿海代表城市的基本风压还原的2种时距的风速和离地100 m高度的风压。风压的数据是根据表1计算得出的。最后一行是使用交通部55 m/s套用GB3811计算出来。最后1列的数据是按GB3811计算出风压等于1 891 Pa时的计算高度。

将表2第6列的风压除以第5列风压，得到一个相同的数据1.234，它说明在离地100 m高度按GB3811计算的风压是按FEM标准计算风压值的1.234倍。

如果将交通部的55 m/s风速按基本风速应用于GB3811，离地100 m高度的风压为3 772.3。它是同列的天津的2.41倍，海口的1.13倍；前列天津风压的2.98倍，海口的1.4倍。因此，将湛江百年一遇的基本风速应用于全国港口是极不合理的，其结果是导致把在一个相对保守的标准上过度放大。把起重机顶部计算风压当作起重机全高的风压是相对保守的、标准和规范接受的全高等压计算方法。落实交通部规定的合理方法是将55 m/s风速与起重机最高点风速相比较，当顶部风速按规范的计算值小于55 m/s，按55 m/s计算起重机全高的锚固风

表2 基于中国《建筑结构载荷规范》的基本数据及离地100 m高度非工作风压对比

压；否则，按规范计算。表2最后1列的前3项数据说明应用于渤海湾、目前最大规格的港口机械可以按55 m/s风速全高等压方法计算非工作风压。

4 结语

选择不同的标准实施起重机的风载荷计算时，设计风速必须采用当地的基本风速。如果招标时没有当地数据，投标方可以在应用的标准所在地区进行类比推荐。FEM1.004风载荷估算合理，是国内外项目的首选标准。对于国内港口机械来说，满足国内法规和标准的最合理的计算方法是根据《起重机设计规范》表18注释a，在中国《建筑结构载荷规范》中选择基本风压并换算为3 s时距风速，然后做为非工作基本风速应用《起重机设计规范》；仅当设备最高点风速不大于55 m/s时，55 m/s按全高等压原则计算风载荷。简单地将55 m/s风速做为基本风速套用《起重机设计规范》，将造成设备过重、非工作载荷过度放大和投资的巨大浪费。

[1] 起重机设计规范 释义与应用GB/T3811-2008[S].

[2] 建筑结构载荷规范GB50009-2012[S].

[3] FEM1.004-2000.07.03[S].

[4] 起重机设计规范GB/T3811-2008[S].

韩振生： 116000，大连市西岗区付家庄17号

The Application of Wind Load Calculation Rules in Port Machinery

Han Zhensheng

Dalian Huarui Heavy Industry Co.,Ltd.

This paper introduces the calculation method of storm-wind pressure at the standard，FEM1.004∶2000，section 1 (hereinafter referred to as FEM1.004) and the difference of calculation method between GB standard and FEM, giving the reasonable calculation method which meets the GB standards and administrative regulation. With the method, over-heavy equipment over-amplified non-working load and investment wasting can be avolded.

reference wind speed; average wind; fluctuating wind; turbulence intensity; equivalent static wind pressure

2016-07-07

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.017