岸边集装箱起重机风振动探讨

2020-06-16史文琼奚小欧

设备管理与维修 2020年10期

史文琼，奚小欧

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

当前岸桥具有结构高、体型大的特点，正朝着大型化、高速化的方向发展，其高耸的结构在装卸集装箱的过程中发挥了重要作用，但是也增大了风振动的风险。加之港口码头岸边风力较大，导致风振情况愈发严重，风毁事故也时有发生。因此，分析岸桥风振动原因并寻求有效的防范对策非常必要。

1 岸桥风振动的危害

受经济全球化发展的影响，港口贸易呈现出良好的态势，其中岸桥作为必备的运输设备，只有保证性能可靠、安全稳定方可更好地完成作业任务。但在实际应用过程中，岸桥重心高的特点在很大程度上决定了其对风荷载的敏感性，同时多数情况下岸边不仅风力作用集中，而且大风暴风等恶劣天气的发生概率远高于内陆，使得岸桥结构所受迎风面积大大增加，极其容易引发共振，轻则干扰岸桥性能的正常发挥，重则破坏其构件、结构甚至倾倒。如2018 年6 月，某港区突发大风，风速由最初的16.0 m/s 迅速增至57.4 m/s，致使其中一码头的5 台岸桥瞬间被风吹倒，可见风荷载是岸桥安全作业的一大威胁。虽然当下岸桥的防风设计水平有所提高，但很难以有效控制风振，这就需要人们重视岸桥风振动这一问题，并基于对其风振机理的分析寻求对策，以期促进岸桥健康发展。

2 岸桥风振动的机理

一般情况下，基于经验所采取的岸桥风振预防措施较为简单，不可否认，其在一定程度上缓解了风振问题，但效果并不是十分理想，尤其是细长的金属类构件，易在长期振动下出现疲劳开裂。经研究岸桥结构自振、风振以及风荷载与结构的相互作用等一系列因素后发现，岸桥结构件风振有着重要的分析价值，下面围绕岸桥结构件风振机理加以探讨。

2.1 合理建模是基础

岸桥风振动机理的分析离不开模型的构建，而有限元法作为科学计算领域常用的一种计算方法，可以离散微分方程用于程序的编制，进而在计算机的辅助处理下完成求解的目的。因此为了更为直观、高效地了解岸桥风振动的过程、特点和原因，建模是非常必要的，应用有限元法也是必不可少的。具体而言，可将岸桥总重、起重额定值、前后伸距最大值、起升轨上轨下高度、机距、大车轨距、空载起升速度、双箱吊具起升速度、吊钩梁下起升速度以及工作状态和非工作状态下的风速等主要参数作为建模基础数据；然后便是设置坐标系，即X 轴表示小车运行方向，Y 轴表示大车运行方向，Z 轴表示垂直向上，形成主体为箱型梁结构的岸桥模型，配以LS-DYNA 程序分析仿真结构件动力屈曲过程，最终得到的岸桥门腿模型，便于后续岸桥结构动态稳定性的计算和分析。不过需要注意的是，岸桥结构有限元模型的精准度直接关系计算结果的偏差，所以在保证材料参数不变且精确的条件下需要对其进行适当简化，如分布质量可主要考虑大梁、后腿以及主梁楼梯、内部筋板，再如以附近节点代替附件质量或用虚单元代替一些梁单元等，以此顺利实现建模[1]。

2.2 分析风荷载下的门腿失效

之所以会发生风灾，在很大程度上与门腿失效有关。如用于本文建模的岸桥原型中的薄壁箱型结构，采用的材料强度较大且为焊接而成，面对巨大的冲击其非常容易屈曲失效，进而出现整机坍塌的后果。这就需要基于研究对象的特点确定最佳控制方程，常见的有虚应力、虚位移、虚功率等多种选择，结合使用材料模型、有限元法、分类搜索等对其接触力值进行合理的计算，此时不可避免的会涉及到积分法。如在仿真岸桥门腿受冲屈曲过程时，需要先将材料性质输入其中经LS-DYNA 处理后得到有效应力应变数据，如材料弹性模量、泊松比、密度等的变化曲线，考虑到计算的便捷性，在此只以风荷载下门腿部位为对象构建受力模型，并设置一定的约束条件保证边界合理，然后在ANSYS 分析和转换得到门腿端部位置的集中质量，在此基础上仿真其跌落过程，以期进一步了解风荷载与岸桥门腿失效之间的关系。当然，上述算法也可用于分析岸桥由已倾斜但后又复原的冲击情况。

2.3 分析风作用下的结构件振动

统计发现，岸桥最易发生风振动的是水平撑件、斜撑杆、梯形架后拉杆等构件，关键在于上述构件基本为圆形截面，大大增加了依次计算各种圆管构件参数的难度。下面将以常见的圆管风振动为例进行分析。

（1）为了进一步接近岸桥的实际结构，在ANSYS 的作用下进行了仿真，即除了RY为自由条件下，模型的其他两端均为约束条件，然后结合有限元软件分析不同规格圆管确定其动态特性。结果发现，基于空间迭代法的圆管固有频率（前四阶）会随着圆管外径的增大而增大，随着长度的增加而增加，但随着壁厚的加厚而减小，所以管径和长度是影响较为明显的两个因素。

（2）在分析岸桥结构件风振动机理时，需要从顺风向和横风向两方面加以考虑，根据实测资料可知，顺风向有长周期和短周期两种时程成分，具体表现为平均风与脉动风，其中脉动风变化不规则，强度会跟随时间变化，所以对岸桥结构件的影响最大。经深入计算得知，由脉动风引起的构件振动对岸桥的威胁并不大；而横向风需要视涡激振动情况而定，如果岸桥某阶固有频率接近其跨临界，则可能因剧烈振动损坏结构件。通常10.0～12.5 m/s的风速下，岸桥结构风振明显，此时涡旋脱落频率与第一阶构件固有频率较为接近，使得横向共振现象发生。

2.4 分析岸桥静风响应结果

在多数情况下，临时停车的岸桥或处于工作状态的岸桥更容易在突然的强阵风作用下出现风灾事故，所以在分析岸桥风振动机理时也应对静风响应有所了解。如当风向与大车运行方向一致时，设计风速分别为20 m/s、30 m/s、40 m/s、50 m/s 和60 m/s。选取其中几个重要节点分析位移应力响应，结果发现，风速为20 m/s 时大梁以竖向位移为主，主要与正常载荷有关，结合大梁纵向位置小于400 mm 的要求，只要在工作状态下风速在允许范围内是不会有问题的；当风速持续增大至60 m/s，大梁纵向位置增大明显，此时竖向位移几乎不变，只是内门框这一次要构件与横梁的位置缩小了一倍左右，所以纵向风速较大时，岸桥升力微小。总体上说，随着风速的增加，无论是前大梁前端还是后大梁末端，以及联系横梁的内门框，都会呈现出位移增大的趋势，且当风速达到60 m/s 时构件位移超出了设计要求（图1），所以需要采取必要的防风措施，否则会威胁岸桥的安全，严重时会导致整机倾覆[2]。

图1 岸桥构件随风速变化的位移响应结果

3 岸桥风振动的防范

由上可知，岸桥风振动情况有轻有重，引发安全事故的概率也不尽相同，但当务之急是采取措施增强岸桥防风能力，使其更好的适应特殊环境，保证安全可靠的作业。

3.1 强化风荷载的计算

既然风力不受人为影响和控制，那就借助科学技术加以分析和计算，特别是在岸桥自动化、智能化的建设过程中，必须将风荷载这一因素考虑在内，以期基于合理有效的模型、仿真和自动化处理获得真实、精准的数据，如风力等级、风向性质、作用过程、对岸桥构件的影响、对岸桥结构的影响程度以及因风力作用而发生碰撞和倾覆的风险高低等，以为工作人员采取下一步措施提供可靠的参考，进而最大限度地减小风振动的不良影响。不过这些需要相关人员不断加大研究和创新力度，早日将其变为现实。

3.2 优化岸桥防风设计

切实优化岸桥防风设计也是非常必要的，如防风拉锁作为岸桥抵抗暴风的关键构件，需要重视上拔力的计算和结构形式的改进，目前相对合理的方法是根据实际的风险级别确定并计算最大风速下的结构、轮压和防风拉锁，其中对岸桥结构稳定性计算时建议采用LRFD（Load and Resistance Factor Design，荷载和抗力系数设计）法。同时融合柔性拉板概念，转化原有的刚性防风拉锁为延展性的防风拉锁，用于在一定程度上抵消左右两侧的不对称受力，最好采用圆弧面的码头连接销孔，以期改善防风拉锁的受力情况。再如锚定装置的优化，即增设固定螺钉和垫片于锚定板之上，并缩小坑位与锚定板的预留间隙，以期通过适当地弥补海陆两侧的不对称误差，控制大车位移、保证拉锁位置准确提高岸桥防风能力。制动装置——防爬铁鞋也可用于岸桥防风，但适用于岸桥自身轮压较大的情况下，并要求设置6 s的延时功能，保证起重机停止、夹轮器闭合完全后铁鞋才能工作，以免埋下安全隐患。