2 000 t港口固定式桅杆起重机臂架结构研究

吴荣土 赵金鹏 李鹏举 梁 昊

山东丰汇设备技术有限公司

1 引言

随着港口设备业务的不断拓展，重件码头1 000 t以上的大件装卸作业持续增加，千吨级港口固定式桅杆起重机陆续出现。为满足超大、超重构件的吊装作业，桅杆起重机的工作幅度和起升高度都在50 m以上，因此桅杆起重机的臂架为超长结构，为提高其整体稳定性，一般采用A型双臂结构[1](见图1、图2)。

图1 桅杆起重机简图

图2 双主臂结构简图

2 臂架结构类型

桅杆起重机的臂架由主臂和副臂组成，主臂一般采用A型三角布置的双臂结构，根据构造类型不同分为格构式臂架和实腹式臂架(见图3、图4)。在臂架头部和根部分别设置横梁，同时在2个单臂之间设置1组或多组连梁，以提高单臂的侧向(以下称为回转平面)稳定性[2]。

1.根部横梁 2.单臂 3.连梁 4.头部横梁

图4 实腹式主臂简图

3 臂架计算工况

桅杆起重机设置有主钩和副钩，其中主钩又有最大额定起重量和第二额定起重量之分，需要对臂架各种工况进行计算和分析。以2 000 t桅杆起重机臂架为例，主钩工况最大工作幅度50 m，主臂长度70 m，臂架计算工况见表1。

表1 臂架计算工况

4 臂架受力分析

A型三角双臂臂架在变幅平面为两端简支结构，在回转平面为悬臂结构。单臂和弦杆在2个平面为两端简支结构。在变幅平面，相对整体双臂，其单臂的计算长度更长，轴压力更大，单臂先于整体双臂失稳，因此仅校核单臂的整体稳定性即可；在回转平面，双臂中2个单臂间距较大，双臂不会先于单臂失稳，因此仅校核单臂的整体稳定性即可[3-5]。

变幅平面臂架的受力图和内力图见图5，变幅平面的单臂计算中，根据规范将单臂自重分为两部分，一部分按线性载荷均布加载到单臂中，使单臂产生弯矩；另一部分以集中力的形式加载到单臂两端，使单臂产生轴力[6]。

图5 变幅平面臂架的受力图和内力图

桅杆起重机设置的副臂，使整体臂架形成折臂结构。计算中，应考虑副臂和副钩定滑轮组等附属结构对主臂的影响，将副臂的载荷转化到单臂上，变幅平面副臂对单臂产生的弯矩与单臂自重产生的弯矩方向相反，因此副臂对单臂起减载作用。

变幅平面内，由于吊物竖直力轴线与变幅拉板变幅力轴线的铰点可能不在主臂形心轴线上，会对主臂产生附加弯矩。该附加弯矩从主臂头部到主臂根部逐渐减小为零，并且随主臂仰角的变化而变化，这里不计此附加弯矩作用[7]。实际设计中，在最大额定重量对应的最大幅度工况(即最危险工况)，可将该铰点设置在主臂形心轴线上。当臂架处于最大仰角时(即最大额定起重量对应的最小幅度工况)，该铰点就位于主臂形心轴线的下方，与副臂产生的弯矩方向相同。该工况下臂架的危险截面在主臂的头部位置(见图6)。

1.变幅力轴线 2.主臂形心轴线 3.合力铰点到主臂根部铰点轴线 4.吊物竖直力轴线

臂架承受的风载荷一般加载在回转平面，这里忽略不计。回转平面内，在起升绳水平侧向偏摆力的作用下，连梁位置的单臂及其弦杆承受较大的端弯矩作用，弦杆并非两端简支受力结构[8]。如图7所示，在起升绳水平侧向偏摆力F的作用下，两侧单臂产生轴力，距离臂架根部越近轴力越大；同时在连梁位置，单臂和连梁的内部产生局部附加弯矩作用。

图7 回转平面臂架的受力图和内力图

变幅平面，在弯矩作用下，臂架危险截面在单臂头部或单臂中部附近[9]。回转平面，在侧向偏摆力和风载荷作用下，臂架危险截面在连梁位置或主臂底段附近。

5 臂架对比分析

5.1 臂架形式与参数

圆管格构式单臂和板梁实腹式单臂截面简图见图8，主起升定滑轮到主臂轴线距离和变幅拉板铰点到主臂轴线距离相等，取1.5 m。单臂截面尺寸见表2。

图8 单臂截面简图

表2 单臂截面尺寸

5.2 臂架弯矩计算

以实腹式主臂为例，最大额定起重量对应的最大幅度工况和最小幅度工况下，变幅平面主臂各危险截面的弯矩组成(见表3)。

表3 变幅平面主臂各危险截面弯矩的组成

由表3可知，变幅平面内，最小幅度工况下，偏心附加弯矩对主臂的弯矩影响较大，且最大弯矩发生在主臂头部。

5.3 臂架稳定性计算

选取臂架中部截面为危险截面，对其单臂的整体稳定性进行计算和分析(见表4)。根据计算，轴力产生的稳定应力最大，约占60%，变幅平面弯矩产生的稳定应力约占25%。由于圆管格构式单臂的自重较轻，变幅平面自重弯矩产生的稳定应力占比相对较小，轴力产生的稳定应力占比相对较大。

表4 内力产生的稳定应力占比情况

5.4 对比分析结果

格构式圆管结构臂架自重较小，圆管节点容易疲劳，但迎风面积小，抗风能力强；实腹式板梁结构臂架易于实现自动化焊接，抗疲劳性能相对较好，但臂架自重较大，两种臂架的异同见表5。

表5 臂架的异同

6 结语

介绍了2 000 t港口固定式桅杆起重机臂架的结构类型和构造特点，针对常用的俯仰式臂架，给出A型双臂臂架结构的受力特点；介绍了A型双臂臂架的设计计算方法和流程，阐述格构式圆管结构和实腹式板梁结构的设计差异，两者各有其特点，应根据实际情况选取臂架类型；变幅平面在弯矩作用下，臂架危险截面发生在单臂头部或中部附近；回转平面在侧向偏摆力和风载荷作用下，臂架危险截面发生在连梁位置和主臂底段附近，同时分析受压和受弯情况，给出各载荷对臂架整体稳定应力的影响。