基于顶升方式的岸边集装箱起重机落地型加高设备研究

苏红亚 姚 渊

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

随着科技水平的不断提高，全球最大超大型集装箱船不断刷新榜单。近期我国首艘最大2.4万TEU（标准箱）超大型集装箱船签字交付，该船最大堆箱层数为25层。

随着这些巨大运输船的投入使用，世界各大港口都面临的竞争越来越激烈。早期使用的大量旧岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）在起升高度或外伸距上已不能适应新形势的要求，若重新购置新岸桥势必会大大增加成本，同时也造成旧岸桥的利用率降低。因此，对岸桥加高、加长的要求日益骤增，尤其是大型港口的岸桥改造批量大，改造要求也更加迫切。

由于整机运输的费用昂贵，岸桥的加高会在用户码头进行操作。断开位置在联系横梁到下横梁这一段取，采用下部结构（下横梁及大车行走等）固定，上部结构（门框及前、后大梁组件等）整体提升到需要的高度，加入加高段的方式进行。加高有多种方式，本文介绍的这款特点是设备受力点落于码头面（见图1），故称为落地型加高装置。

图1 落地型加高设备施工现场

1 加高装置总体说明

如图2所示，加高装置即液压同步顶升岸桥加高装置，由抬升塔架组件、抬升梁系统、稳定系统、分载系统等组成。通过抬升梁系统托举整个岸桥上部结构，并由位于抬升塔架组件下部的动力系统将顶升块4点同步送入抬升塔架，从而逐步垫高抬升梁系统达到加高岸桥所需高度。稳定系统主要用于作业过程中抗侧向风载，分载系统主要考虑码头面集中承载能力差，扩大受力面积以达到分载效果。

图2 加高装置顶升作业总布置图

1.1 结构特点

1）运输成本降低 加高装置作业场地为集装箱码头，远洋运输是无法避免的环节，也是成本的重要组成部分。而集装箱运输不仅可以降低运输成本（裸件发运需要置于箱顶，额外固定，运输费用是集装箱运输的2～3倍），也不会因等待特定运输条件而影响发运时间。

2）组装灵活 这些模块运到作业现场后根据方案要求组装，可满足不同轨距、不同抬高高度的需求，不同的间距用活动段调节。

3）拆装方便 控制系统设置在下方，所有液压、电气控制系统连接均在下部动力系统内，上部为螺栓连接的纯钢结构组件，拆除时仅需拆开分段处的螺栓，不涉及电气、液压管线，拆装简单，无需反复调试。整体结构上也只需要拆除一侧的上部结构，即可实现岸桥的进出，达到一次安装多台使用的目的。模块设计的构件小，吊装难度大幅降低，现场辅助安装均可采用小型汽车起重机完成。

1.2 抬升塔架组件

如图3所示，抬升塔架是加高装置的核心组件，由动力系统、标准节、加强段、料筒、顶升梁等组成。其中，标准节及加强段的主要作用是在给顶升块提供顶升通道的同时给予结构强度支承；料筒用于储存顶升块；动力系统负责将料筒内的顶升块输送到顶升通道中；顶升梁用于将动力系统的这个顶升动作传递到抬升梁系统。

图3 抬升塔架示意图

1）动力系统

动力系统位于抬升塔架下端，整个加高过程可以连续动作。其动作过程为：通过送料液压缸及副插拔销系统配合将一件顶升块放置于水平进给系统；水平进给液压缸动作将此顶升块推送至主顶升液压缸正上方；主顶升液压缸动作及主插拔系统配合将顶升块顶升至要求位置，并将此顶升块固定到受力序列。如图4所示，动力系统由主顶升液压缸、送料液压缸、主插拔销系统、副插拔销系统、水平进给系统、顶升块等组成。

图4 动力系统示意图

2）控制系统

控制系统是动力系统的大脑，由硬件和软件2大系统组成，用于控制四节点的顶升液压缸同步伸缩、送料液压缸伸缩、顶升销、送料销的插拔及进给液压缸的进退共同完成同步顶升作业。各液压缸的伸缩、插拔、进退等动作均经传感器检测，由计算机网络进行控制。

顶升液压缸位移传感器检测4点的伸缩行程，上位机通过发送虚拟指令对各点位移进行控制调节，上位机显示超差，并由此计算各主泵转速，以此控制各点位移的同步。

当顶升液压缸、送料液压缸伸或缩至标定位置时，插销才能插入或拔出，即仅当插拔销状态传感器接收到全插或全拔信号后，销子插拔动作才被确认。同时，系统还具备故障检测、报警、模块调试、实时监控等功能。

2 受力分析及计算

2.1 主要技术要求及参数

除个别大轨距或双起升项目外，岸桥的上部结构质量一般为900～1 400 t。考虑到偏载及风载，在单点载荷设置时需考虑最不利情况，这里考虑的风载主要是突发阵风，台风一般提前有预报得以规避。最大抬升高度设置为3个标准箱，受起升卷筒容绳量及结构强度的限制，加高高度受到限制，抬升同步精度的控制主要是保证各点受力的均衡性。其中，抬升额定载荷（抬升质量）为1 500 t；抬升设计载荷（竖向载荷）单点按600 t考虑；最大允许风速＜35 m/s；模型计算水平风力载荷为130 t，单点按35 t考虑；最大抬升高度为10 m；岸桥重心高度为50 m；抬升同步精度＜10 mm。由于设备可能用于国外，需复核适用的环境温度范围，如钢板的最低使用温度、液压系统和控制系统最低温度、液压系统需节流加载预热等；其他抬升装置的安全性、协调性、稳定性要求。

2.2 岸桥抬升作业状态设置

1）整体抬升前应调整岸桥上部结构重心位置至接近门框中心，使得海陆侧理论均载；

2）岸桥在锚定位置锚定，大车夹轮器夹紧，防风拉索拉紧；

3）岸桥下部固定在行走轨道上，防止抬升过程中滑动。

2.3 抬升作业抗倾覆计算

岸桥由于重心高、迎风面积大，故首先需要考虑上部结构在抬升状态下是否有倾覆风险。经过简化，其受力模型如图5所示，其中支座1～支座4为抬升梁系统与岸桥的受力位置，为面接触，抗剪块约束，故此设定为球铰支座。图中所示参数G为岸桥自重；F风为风载荷（简称F），可分解为Fy=cos(θ)、Fx=sin(θ)、θ∈ [0°，90°]；N1、N2、N3、N4分别为各支座Z向反力；L1为海-陆侧间距；L2为左-右侧间距；L3为分载荷合力作用高度；ΔY、ΔX分别为岸桥重心沿Y轴、X轴的偏移量。

图5 岸桥抗倾覆计算力学模型

抗倾覆的计算目标是求各支座Z向反力，根据反力数值判断岸桥的稳定性及装置的承载能力。其求解思路为线弹性模型分别考虑Y、X分量风引起的反力增量，最后进行线性叠加。其空间平衡理论计算如下：

1）不考虑风载荷F时的支座反力Ni(o)为

2）仅考虑Y方向风载荷分量时的支座反力Ni(y)为

3）求Y方向风载荷分量时，支座反力增量ΔNi(y)为

4）仅考虑X方向风载荷分量时的支座反力Ni(x)为

5）求X方向风载荷分量时，支座反力增量ΔNi(x)为

6）实际风载荷作用下（X、Y分量联合）的支座反力Ni为

以上计算方法的具体项目可根据实际情况调整设定

（如实际岸桥质量、各力作用位置、突发阵风风力、岸桥迎风面积等），并将这些设定作为已知条件输入计算，

输入的支反力如果均在0～6 000 kN，则认为在加高装置受力范围内，且不会发生倾覆的可能。

2.4 加高装置承载能力计算

1）工况简图

如图6所示，以Y向风为例，竖直载荷及水平载荷取值为前述技术参数，受力位置为塔架顶部，此时风载荷作用力矩最大。

图6 Y向风工况力学模型

2）结构变形

如图7所示，通过建模计算，结构最大变形为11.8 mm，发生在塔架顶部，方向为Y+向。

图7 Y向风工况 变形图

根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》附录A.2规定，框架柱顶水平位移容许值为：多层框架柱顶位移不宜超过H/500，其中H为基础到柱顶的总高度。本次设计的塔架高度H＝19.8 m＝19 800 mm，故柱顶位移容许值为19 800/500＝40 mm。Y向风工况变形在位移容许范围之内，满足要求。

3）结构整体应力

同样，通过模型可以得出结构构件应力分布情况（见图8），框架柱柱脚部位为最大应力区域，在5倍设计荷载时应力值为235 MPa，小于本装置结构材料许用应力355 MPa，故满足要求。

图8 结构应力图

4）辅助系统撑管承载能力验算

根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》规定，轴压构件的强度和稳定性的验算公式分别为

式中：N为轴心压力；An为构件净截面面积；A为构件毛截面面积；φ为轴压构件稳定系数，与构件长细比有关；fd为钢材设计强度。

根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》规定，受弯构件的强度和稳定性的验算公式分别为

式中：Mx、My为同一截面处对强轴和弱轴的弯矩，Wnx、Wny为对强轴和弱轴的净截面模量，γx、γy为截面塑性发展系数，φb为梁的整体稳定性系数，fd为钢材设计强度。

通过对辅助系统的各撑管的截面尺寸、杆件长度、受力分解结果等代入进行计算，在最不利情况下所有辅助撑管构件的承载力均能满足要求。

5）加高装置承载能力计算（部件强度）

除了对塔基组件及辅助系统组成的结构整体进行受力分析计算外，还需对所有部件的各节点进行计算，包括各连接处法兰强度、螺栓验算、顶升块在插销上的受力情况、在塔架导管中运行时对导管壁的挤压、抬升梁系统的受力计算等。

3 加高装置运用

3.1 加高改造施工前准备

1）加高段准备

在加高改造前，现场应根据图纸或相关技术文件整理各材料；确认立柱加高段的编号、外形尺寸、中心线位置等；按图纸要求检查立柱加高段上需安装的斜梯、直梯、电梯支架、电缆支架等已尽可能安装完整，注意区分海陆侧、左右侧的区别；在加高段上口相应位置焊接定位卡玛，为安装加高段做准备。

2）岸桥准备

在加高改造前，每台岸桥必须进行检查、测量并做好记录；将岸桥停放到指定的改造位置，移位中心须与事先设定的中心重合并固定；小车停到停机位置，把吊具升到最高位置，前大梁扳起指定角度；绑扎固定小车、维修行车等活动部件，电梯停到第1层；岸桥断开高压，确认有无安全隐患；在与顶升点对应的位置焊接联系梁内的加强筋板；将立柱内电缆、电缆托架断开，电缆做好记号和保护；拆除电梯电缆以及电梯相关部位的轨道标准节、齿条，做好必要的保护措施，拆开加高法兰处斜梯及陆侧立柱内直梯。

3）岸桥加高设备安装

在指定改造位置安装抬高装置；加高装置安装时需整体划线，注意抬升装置与岸桥顶升位置的控制，保证中心重合；标准节与标准节加强段对接时需注意保证导向管的直线度及接口处的顺滑，以保证顶升块在料筒里的顺滑过度；加高装置安装水平度及垂直度控制在要求范围内；标准节合格后安装海陆侧及左右侧撑杆系统。

4）岸桥移位到加高装置上方并固定

当加高装置第一层安装完毕后，将岸桥移位到加高装置上方，注意岸桥中心与加高装置中心重合；岸桥大车处于锚定状态，固定大车行走等岸桥下部结构；用撑管将岸桥下部结构固定到分载梁上；完成第2层岸桥加高装置的搭建。

5）加高设备顶升系统调试

连接提升系统的机电液控制系统，在通电前检查线路、零部件是否安装到位，避免造成元器件的损坏，检查限位等是否处于正常工作状态；分别测试4个角液压系统是否正常工作；分别对顶升小梁进行微调，记录数据；测试联动时4个分支机构的同步性，记录各位置相对高低差，全范围进行模拟提升测试，确认试验的平稳性、连续性，如有间断应查找间断的故障及解决办法；将系统调试到待加高位置；记录相关数据，做好提升准备。

3.2 加高改造施工

1）预顶升

抬起抬升梁达到门框横梁处；抬起抬升梁使其承受起重机75%的载荷，确认无异常后将岸桥与抬升梁固定。

2）抬高岸桥并安装加高段

断开立柱门框联系横梁处结构；再次检查确定所有关联件已全部分开，准备抬高；抬升梁受力，抬升岸桥使联系梁处法兰面分开约50 mm，并调整水平后锁定；检查无异样后继续抬升岸桥到要求高度（要加上操作空间），调整水平并锁定状态；吊起加高段到要求位置，并利用手拉葫芦等将加高段安装到位；抬升装置下降，并逐步释放岸桥质量使加高段法兰与原立柱各法兰板更好的接触；在抬升系统保障下完成4个加高段的连接。

3.3 完成后续的安装工作

完成以上操作后，复测轨距，合格后先安装水平杆，然后安装斜撑管等；安装加高段梯子和平台，与原梯子平台连接；完成起升钢丝绳，起升卷筒及电梯等部件相应改造；去除临时搭焊，对油漆破坏的部位进行修补；连接接线箱电缆，检查线路，确保线路正确；恢复高压供电，调试岸桥各项功能。

4 结论

经过研究,顶升方式的落地型加高装置满足使用要求。目前，该形式的加高装置已经在美国、韩国等多个码头的项目上成功运用。

1）起重机质量由联系梁顶升点传于加高装置顶升块，通过分载系统传递到地面，力流清晰。应力模型计算各环节受力均在许用范围内，满足使用要求。

2）抬高装置设计为组装模块，可组装为不同抬高高度，主要控制系统在下方，关键部件采用可调设计，安装工艺性强。

3）全自动、连续顶升系统可靠、高效。