戴煉

（江蘇潤(rùn)邦工業(yè)裝備有限公司，江蘇蘇州215000）

0 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)（簡(jiǎn)稱岸橋）是用于船到岸、岸到船的集裝箱裝卸作業(yè)的主要起重設(shè)備之一。隨著海洋船舶物流運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，岸橋作為主要的集裝箱裝卸設(shè)備也正朝向大型化和智能化的方向發(fā)展，而岸橋的作業(yè)地點(diǎn)和安裝過(guò)程中的總裝作業(yè)地點(diǎn)主要位于碼頭岸邊，因此也帶來(lái)了各種作業(yè)和安裝過(guò)程中的防風(fēng)問(wèn)題。受臺(tái)風(fēng)熱帶氣流和突發(fā)性陣風(fēng)的影響，因防風(fēng)措施不到位而導(dǎo)致岸橋發(fā)生傾覆損壞的情況頻頻發(fā)生[1]。而在岸橋總裝作業(yè)的過(guò)程中，受制于作業(yè)環(huán)境的局限性，無(wú)法嚴(yán)格按照岸橋在交付使用時(shí)的防風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，因此需要針對(duì)總裝作業(yè)碼頭的實(shí)際情況單獨(dú)進(jìn)行防風(fēng)方案的設(shè)計(jì)計(jì)算，以確保起重機(jī)在總裝作業(yè)的過(guò)程中處于一個(gè)安全可靠的環(huán)境。

1 碼頭作業(yè)環(huán)境和防風(fēng)要求

1.1 地理位置

所在碼頭位于太倉(cāng)港長(zhǎng)江岸線，長(zhǎng)江下游白茆沙南水道的右岸，與上海崇明島隔江相望，距離上游徐六涇節(jié)點(diǎn)約24 km，下游至瀏河口約23 km，距吳淞口約47 km。岸線基本順直且邊灘穩(wěn)定，水流平緩，深水區(qū)開(kāi)闊、穩(wěn)定，是長(zhǎng)江下游地區(qū)最佳港址之一，碼頭泊位長(zhǎng)度為361 m，寬為40 m，水深為12 m。

1.2 氣象風(fēng)況

太倉(cāng)市屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，雨水充沛，氣候溫和，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)。冬季受北方冷空氣控制，以寒冷少雨天氣為主；夏季受副熱帶高壓控制，天氣炎熱；春、秋季是季風(fēng)交替時(shí)期，天氣寒冷多變、干濕相間。本地區(qū)季風(fēng)特征明顯，夏季以SE～SSE向風(fēng)為主，冬季受冷空氣影響以N向風(fēng)為主。本地區(qū)多年平均風(fēng)速3.3 m/s，全年常風(fēng)向?yàn)镋向，統(tǒng)計(jì)頻率為12%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹W向，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速為22.0 m/s。本地區(qū)大風(fēng)主要由寒潮和臺(tái)風(fēng)影響引起，6級(jí)以上的大風(fēng)日數(shù)年均為26 d，最多年份為52 d。

1.3 碼頭防風(fēng)要求

根據(jù)國(guó)家交通部發(fā)文要求，對(duì)于大型港口機(jī)械設(shè)備的防風(fēng)裝置應(yīng)分為防止風(fēng)的水平力、上拔力的裝置和防滑制動(dòng)裝置，以及防風(fēng)預(yù)報(bào)裝置，并進(jìn)行技術(shù)測(cè)試，滿足風(fēng)速警示預(yù)報(bào)的要求。

在防風(fēng)方案的工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)配備防滑和制動(dòng)裝置，其中防滑裝置須保證設(shè)備在15～35 m/s的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力作用下不發(fā)生滑移；選擇配備防止風(fēng)的水平力和上拔力的裝置時(shí)，須保證設(shè)備在35～55 m/s的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力作用下不發(fā)生傾覆。使用單位所在地區(qū)50 a最大風(fēng)速歷史記錄超出上述范圍的，應(yīng)當(dāng)按照50 a最大風(fēng)速設(shè)防[2]。

防風(fēng)過(guò)程中需要考慮風(fēng)載帶來(lái)的水平力和上拔力，來(lái)防止機(jī)器的水平移動(dòng)及抬腿傾覆，正常工況下可以利用錨定、地錨、系攬樁等進(jìn)行生根。岸橋本身會(huì)配置大車(chē)制動(dòng)器，正常情況下制動(dòng)器為關(guān)閉狀態(tài)，可以滿足日常的防滑保護(hù)，另外考慮暴風(fēng)的情況會(huì)增加夾軌器、制動(dòng)塊等進(jìn)行保護(hù)，通常在行走的軌道端口會(huì)增加鋼板制成的擋塊，用于額外保護(hù)。

一般碼頭會(huì)配備風(fēng)速儀等實(shí)時(shí)監(jiān)控碼頭的風(fēng)速，港口委也會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)測(cè)未來(lái)天氣情況，及時(shí)告知惡劣天氣等情況。以便港口能夠提前預(yù)防、避免突發(fā)性事件的發(fā)生。

大型港口及作業(yè)碼頭應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐年囷L(fēng)及臺(tái)風(fēng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)防性的保護(hù)措施，并且能夠定期檢查，確保其具備完好的防風(fēng)防臺(tái)能力，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)性陣風(fēng)。對(duì)于完全不具備防風(fēng)防臺(tái)能力的碼頭或者設(shè)備，也應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際計(jì)算情況采取有效的改進(jìn)措施，確保其防風(fēng)防臺(tái)能力。在設(shè)備遇到突發(fā)性陣風(fēng)，無(wú)法立即到達(dá)防風(fēng)位置時(shí)，應(yīng)就地采取防風(fēng)措施，增加擋塊、制動(dòng)塊等塞入軌道等手段，防止滑移，確保設(shè)備安全。對(duì)于陣風(fēng)多發(fā)季節(jié)處在安裝過(guò)程中的設(shè)備，提前把防風(fēng)措施做好。在接收到預(yù)警后，停電、停機(jī)、停止作業(yè)，進(jìn)行檢查，再次確認(rèn)防風(fēng)方案的完整性，以確保滿足防風(fēng)防臺(tái)要求。

2 設(shè)備狀態(tài)和主要參數(shù)

兩臺(tái)集裝箱岸邊起重機(jī)位于總裝碼頭的前沿位置，主體鋼結(jié)構(gòu)已吊裝安裝完成且進(jìn)入總裝階段的機(jī)械和電氣安裝接線階段，后續(xù)將進(jìn)入調(diào)試階段，整個(gè)周期會(huì)持續(xù)4～5個(gè)月。為避免突發(fā)性陣風(fēng)及臺(tái)風(fēng)的來(lái)襲，在岸橋進(jìn)入總裝作業(yè)階段后，就需要設(shè)計(jì)制定防風(fēng)方案并嚴(yán)格按照方案的工藝要求進(jìn)行綁扎固定，做好預(yù)防臺(tái)風(fēng)的措施，確保設(shè)備在整個(gè)總裝作業(yè)過(guò)程中處于安全的狀態(tài)。同時(shí)需要時(shí)刻關(guān)注防風(fēng)預(yù)警信息，接收氣象局的警報(bào)信息，提前做好斷電、人員撤離的工作，并且檢查防風(fēng)措施。設(shè)備主要性能參數(shù)如表1所示。

3 整體方案設(shè)計(jì)

?參數(shù) 指標(biāo)數(shù)量 2 臺(tái)設(shè)計(jì)等級(jí) U7/Q2/A7額定載荷/t 65跨距/m 16整機(jī)質(zhì)量/t 1200起升高度/m S 側(cè)軌道上40;S 側(cè)軌道下19小車(chē)行程/m SD58.5;LD19起升速度/（m·min-1） 滿載75;空載150小車(chē)速度/（m·min-1） 200大車(chē)速度/（m·min-1） 45

在兩臺(tái)岸橋安裝所在碼頭前沿缺少固定錨定的情況下，防風(fēng)方案的設(shè)計(jì)需要單獨(dú)考慮機(jī)器沿著大車(chē)方向上的位移，以及在暴風(fēng)情況下機(jī)器會(huì)發(fā)生抬腿的惡劣情況。總體防風(fēng)工藝方案設(shè)計(jì)中，通過(guò)固定的弧形鍥板和配重塊的設(shè)計(jì)計(jì)算，來(lái)抵消預(yù)設(shè)風(fēng)速所帶來(lái)的水平和豎直方向上的受力，以達(dá)到防風(fēng)錨定的效果。其中需要保證水平方向車(chē)檔的強(qiáng)度能夠承受水平方向的分力，配重的自重及鋼絲繩的受力要能夠抵消風(fēng)速帶來(lái)的上拔力，以此來(lái)達(dá)到固定錨定防風(fēng)的效果。方案布置總圖如圖1所示。

圖1 方案布置總圖

3.1 計(jì)算模型

運(yùn)用Krasta軟件進(jìn)行有限元建模分析，在計(jì)算模型中給出風(fēng)速等外部條件，更能夠模擬出實(shí)際暴風(fēng)狀態(tài)下岸橋各個(gè)部件的受力情況。根據(jù)受力情況在各個(gè)連接點(diǎn)給出限制條件，即模擬防風(fēng)拉索的實(shí)際工況，得出各個(gè)拉索的受力情況，通過(guò)受力情況再去配置對(duì)應(yīng)的防風(fēng)鋼絲繩。得出實(shí)際需要的鋼絲繩及配重的數(shù)量、規(guī)格、角度等要求，以確保防風(fēng)鋼絲繩及機(jī)器都滿足暴風(fēng)狀態(tài)下的防風(fēng)要求，如圖2所示。

3.2 模型計(jì)算

如圖3所示，在計(jì)算模型中，給出風(fēng)速限制條件，從而計(jì)算得出大車(chē)方向的風(fēng)載受力情況，依據(jù)計(jì)算結(jié)果給出相應(yīng)的車(chē)檔方案。非工作狀態(tài)下風(fēng)載的計(jì)算利用公式ΣSCfQ進(jìn)行，S為迎風(fēng)面積；Cf為考慮屏蔽影響的形狀系數(shù)；Q為動(dòng)態(tài)風(fēng)壓力[3]。

大車(chē)方向風(fēng)速V=55 m/s。風(fēng)載計(jì)算公式：風(fēng)載=迎風(fēng)面積S×風(fēng)壓Q×風(fēng)力系數(shù)Cf；風(fēng)壓Q=0.625×V2，風(fēng)力系數(shù)Cf=1.27；迎風(fēng)面積為1074 m2，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算計(jì)算。結(jié)論：暴風(fēng)沿大車(chē)方向的風(fēng)載約為212 t。

圖3 岸橋角點(diǎn)位置示意圖

通過(guò)Krasta三維建模軟件計(jì)算可獲得岸橋大車(chē)離地的上拔力及總圖布置的防風(fēng)鋼絲繩所需的上拔力如表2所示。根據(jù)各個(gè)角的受力情況，選擇適合的鋼絲繩及配置符合要求的配重，以滿足抵消上拔力的要求，如表2所示（注：岸橋重心偏陸側(cè)，計(jì)算受力時(shí)需考慮極端情況，風(fēng)由海側(cè)往陸側(cè)吹，1/2 角離地抬腿為極端受力情況）。

3.3 防風(fēng)方案措施

3.3.1 大車(chē)方向

表2 各角位置及鋼絲繩上拔力數(shù)值表

1）岸橋在安裝及調(diào)試過(guò)程中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)固定錨定防風(fēng)的效果。根據(jù)暴風(fēng)工作狀態(tài)下，岸橋受力計(jì)算可以得出岸橋的受力情況，可以通過(guò)利用大車(chē)車(chē)檔（鋼板制成的擋塊）來(lái)實(shí)現(xiàn)水平方向上的制動(dòng)效果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果一臺(tái)岸橋任意大車(chē)方向由16個(gè)擋塊阻擋，不考慮摩擦阻力，假設(shè)水平風(fēng)載都由擋塊承受。只要車(chē)檔的作用力及強(qiáng)度能夠滿足風(fēng)載要求即可，如圖4所示。

圖4 車(chē)檔布置示意圖

2）車(chē)檔強(qiáng)度計(jì)算。許用接觸強(qiáng)度大于實(shí)際接觸強(qiáng)度。接觸強(qiáng)度σ=單個(gè)擋塊受載Fz/接觸面積S（單個(gè)擋塊受載Fz=大車(chē)方向風(fēng)載Ff/擋塊個(gè)數(shù)n）；設(shè)計(jì)時(shí)車(chē)檔材料選用Q235材質(zhì)，根據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)查詢其材料屈服強(qiáng)度σs=215 MPa, 許用接觸強(qiáng)度[σ]=195 MPa。（[σ]= σs/1.1，根據(jù)FEM標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴情況和材料屈服強(qiáng)度，確定安全系數(shù)為1.1）。結(jié)論：實(shí)際接觸強(qiáng)度<許用接觸強(qiáng)度，滿足要求，如表3所示。

3.3.2 鋼絲繩強(qiáng)度

1）在缺少固定錨定的情況下，需要額外增加配重塊，使得配重通過(guò)鋼絲繩與機(jī)器連接，從而實(shí)現(xiàn)增加垂直方向的力，克服抬腿情況。需要考慮配重自身的質(zhì)量及鋼絲繩的強(qiáng)度，能夠抵消上拔力即可，如圖5所示。

2）鋼絲繩計(jì)算。根據(jù)Krasta模型計(jì)算得出岸橋各個(gè)角抬腿所需要的豎直方向的上拔力，根據(jù)力的受力分解，作用在鋼絲繩上，可以計(jì)算得出各個(gè)鋼絲繩所受的力，在滿足安全系數(shù)下，確保不超過(guò)鋼絲繩破斷拉力即可。鋼絲繩作用的力，生根在配重上，配重本身的自重大于鋼絲繩受力即可。鋼絲繩破斷拉力Fp=鋼絲繩最小拉力破斷系數(shù)K×鋼絲繩直徑D2×鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度R/1000；許用鋼絲繩拉力Fa=鋼絲繩破斷拉力Fp/安全系數(shù)n；最大上拔力Fu由Karsta模型計(jì)算所得；鋼絲繩力Fs=最大上拔力Fu·cos θ。結(jié)論：鋼絲繩力Fs＜許用鋼絲繩拉力Fa，如表4、表5所示。

表3 計(jì)算數(shù)值表

圖5 下部鋼絲繩布置示意圖

表4 下部鋼絲繩強(qiáng)度計(jì)算表

表5 上部鋼絲繩強(qiáng)度計(jì)算表

4 結(jié)論

岸橋在設(shè)備提供商碼頭的總裝作業(yè)過(guò)程的防風(fēng)設(shè)計(jì)與其在終端集裝箱碼頭的防風(fēng)方案設(shè)計(jì)同樣重要，且其更是依附于總裝作業(yè)過(guò)程中的起重機(jī)狀態(tài)、碼頭環(huán)境和區(qū)域氣候情況，方案的實(shí)用性更為重要。通過(guò)此次防風(fēng)方案的設(shè)計(jì)研究，充分利用了自有碼頭的設(shè)備物資，確保了岸橋在總裝裝配作業(yè)過(guò)程中的安全性，使設(shè)備順利完成了總裝發(fā)運(yùn)工作。