重件碼頭懸臂式吊車梁數值分析

黃亞棟，胡友安，羅家安，張鵬飛

（1.湖北省交通規劃設計院，湖北　武漢　430051；2.河海大學，江蘇　常州　213022）

重件碼頭懸臂式吊車梁數值分析

黃亞棟1，胡友安2，羅家安1，張鵬飛1

（1.湖北省交通規劃設計院，湖北武漢430051；2.河海大學，江蘇常州213022）

吊車梁結構是橋機墩式碼頭的重要組成部分，其設計是否合理，直接影響到橋式起重機的整體工作性能。與簡支式吊車梁結構相比，設計規范對于懸臂式吊車梁的要求更加嚴格。文章以湖北某重件碼頭的懸臂式吊車梁結構為研究對象，進行截面形式的選擇和強度、剛度、震動特性的分析，研究成果可為該類型碼頭的設計提供參考。

重件碼頭；橋機墩式碼頭；吊車梁；模態分析

橋機墩式碼頭由于其能夠滿足我國內河水位差較大的特點，在我國長江、瀾滄江等南方流域得到了廣泛的應用。

橋機墩式碼頭使用橋式起重機完成貨物在船舶與港口之間的裝卸，具有結構簡單、通用性強和安全性高等特點。

根據資料統計，現有的橋機墩式碼頭大多采用簡支式結構，船舶采用穿襠式靠離泊作業，采用該種方式吊車梁結構設計簡單，但需要在水中設置支承墩，因此可能會占用主航道。

湖北擬建設1座重件碼頭，最大額定起重量為500 t，為了盡可能少占用長江主航道，橋式起重機采用懸臂式吊車梁結構，懸臂長度為28 m，該碼頭建好后，將成為長江上懸臂長度最大的橋機墩式碼頭。

本文結合該項目，并參考現有的橋機墩式碼頭吊車梁結構形式，對懸臂式吊車梁結構進行設計研究。

1　設計方案

吊車梁由1榀連續梁、1榀簡支梁和1榀帶懸臂的簡支梁組成，如圖1所示。其中連續梁布置在靠江側，采用桁架結構，由28 m長的懸臂段、43 m長的簡支跨和40 m長的簡支跨組成。吊車梁（以下亦稱主梁）、立柱通過4根斜拉桿和1根上弦桿連接，可有效減小主梁懸臂端的豎直撓度。兩側主梁、立柱通過平聯桁架連接，使兩側主梁結構變形盡量保持一致，有效減小了左右主梁由于豎直方向變形不一致而引起的高度差。本文以江側的連續梁結構為研究對象。

圖1　懸臂式吊車梁重件碼頭結構示意圖Fig.1　Structure of heavy cargo wharf with cantilever crane beam

2　主梁截面形式的選擇

針對采用的橋機墩式碼頭吊車梁結構，計算了2種主梁截面形式結構:方案一，軌道放置在主梁正中間，立柱、斜拉桿和上弦桿布置在主梁的側面，主梁截面見圖2；方案二，軌道采取偏心布置，立柱、斜拉桿和上弦桿布置在主梁的正上方，主梁截面見圖3。

圖3　方案二主梁截面圖Fig.3　The main girder section of scheme 2

根據JTS 167-1—2010《高樁碼頭設計與施工規范》[1]，簡支跨跨中最大撓度不應超過跨度的1/750，伸臂端部最大撓度不應超過伸臂長度的1/375，同時在偏載情況下，兩側主梁撓度差應滿足小于10 mm的要求。此外《高樁碼頭設計與施工規范》中還規定當橋式起重機在伸臂端部極限位置時，梁的另一端支座不產生拉力[1-2]。兩方案吊車梁計算結果如表1所示。

表1　兩種主梁截面結構計算結果Table 1　Calculation results of two main girder section structures

方案二是參考國內現有的懸臂式吊車梁結構，采用了立柱、斜拉桿、上弦桿組合而成的桁架結構形式，是在現有工程的懸臂式吊車梁結構基礎上進行改進和創新后得到的設計結果，采用該種結構可以大大減小懸臂端的撓度值和兩側主梁的撓度差值，雖然支座產生了少量的拉力，但是可以通過配重來解決。

3　吊車梁結構的數值計算

3.1有限元計算模型

采用有限元軟件ANSYS，建立吊車梁結構的有限元模型如圖4所示，整個吊車梁結構通過支座固定在橋墩3、橋墩4和橋墩5共6個橋墩上，其中，在橋墩3和橋墩5位置的主梁底板上各設計2個盆式橡膠支座，在橋墩4位置的主梁底部設計2個鉸支座，防止主梁發生X方向（沿著軌道方向）的移動。同時為了防止主梁發生Z方向（吊車梁結構橫向方向）的側向移動和側向扭轉，在3個橋墩位置的主梁外側腹板上各設計上下2個側向鉸支座。

圖4　吊車梁結構有限元模型Fig.4　The finite element model of crane beam structure

3.2計算荷載

500 t橋式起重機軌距52.0 m，輪數32個，其單側輪壓布置如圖5所示，考慮到橋式起重機上2小車的偏心起吊，在允許作業工況下，兩榀吊車梁分別承受大車運行機構最大動輪壓為Pmax= 376.5 kN，最小輪壓為Pmin=259.7 kN。

圖5　橋式起重機單側輪壓布置圖Fig.5　Layout of unilateral wheel-pressure of bridge crane

3.3撓度計算結果

吊車梁結構的整體撓度計算結果見表1中方案二。起重機軌道采取偏心布置，軌道布置在主梁內側的支撐板上（見圖3），大車運行時，主梁會受到輪壓產生的扭矩而發生扭轉變形，因此需要分析主梁扭轉的情況。大車運行到懸臂端部和43 m跨中位置時主梁Z方向位移情況如圖6和圖7所示。

圖6　大輪壓側主梁截面Z方向位移云圖Fig.6　Displacement nephogram of main girder section of bull wheel-pressure at Z-direction

主梁截面的扭轉情況可以主梁截面Z方向最大位移和最小位移之差來比較，通過計算，在大車運行到主梁端部時，其Z方向位移差為11.332 mm，在大車運行到43 m跨中位置時，其Z方向位移差為5.259 mm，主梁截面的扭轉在運行范圍內，可以滿足運行要求。

圖7　小輪壓側主梁截面Z方向位移云圖Fig.7　Displacement nephogram of main girder section of small wheel-pressure at Z-direction

3.4強度計算結果

吊車梁結構材料為Q345，要求大車運行到各位置時，吊車梁結構的最大等效應力小于容許應力[σ]=310 MPa。計算得到大車運行機構運行到各位置時，吊車梁結構應力分布見圖8，最大等效應力如表2所示。

圖8　吊車梁整體結構應力云圖Fig.8　Stress nephogram of integral crane beam structure

表2　吊車梁應力計算結果Table 2　Stress calculation results of crane beam MPa

由計算結果可知，當大車位于懸臂段極限位置時，吊車梁結構的應力最大，最大等效應力為238 MPa，小于容許應力值310 MPa，滿足強度設計要求。

3.5模態分析計算結果

對吊車梁結構進行模態分析，主要是為了得到吊車梁結構的固有振動頻率和振型，假設吊車梁結構在無阻尼自由振動狀態下進行計算。按照GB/T 3811—2008《起重機設計規范》和GB/T 14405—2011《通用橋式起重機》中對橋式起重機動態剛度的要求，當滿載小車位于主梁跨中位置時結構的垂直振動頻率不低于2 Hz[3-4]。

當大車運行機構位于懸臂段位置時，計算得到吊車梁結構的自振特性如表3所示，在第二階和第三階振型中均有懸臂段垂直方向的振動，第二階自振頻率為2.37 Hz，第三階自振頻率為2.62 Hz，均大于2 Hz，滿足規范要求。

表3　大車位于懸臂段時結構自振特性Table 3　The structure natural vibration characteristics when the cargo in the cantilever section

當大車運行機構位于43 m跨中位置時，計算得到吊車梁結構的自振特性如表4所示，在第二階振型中有懸臂段垂直方向的振動，第六階振型中有43 m跨中位置垂直方向的振動，第六階自振頻率為3.73 Hz，大于2 Hz，滿足規范要求。

表4　大車位于43 m跨中位置時結構自振特性Table 4　The structure natural vibration characteristicswhen the cargo in the 43 m midspan

4　結語

使用有限元軟件ANSYS對重件碼頭懸臂式吊車梁結構進行有限元分析，研究結構的支座反力、強度、剛度以及設計細節，確保結構設計滿足規范要求；對吊車梁結構進行模態分析，得到結構的自振頻率和振型，確保主梁的動態剛度滿足橋式起重機的設計規范要求。本文的研究成果可為吊車梁結構的設計提供參考。

[1]JTS 167-1—2010，高樁碼頭設計與施工規范[S]. JTS 167-1—2010,Design and construction code for open type wharf on piles[S].

[2]張質文，王金諾，程文明，等.起重機設計手冊[M].北京:中國鐵道出版社，2013. ZHANG Zhi-wen,WANG Jin-nuo,CHENG Wen-ming,et al. Crane designmanual[M].Beijing:ChinaRailwayPublishing House,2013.

[3]GB/T 3811—2008，起重機設計規范[S]. GB/T 3811—2008,Design rules for cranes[S].

[4]GB/T 14405—2011，通用橋式起重機[S]. GB/T 14405—2011,Bridge crane for general purpose[S].

Numerical analysis of cantilever crane beam in a heavy cargo wharf

HUANG Ya-dong1,HU You-an2,LUO Jia-an1,ZHANG Peng-fei1
（1.Communications Planning&Design Institute of Hubei Province,Wuhan,Hubei 430051,China; 2.Hohai University,Changzhou,Jiangsu 213022,China）

The crane beam structure is an important part of bridge crane dolphin wharf.The rationality of its structure will directly affect the whole work performance of bridge crane.Compared with the simply supported crane beam structure,the design specification for the structures of cantilever crane beam has more stringent requirements.With the background of the cantilever crane beam structure used in a heavy cargo wharf in Hubei,we analyzed the selection of section type and the characteristics of strength,stiffness,and vibration.The results can provide references for the design of the heavy cargo wharf.

heavy cargo wharf;bridge crane dolphin wharf;crane beam;modal analysis

U656.1

A

2095-7874（2016）02-0038-04

10.7640/zggwjs201602009

2015-11-21

黃亞棟（1984— ），男，湖北武漢市人，碩士，工程師，港口與航道工程勘察設計專業。E-mail:283683453@qq.com