港口機械風載荷計算標準的應(yīng)用

韓振生

大連華銳重工港機設(shè)計院

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港口機械風載荷計算標準的應(yīng)用

韓振生

大連華銳重工港機設(shè)計院

介紹了FEM1.004∶2000第一部分中關(guān)于錨固風壓計算方法和中歐標準關(guān)于風載荷的對比情況，給出了滿足國內(nèi)標準和法規(guī)的錨固風壓合理計算方法。運用該方法，可避免造成設(shè)備過重、非工作載荷過度放大和投資浪費。

基本風速； 平均風； 脈動風； 湍流強度； 等效靜態(tài)風壓

1 引言

20世紀90年代后期，交通部頒發(fā)文件，要求國內(nèi)港口設(shè)備非工作設(shè)計風速為55 m/s。我國南北海岸線長，氣候差異大，不同地區(qū)應(yīng)用相同的風載

荷，以及對如何將文件要求55 m/s的非工作風速應(yīng)用于設(shè)計并和相關(guān)標準融合，產(chǎn)生了一些問題，導致載荷過大并增加碼頭和設(shè)備成本。本文將FEM與國內(nèi)標準進行對比分析，給出港口機械非工作錨固風壓的合理計算方法。

2 風速與風壓

風速是指T時間距離內(nèi)的最大平均風速，其大小與陣風樣本的記錄時間T0有關(guān)，當T→0時，V即為瞬時風速。風速主要由長周期風和短周期風2部分組成。起重機的非工作錨固風壓主要考慮10 min時距的平均風和3 s時距的脈動風的影響。FEM和中國《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》GB50009-2012取10 min作為平均風速的時距，《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB3811-2008)取3 s作為平均風速的時距。在起重機非工作工況，10 min時距風速乘1.4可以得到3 s時距風速，換算系數(shù)1.4與歐洲標準EN 13001-2∶2004完全相同[1-2]。

3 風速剖面與脈動風

4 風載荷

采用FEM的風載荷表達式：F=A×q×Cf，Cf為風力系數(shù)；q為風壓N/m2;A為迎風面積m2。任何標準的風載荷都可以用上述公式表達，公式中只有風壓q是與環(huán)境條件有關(guān)的。各標準中風載荷函數(shù)表達式不同，說明對脈動風影響的風壓考量不同。對主要受力結(jié)構(gòu)，風壓的表達式有2種形式，一種是平均風壓與脈動風壓的疊加；另一種為平均風壓乘以風振系數(shù)。FEM1.004∶2000第一部分(以下簡稱FEM1.004)是前一種，《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》和美國ASEC屬于后一種。《起重機設(shè)計規(guī)范》則只采用脈動風壓[3-4]。

為了比較各標準的不同，先定義如下參數(shù)：基本風速Vref，在空曠平坦地區(qū)離地10 m高處50年一遇的10 min或3 s時距的年最大平均風速。應(yīng)用伯努利方程可獲得當?shù)氐幕撅L壓。基本風速或風壓是按實測樣本數(shù)據(jù)經(jīng)概率統(tǒng)計得出的，一般可在建筑載荷規(guī)范中查找。

4.1 FEM錨固風壓

FEM1.004 第3.2款，對非工作風載荷的計算提供2個依據(jù)，位于歐洲A、B、C區(qū)域的起重機可按FEM1.001 表T.2.2.4.1.2.2或FEM1.004的附錄2計算；D、E、F、G區(qū)域的起重機按FEM1.004的附錄2計算。從FEM1.004插圖F.A.2可以看出， A、B、C區(qū)域處于歐洲內(nèi)陸，因此，港口機械只能根據(jù)FEM1.004附錄2計算。這意味著FEM1.001表T.2.2.4.1.2.2不能應(yīng)用于沿海的港口機械，只能應(yīng)用于內(nèi)陸的一般起重機。FEM1.004的附錄2設(shè)計風速計算公式如下：

3 s時距風速(gust)與Vref的表達式，K=0.005 5。

Vref化簡后得到下式

對于25年一遇的風，該標準給出Fref=0.946 3；25年以上一遇的風，該標準未給出數(shù)據(jù)。因此，對25年以上一遇的風，取Fref=1，則：

FEM標準的風載荷高度系數(shù)為：

4.2 《起重機設(shè)計規(guī)范》非工作風載荷

我國《起重機設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的非工作計算風速為空曠地區(qū)離地10m高處3s時距的平均瞬時風速，相當于FEM中的基本風速采用3s時距的脈動風速，這意味著沒有考慮10min平均風速的影響。其公式為：

PWIII=Cj×Kh×PIII×A

4.3 中歐風載荷對比

各標準之間風載荷的區(qū)別特征是脈動風對風壓影響的比例和是否符合湍流強度規(guī)律。從表1中可以看出，雖然《起重機設(shè)計規(guī)范》與FEM1.004非工作風速時距不同，但非工作風壓的初始值(離地10m)的計算值是相同的，等于3s時距的基本風壓。FEM1.004的非工作風壓是在10min平均風速基礎(chǔ)上考慮脈動風的影響的。從本文4.1節(jié)中可知其高度系數(shù)Kh的前一項考慮10min時距平均風的影響，后一項考慮的是脈動風的動態(tài)影響。當z=10m時，風壓是10min時距風壓的1.96倍。從Kh的公式中看出，脈動風在風壓中的影響比例為0.96/1.96=49%，隨著高度的增加，脈動風的比例逐漸降低，說明FEM1.00風壓中關(guān)于脈動風的比例與湍流強度規(guī)律一致。

《起重機設(shè)計規(guī)范》的非工作基本風速是時距3s平均風速，它沒有考慮長周期(10min時距)平均風的影響，只考慮脈動風的影響。隨著高度的增加，與湍流強度規(guī)律不一致，且公式中也沒有任何修正系數(shù)來考慮與湍流規(guī)律保持一致。美國載荷規(guī)范ASCE7-10的基本風速也采用3s時距的平均風速，但在風載荷(ASCE26.9.1)中對剛性結(jié)構(gòu)有一個0.85的gust-effectfactor來考慮長周期風對風壓的影響。

因此，《起重機設(shè)計規(guī)范》非工作風壓的計算公式是過于保守的。尤其是對大型港口機械來說，隨著高度的增加，相對放大了非工作風載荷，相比之下FEM1.004比《起重機設(shè)計規(guī)范》更合理，是首選的設(shè)計標準。

表1 風載荷及參數(shù)對比

5 FEM與GB3811標準的應(yīng)用

5.1 交通部55 m/s風速規(guī)定的影響

基本風速作為氣象統(tǒng)計參數(shù)將取自當?shù)氐南嚓P(guān)標準或氣象資料。中國《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》中表E5中，湛江市百年一遇的基本風壓為950 Pa，按伯努利方程換算成V(10 min)=39 m/s，乘以1.4得到V(3 s)=54.6 m/s。我們發(fā)現(xiàn)55 m/s幾乎是湛江地區(qū)百年一遇的離地10 m高出的3 s時距風速。

5.2 主要城市數(shù)據(jù)對比分析

2 500 t/h級別的抓斗卸船機非工作整機高度約97 m；65 t級3E岸橋非工作臂架重心高度約90 m。討論100 m高的風壓可以預見風壓計算對大型港機的影響。表2是根據(jù)中國沿海代表城市的基本風壓還原的2種時距的風速和離地100 m高度的風壓。風壓的數(shù)據(jù)是根據(jù)表1計算得出的。最后一行是使用交通部55 m/s套用GB3811計算出來。最后1列的數(shù)據(jù)是按GB3811計算出風壓等于1 891 Pa時的計算高度。

將表2第6列的風壓除以第5列風壓，得到一個相同的數(shù)據(jù)1.234，它說明在離地100 m高度按GB3811計算的風壓是按FEM標準計算風壓值的1.234倍。

如果將交通部的55 m/s風速按基本風速應(yīng)用于GB3811，離地100 m高度的風壓為3 772.3。它是同列的天津的2.41倍，海口的1.13倍；前列天津風壓的2.98倍，海口的1.4倍。因此，將湛江百年一遇的基本風速應(yīng)用于全國港口是極不合理的，其結(jié)果是導致把在一個相對保守的標準上過度放大。把起重機頂部計算風壓當作起重機全高的風壓是相對保守的、標準和規(guī)范接受的全高等壓計算方法。落實交通部規(guī)定的合理方法是將55 m/s風速與起重機最高點風速相比較，當頂部風速按規(guī)范的計算值小于55 m/s，按55 m/s計算起重機全高的錨固風

表2 基于中國《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》的基本數(shù)據(jù)及離地100 m高度非工作風壓對比

壓；否則，按規(guī)范計算。表2最后1列的前3項數(shù)據(jù)說明應(yīng)用于渤海灣、目前最大規(guī)格的港口機械可以按55 m/s風速全高等壓方法計算非工作風壓。

4 結(jié)語

選擇不同的標準實施起重機的風載荷計算時，設(shè)計風速必須采用當?shù)氐幕撅L速。如果招標時沒有當?shù)財?shù)據(jù)，投標方可以在應(yīng)用的標準所在地區(qū)進行類比推薦。FEM1.004風載荷估算合理，是國內(nèi)外項目的首選標準。對于國內(nèi)港口機械來說，滿足國內(nèi)法規(guī)和標準的最合理的計算方法是根據(jù)《起重機設(shè)計規(guī)范》表18注釋a，在中國《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》中選擇基本風壓并換算為3 s時距風速，然后做為非工作基本風速應(yīng)用《起重機設(shè)計規(guī)范》；僅當設(shè)備最高點風速不大于55 m/s時，55 m/s按全高等壓原則計算風載荷。簡單地將55 m/s風速做為基本風速套用《起重機設(shè)計規(guī)范》，將造成設(shè)備過重、非工作載荷過度放大和投資的巨大浪費。

[1] 起重機設(shè)計規(guī)范 釋義與應(yīng)用GB/T3811-2008[S].

[2] 建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范GB50009-2012[S].

[3] FEM1.004-2000.07.03[S].

[4] 起重機設(shè)計規(guī)范GB/T3811-2008[S].

韓振生： 116000，大連市西崗區(qū)付家莊17號

The Application of Wind Load Calculation Rules in Port Machinery

Han Zhensheng

Dalian Huarui Heavy Industry Co.,Ltd.

This paper introduces the calculation method of storm-wind pressure at the standard，F(xiàn)EM1.004∶2000，section 1 (hereinafter referred to as FEM1.004) and the difference of calculation method between GB standard and FEM, giving the reasonable calculation method which meets the GB standards and administrative regulation. With the method, over-heavy equipment over-amplified non-working load and investment wasting can be avolded.

reference wind speed; average wind; fluctuating wind; turbulence intensity; equivalent static wind pressure

2016-07-07

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.017