岸橋整機海運結構分析方法研究

賈攀攀，黃龍波

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

超大型設備的整機交付，越來越成為設備制造企業的核心競爭力[1]。重大件的整機運輸因其風險高、運輸工況復雜，歷來是特種運輸界的一個難題。如何對運輸設備進行合理的綁扎、保證運輸安全是工程師需要思考的核心問題，也是整機運輸的重中之重。

岸橋作為港口機械中的巨無霸，在集裝箱港口生產作業中一直起著核心作用。傳統的散件發運、用戶碼頭組裝的交貨方式，費財耗時，嚴重影響了用戶碼頭的生產經營，產生了巨大的成本，因此在設備制造企業碼頭進行總裝并運用大型船舶進行整機運輸越來越成為設備生產企業競爭力的標配[2]。重大件設備的整機海運，極大節省了由于設備采購所占用用戶碼頭的時間，同時也給制造企業節約了成本。因此相比散件發運，整機發運最大的難點是運輸和裝卸的安全問題。上海振華重工經過多年的探索和實踐，在保證岸橋整機海運的安全方面，進行了大膽的創新，并積累了豐富的經驗，保證了運輸項目的安全。

本文系統闡述了重大件海運結構分析的思路和方法。對利用有限元方法分析指導岸橋整體結構加強、海運綁扎等安全措施進行了探索和研究，并對進一步提高海運仿真分析準確性和有效性進行了展望。

1 配載

1.1 空間與成本

大型運輸船裝載岸橋，首先要進行船舶的配載。針對特定項目，能否裝載、最多能裝載多少貨物是關系到運輸計劃、成本的首要問題。岸橋的船運配載由于其自身尺寸、結構等特點，有著特定的裝載方法，主要有以下幾點。

1）岸橋的軌距與船寬的關系。原則上船體寬度必須大于岸橋軌距，且留有橫向綁扎撐桿的空間，以便兩側大車結構均能被甲板支撐。但隨著航運事業的發展，超大型船舶的出現倒逼著岸橋也要大型化[3]（如3EPLUS岸橋），軌距的增大就不可避免，而考慮到運輸成本，岸橋運輸船舶不可能隨意的增大，這就要求工程上尋求船寬小于軌距的運輸方法。現在，工程上常用的方法是通過設計岸橋的運輸假腿來“縮小”軌距，見圖1。

圖1 大軌距岸橋運輸方式Fig.1 Transportation mode of large gauge crane

2）船甲板有效長度與岸橋基距方向的最大長度（含綁扎撐桿位置與安全距離）的比值。船甲板有效長度是指在保證相同船寬的前提下，船舶縱向的有效長度，部分運輸船在艏艉船寬方向尺寸有縮小，縮小部分的甲板縱向長度，不能計入甲板有效長度。

3）船體結構對裝載的貨物的影響。比如艏艉的克令吊等設備是否影響貨物裝載等問題。

1.2 配載方式

岸橋的配載方式有橫裝和縱裝兩種。如何選擇，需綜合考慮船舶類別、岸橋碼頭布置情況等因素。因成本、運輸船等原因，目前使用最廣泛的是橫裝方式，見圖2。

圖2 橫裝4臺岸橋的運輸船Fig.2 Transport ship of lateral loading 4 cranes

1.3 船舶穩性

由于岸橋重量重、重心高，配載完成后必須使用船舶裝載儀對船舶裝載的完整穩性、氣象衡準和總縱強度等進行校準，滿足相關規范要求[5]。

2 環境荷載

船舶航行過程中的主要環境影響因素是波浪和風，本文分析環境載荷時僅考慮這兩項。

2.1 環境參數選取

環境工況的參數選取與航線、航行時間息息相關。需從風浪數據庫中提取特定航次的環境參數，如有義波高、最大風速等。然后，根據選取的參數計算其設計值。

2.2 載荷形式的轉化

船舶波浪載荷運動響應的計算采用耐波性計算軟件進行。主要輸入參數包括：有義波高、周期、波浪譜、船體模型、貨物重量重心轉動慣量等參數，輸出船舶裝載貨物后的橫搖、縱搖、升沉三個自由度的加速度方程，為結構計算提供加速度形式的波浪荷載。

風載的大小由風壓、迎風面積、作用高度、形狀系數等決定。因計算模型各部件多采用梁單元構建，所以風載荷的計算一般采用手算的方式進行。

3 結構模型構建要點

岸橋結構復雜多變，殼單元和實體單元建模都會耗費大量的建模和計算時間，是結構仿真人員難以承受的，如何快速的簡化建模是首先要考慮的。根據岸橋的結構特點，多細長的箱梁結構和桿件，可以考慮將整體結構離散成梁單元進行模型的構建[6]。

3.1 梁單元的簡化

箱梁結構簡化成梁單元的重點在截面。由于角鋼、T形鋼等筋的分布不同，且岸橋結構箱梁結構眾多，為截面的生成造成了很大的困難。參數化、程序化截面的生成文件就顯得尤為重要。將箱梁截面進行參數化處理，并形成規則的命令文件形式，成功地解決了該難題，提高了建模效率。其中，需要特別指出的是在建立變截面時，兩端截面在劃分網格時需要相同的拓撲結構。

3.2 模型整體的參數化

根據岸橋結構的特征，將主要結構參數化，可大幅提高后續不同項目岸橋的建模速度。軌距、基距、各構件坐標位置、基本尺寸等是參數化的主要研究對象。構建過程中需首先抽象出岸橋結構的特征參數，然后建立它們之間的內在聯系[7]，見圖3。

圖3 岸橋整體模型Fig.3 Integral model of crane

3.3 特殊構件的模擬

岸橋主結構中除了箱梁結構外，還有電纜卷盤、機器房等無法或者沒必要建模的結構組件，然而，在計算時，它們的質量是不可忽略的，這就要求運用質量單元，對其進行簡化并構建到模型中。另外，岸橋中拉桿單元為非受壓單元，只能承擔軸向的拉力，需在軟件單元庫中選取只受拉的桿單元進行模擬。

3.4 鉸點的處理

鉸點可以通過釋放自由度或者節點耦合的方式模擬。

3.5 密度賦值

不同的結構模塊需指定不同的密度屬性。密度值的確定采用施加重力加速度后，根據支反力值反饋的方式得到并修正。

4 海綁

海綁主要包括3種類型。1）因岸橋自身結構剛度不夠，局部變形過大，導致結構屈服或者失穩而采取的綁扎措施；2）岸橋與甲板的綁扎固定；3）岸橋上活動構件的綁扎或加強[8]。

4.1 岸橋自身結構的海綁加強

該類海綁的主要目的是增加岸橋整機的剛度。采取的措施切入點為從減小岸橋結構變形上入手，一般使用綁扎形式為拉索。如岸橋聯系橫梁與船舶甲板面的拉索綁扎、海陸側門框對角線的拉索綁扎、前大梁與上橫梁間的拉索綁扎等[9]，見圖4。

圖4 門框綁扎形式Fig.4 Binding form of frame cable

4.2 岸橋與甲板面的海綁

該類海綁主要目的是將岸橋作為一個整體固定在船舶上，并與之連接為一個整體。主要綁扎形式有橫向、縱向撐桿，固定吊具或吊具上架的鋼絲繩綁扎等，見圖5。

圖5 岸橋甲板海綁典型方式Fig.5 Typical way of crane's sea fasting on deck

4.3 岸橋上部活動構件的綁扎

該類構件包括：主小車、托架小車、鉸點、維修行車、拉桿等。綁扎件設計參數的確定方法有：1）根據加速度、質量，單獨對構件進行受力分析；2）提取仿真模擬的計算結果，為綁扎設計提供參數，進而設計綁扎件和綁扎方式。

5 約束與加載

5.1 約束

由于撐桿綁扎是在結構受重力作用基礎上的，因此計算時需將重力荷載和波浪引起的加速度荷載、風荷載分別施加到計算模型，計算出各自的應力響應。然后，再利用后處理將應力結果進行矢量疊加。施加重力荷載時，只需在岸橋大車輪與軌道接觸位置施加垂向支撐；施加波浪加速度荷載和風荷載時，撐桿底端和大車輪處均需施加約束。

5.2 加速度的分解

耐波性計算軟件給出的計算結果，一般包括常量部分和隨高度變化的部分。在加載時，需對其進行轉換，常量部分轉化成線加速度，隨高度變化部分轉化成角加速度。轉換時需注意單位的統一。

5.3 風載荷的施加

風載荷與風速、受風面積等有關，由于岸橋的不規則性，完全還原風載荷作用不太現實，本方法采用簡化近似的方法施加風載，根據岸橋總的受風面積，計算出風載荷總值，然后在岸橋模型節點上均布施加。

6 結果分析

對計算結果的解讀主要從以下幾個方面。

6.1 最大應力

結構的最大應力必須小于相關規范或者經驗給出的安全系數下結構材料的許用應力要求。如果不滿足要求，則需要進行加強、重新設計等。

6.2 構件的相對位移

海運中個別構件的相對位移，也是需要重點考慮的對象。位移相對位置的變化，可能引起部件的干涉，失效。

6.3 易失穩構件的穩定性計算

針對結構中的細長桿件（如綁扎圓管等），還需進行壓桿穩定性校核。在后處理中提取相關單元的端部力和力矩，然后利用材料力學公式進行計算。

6.4 節點力的提取與應用

自特定節點、單元提取的端點力，作為岸橋相關活動構件海綁結構的設計參數。

7 實際工程應用

7.1 項目概述

某集裝箱碼頭2臺岸橋擬搬遷到另外一個碼頭，運輸時間段海況最大有義波高4．0 m，設計風速13 m/s，岸橋重量、重心、受風面積等參數已知，通過計算，指導結構加強、海運綁扎，保證運輸安全。

7.2 載荷定義

這里考慮的基本載荷包括3類：重力、波浪力、風載。其中波浪力載荷的3個分量是橫搖加速度、縱搖加速度、升沉加速度。

7.3 海運加速度計算（波浪作用）

從波浪數據庫中取出運輸航線在實際運輸時間段的最大浪高值，然后結合岸橋整機運輸裝載情況，利用裝載儀、耐波性計算等相關軟件，得出運輸船航行過程中岸橋的海運加速度方程，見表1。

表1 加速度數據Table 1 Acceleration data

7.4 風載荷

風載荷采用估算方法計算，在節點上均布施加。設計風速v=13 m/s，風壓計算經驗公式v2/1 600，單位kN/m2，迎風系數取1．1，根據設計資料得到迎風面積：平行大車方向為-1 160 m2、垂直大車方向為-1 020 m2。根據上述數據，估算風載荷為：平行大車方向為135 kN；垂直大車方向為119 kN。

7.5 工況設計

該項目共設計6種工況，見表2。

7.6 計算結果

各工況應力匯總見表3。

根據計算文件，最大應力工況為浪向90°時的工況2，最大應力257．9 MPa，在許用應力范圍內，見圖6。

產品和海綁件細長結構的壓桿穩定性校核也是海運結構分析的重要內容之一。提取梁單元軸向壓力和截面兩個方向的彎矩，根據相關計算公式進行壓桿穩定校核。

表2 工況列表Table 2 List of working conditions

表3 各工況計算結果Table 3 Calculation results of each working condition

圖6 最大應力工況Fig.6 Maximum stress condition

8 結語與展望

重大件遠洋運輸與安裝由于其高風險、高回報，未來隨著海洋開發列為國家戰略新興產業的持續推進，必將賦予其新的內容，對工程師的挑戰也會越來越大。保證運輸與安裝的安全是面臨的第一要務，以科技的發展所賦予的新的強有力的工具來最大限度地降低風險，提高工程設計的可靠性。有限元輔助仿真技術即為其中之一，近年來隨著其在海運工程領域應用的逐漸增多，越來越成為一種得力的工具，有效的增加了工程設計的可靠性、提高了效率、優化了海綁設計、降低了綁扎成本。該計算體系在眾多海運工程項目計算中得到了廣泛應用和驗證，滿足了現有工程項目的設計、施工需要。結合船體、貨物、綁扎件等綜合建模，將波浪載荷直接施加在船體上進行有限元分析，可以作為提高仿真真實性、準確性的研究方向。