岸邊集裝箱起重機風振動探討

史文瓊，奚小歐

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

當前岸橋具有結構高、體型大的特點，正朝著大型化、高速化的方向發展，其高聳的結構在裝卸集裝箱的過程中發揮了重要作用，但是也增大了風振動的風險。加之港口碼頭岸邊風力較大，導致風振情況愈發嚴重，風毀事故也時有發生。因此，分析岸橋風振動原因并尋求有效的防范對策非常必要。

1 岸橋風振動的危害

受經濟全球化發展的影響，港口貿易呈現出良好的態勢，其中岸橋作為必備的運輸設備，只有保證性能可靠、安全穩定方可更好地完成作業任務。但在實際應用過程中，岸橋重心高的特點在很大程度上決定了其對風荷載的敏感性，同時多數情況下岸邊不僅風力作用集中，而且大風暴風等惡劣天氣的發生概率遠高于內陸，使得岸橋結構所受迎風面積大大增加，極其容易引發共振，輕則干擾岸橋性能的正常發揮，重則破壞其構件、結構甚至傾倒。如2018 年6 月，某港區突發大風，風速由最初的16.0 m/s 迅速增至57.4 m/s，致使其中一碼頭的5 臺岸橋瞬間被風吹倒，可見風荷載是岸橋安全作業的一大威脅。雖然當下岸橋的防風設計水平有所提高，但很難以有效控制風振，這就需要人們重視岸橋風振動這一問題，并基于對其風振機理的分析尋求對策，以期促進岸橋健康發展。

2 岸橋風振動的機理

一般情況下，基于經驗所采取的岸橋風振預防措施較為簡單，不可否認，其在一定程度上緩解了風振問題，但效果并不是十分理想，尤其是細長的金屬類構件，易在長期振動下出現疲勞開裂。經研究岸橋結構自振、風振以及風荷載與結構的相互作用等一系列因素后發現，岸橋結構件風振有著重要的分析價值，下面圍繞岸橋結構件風振機理加以探討。

2.1 合理建模是基礎

岸橋風振動機理的分析離不開模型的構建，而有限元法作為科學計算領域常用的一種計算方法，可以離散微分方程用于程序的編制，進而在計算機的輔助處理下完成求解的目的。因此為了更為直觀、高效地了解岸橋風振動的過程、特點和原因，建模是非常必要的，應用有限元法也是必不可少的。具體而言，可將岸橋總重、起重額定值、前后伸距最大值、起升軌上軌下高度、機距、大車軌距、空載起升速度、雙箱吊具起升速度、吊鉤梁下起升速度以及工作狀態和非工作狀態下的風速等主要參數作為建模基礎數據；然后便是設置坐標系，即X 軸表示小車運行方向，Y 軸表示大車運行方向，Z 軸表示垂直向上，形成主體為箱型梁結構的岸橋模型，配以LS-DYNA 程序分析仿真結構件動力屈曲過程，最終得到的岸橋門腿模型，便于后續岸橋結構動態穩定性的計算和分析。不過需要注意的是，岸橋結構有限元模型的精準度直接關系計算結果的偏差，所以在保證材料參數不變且精確的條件下需要對其進行適當簡化，如分布質量可主要考慮大梁、后腿以及主梁樓梯、內部筋板，再如以附近節點代替附件質量或用虛單元代替一些梁單元等，以此順利實現建模[1]。

2.2 分析風荷載下的門腿失效

之所以會發生風災，在很大程度上與門腿失效有關。如用于本文建模的岸橋原型中的薄壁箱型結構，采用的材料強度較大且為焊接而成，面對巨大的沖擊其非常容易屈曲失效，進而出現整機坍塌的后果。這就需要基于研究對象的特點確定最佳控制方程，常見的有虛應力、虛位移、虛功率等多種選擇，結合使用材料模型、有限元法、分類搜索等對其接觸力值進行合理的計算，此時不可避免的會涉及到積分法。如在仿真岸橋門腿受沖屈曲過程時，需要先將材料性質輸入其中經LS-DYNA 處理后得到有效應力應變數據，如材料彈性模量、泊松比、密度等的變化曲線，考慮到計算的便捷性，在此只以風荷載下門腿部位為對象構建受力模型，并設置一定的約束條件保證邊界合理，然后在ANSYS 分析和轉換得到門腿端部位置的集中質量，在此基礎上仿真其跌落過程，以期進一步了解風荷載與岸橋門腿失效之間的關系。當然，上述算法也可用于分析岸橋由已傾斜但后又復原的沖擊情況。

2.3 分析風作用下的結構件振動

統計發現，岸橋最易發生風振動的是水平撐件、斜撐桿、梯形架后拉桿等構件，關鍵在于上述構件基本為圓形截面，大大增加了依次計算各種圓管構件參數的難度。下面將以常見的圓管風振動為例進行分析。

（1）為了進一步接近岸橋的實際結構，在ANSYS 的作用下進行了仿真，即除了RY為自由條件下，模型的其他兩端均為約束條件，然后結合有限元軟件分析不同規格圓管確定其動態特性。結果發現，基于空間迭代法的圓管固有頻率（前四階）會隨著圓管外徑的增大而增大，隨著長度的增加而增加，但隨著壁厚的加厚而減小，所以管徑和長度是影響較為明顯的兩個因素。

（2）在分析岸橋結構件風振動機理時，需要從順風向和橫風向兩方面加以考慮，根據實測資料可知，順風向有長周期和短周期兩種時程成分，具體表現為平均風與脈動風，其中脈動風變化不規則，強度會跟隨時間變化，所以對岸橋結構件的影響最大。經深入計算得知，由脈動風引起的構件振動對岸橋的威脅并不大；而橫向風需要視渦激振動情況而定，如果岸橋某階固有頻率接近其跨臨界，則可能因劇烈振動損壞結構件。通常10.0～12.5 m/s的風速下，岸橋結構風振明顯，此時渦旋脫落頻率與第一階構件固有頻率較為接近，使得橫向共振現象發生。

2.4 分析岸橋靜風響應結果

在多數情況下，臨時停車的岸橋或處于工作狀態的岸橋更容易在突然的強陣風作用下出現風災事故，所以在分析岸橋風振動機理時也應對靜風響應有所了解。如當風向與大車運行方向一致時，設計風速分別為20 m/s、30 m/s、40 m/s、50 m/s 和60 m/s。選取其中幾個重要節點分析位移應力響應，結果發現，風速為20 m/s 時大梁以豎向位移為主，主要與正常載荷有關，結合大梁縱向位置小于400 mm 的要求，只要在工作狀態下風速在允許范圍內是不會有問題的；當風速持續增大至60 m/s，大梁縱向位置增大明顯，此時豎向位移幾乎不變，只是內門框這一次要構件與橫梁的位置縮小了一倍左右，所以縱向風速較大時，岸橋升力微小。總體上說，隨著風速的增加，無論是前大梁前端還是后大梁末端，以及聯系橫梁的內門框，都會呈現出位移增大的趨勢，且當風速達到60 m/s 時構件位移超出了設計要求（圖1），所以需要采取必要的防風措施，否則會威脅岸橋的安全，嚴重時會導致整機傾覆[2]。

圖1 岸橋構件隨風速變化的位移響應結果

3 岸橋風振動的防范

由上可知，岸橋風振動情況有輕有重，引發安全事故的概率也不盡相同，但當務之急是采取措施增強岸橋防風能力，使其更好的適應特殊環境，保證安全可靠的作業。

3.1 強化風荷載的計算

既然風力不受人為影響和控制，那就借助科學技術加以分析和計算，特別是在岸橋自動化、智能化的建設過程中，必須將風荷載這一因素考慮在內，以期基于合理有效的模型、仿真和自動化處理獲得真實、精準的數據，如風力等級、風向性質、作用過程、對岸橋構件的影響、對岸橋結構的影響程度以及因風力作用而發生碰撞和傾覆的風險高低等，以為工作人員采取下一步措施提供可靠的參考，進而最大限度地減小風振動的不良影響。不過這些需要相關人員不斷加大研究和創新力度，早日將其變為現實。

3.2 優化岸橋防風設計

切實優化岸橋防風設計也是非常必要的，如防風拉鎖作為岸橋抵抗暴風的關鍵構件，需要重視上拔力的計算和結構形式的改進，目前相對合理的方法是根據實際的風險級別確定并計算最大風速下的結構、輪壓和防風拉鎖，其中對岸橋結構穩定性計算時建議采用LRFD（Load and Resistance Factor Design，荷載和抗力系數設計）法。同時融合柔性拉板概念，轉化原有的剛性防風拉鎖為延展性的防風拉鎖，用于在一定程度上抵消左右兩側的不對稱受力，最好采用圓弧面的碼頭連接銷孔，以期改善防風拉鎖的受力情況。再如錨定裝置的優化，即增設固定螺釘和墊片于錨定板之上，并縮小坑位與錨定板的預留間隙，以期通過適當地彌補海陸兩側的不對稱誤差，控制大車位移、保證拉鎖位置準確提高岸橋防風能力。制動裝置——防爬鐵鞋也可用于岸橋防風，但適用于岸橋自身輪壓較大的情況下，并要求設置6 s的延時功能，保證起重機停止、夾輪器閉合完全后鐵鞋才能工作，以免埋下安全隱患。

4 結束語

岸橋的工作環境特殊而多變，對風力作用非常敏感，且容易因振動影響岸橋的性能和使用壽命。因此為了安全起見，必須對其風振動機理進行分析研究，并結合實際需要采取有力的防風措施，以此保證岸橋安全作業和長遠發展。