岸邊集裝箱起重機(jī)門框斜撐形式對(duì)比研究

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著集裝箱船舶大型化，特別是3E級(jí)集裝箱船舶的出現(xiàn)，岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）整體尺寸越來越大，如起升高度達(dá)到48 m以上，前伸距達(dá)到68 m以上，整機(jī)質(zhì)量也超過1 500 t。同時(shí)隨著集裝箱碼頭自動(dòng)化越來越普及，對(duì)吊具對(duì)箱的精度更加苛刻，隨之而來的是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)自身剛度的要求越來越高，特別是岸橋擺動(dòng)幅度的控制，在設(shè)計(jì)階段就要嚴(yán)格把控。目前一般需要控制上下門框中心距在±50 mm范圍內(nèi)，即上小車和下小車中心距要控制在左右不超過50 mm的誤差，這樣才能確保對(duì)箱。這就要求對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)總質(zhì)量和整體剛度要嚴(yán)格控制，而門框斜撐形式成為優(yōu)化設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。不同門框撐桿形式質(zhì)量相差比較大，最大相差超過50 t/臺(tái)。

岸橋門框一般有兩種設(shè)計(jì)形式，即一字撐形式和V字撐形式，均采用圓形鋼管。一字撐形式一般采用1.2 m圓管，V字撐形式一般是1.2 m圓管和0.8 m圓管的組合形式，如圖1和圖2所示。隨著岸橋大型化，碼頭用戶希望門框斜撐剛度大一些，視覺上用V字撐更強(qiáng)一些，但從鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制方面一字撐形式更有優(yōu)勢(shì)。總的來說，無論門框斜撐采用哪種形式，門框斜撐一方面滿足大、小車運(yùn)行方向強(qiáng)度要求，另一方面是提高司機(jī)舒適度即動(dòng)剛度必不可少的結(jié)構(gòu)布置。目前幾種門框撐桿形式對(duì)剛度的影響沒有系統(tǒng)的研究，兩種門框斜撐設(shè)計(jì)要點(diǎn)也沒有總結(jié)。一般以感官上作為剛度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏準(zhǔn)確的科學(xué)的評(píng)價(jià)。

圖1 門框斜撐 一字撐形式

圖2 門框斜撐 V字撐形式

本文將通過兩種形式門框斜撐質(zhì)量相等的前提下剛度的對(duì)比分析，直觀地了解兩種撐桿形式在剛度方面的差別。在此基礎(chǔ)上總結(jié)V字撐形式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和提高岸橋鋼結(jié)構(gòu)自振頻率的方法，使岸橋鋼結(jié)構(gòu)在V字撐形式發(fā)揮最大的剛度效果。最后通過優(yōu)化一字撐形式達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性雙豐收的目的。

1 對(duì)比岸橋基本參數(shù)及模型處理

本文以裝卸超巴拿馬型集裝箱船舶的岸橋?yàn)槔緟?shù)為：吊具安全起升載荷單箱50 t、雙箱65 t，前伸距65 m、后伸距20 m，軌距 35 m，門框下凈高15 m，起升高度43+20 m。

2 兩種形式門框斜撐剛度對(duì)比

2.1 模型處理

為了便于對(duì)比計(jì)算，模型處理時(shí)將忽略門框斜撐端部彎矩及兩種斜撐形式對(duì)整機(jī)重心高度的影響，具體模型處理為：

1）門框斜撐為圓管且長(zhǎng)度與直徑比大于25（L/D＞25），可以認(rèn)為門框斜撐為桿結(jié)構(gòu)。模型中用Link 8單元模擬斜撐，此單元只能承受軸向壓力或拉力。

2）考慮到門框斜撐質(zhì)量35～50 t，占整機(jī)質(zhì)量約3%，此質(zhì)量對(duì)整機(jī)剛度影響很小，可以將門框斜撐密度設(shè)為零，忽略兩種形式重心高度不同導(dǎo)致的頻率不同；

3）對(duì)于V字撐岸橋?qū)⒐茏咏稽c(diǎn)交在聯(lián)系梁中心，忽略此處的偏心。

2.2 剛度對(duì)比分析

門框大斜撐在滿足強(qiáng)度的前提下，主要用于提高司機(jī)的舒適度。一般情況下，用戶對(duì)于岸橋在小車運(yùn)行方向有不小于0.65 Hz自振頻率的動(dòng)剛度要求。

將以小車運(yùn)行方向剛度作為研究目標(biāo)，在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下設(shè)置一字撐和V字撐，以V字撐的質(zhì)量為基礎(chǔ)（V字撐管結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約55 t，一字撐結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約35 t），保持聯(lián)系橫梁高度不變的前提下，反推一字撐的截面，使兩種形式的門框斜撐質(zhì)量相等，質(zhì)量等效后，一字撐的截面用1.5 m圓管（原為1.2 m圓管）。并在小車前伸距位置沿小車運(yùn)行方向加載50 kN的力，考察圖3中A點(diǎn)和圖4中B點(diǎn)變形情況和聯(lián)系橫梁彎矩分布情況。聯(lián)系橫梁彎矩圖分布圖如圖5、圖6所示。剛度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖3 一字撐形式

圖4 V字撐形式

圖5 一字撐形式聯(lián)系梁彎矩圖

圖6 V字撐形式聯(lián)系梁彎矩圖

表1 兩種形式門框斜撐剛度對(duì)比結(jié)果

由此可知，無論是V字撐還是一字撐岸橋，聯(lián)系梁的反彎點(diǎn)均在聯(lián)系梁中間，即斜撐形式?jīng)]有改變聯(lián)系橫梁反彎點(diǎn)位置；A點(diǎn)和B點(diǎn)水平位移和轉(zhuǎn)角位移一字撐比V字撐大約3%，兩種形式剛度相當(dāng)，即一字撐形式質(zhì)量相等的情況下與V字撐形式效果相當(dāng)。

3 V字撐形式門框斜撐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

V字撐形式雖然與一字撐形式在質(zhì)量相等的情況下剛度對(duì)比相當(dāng)，很多情況下碼頭用戶還是更偏向V字撐形式，下文主要總結(jié)V字撐形式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和V字撐形式下如何提高岸橋自振頻率的方法，使岸橋鋼結(jié)構(gòu)在V字撐形式發(fā)揮最好的效果。

3.1 V字撐形式中間水平撐位置影響

通過簡(jiǎn)化立柱與斜撐的連接形式，形成簡(jiǎn)化力學(xué)模型，如圖7所示。

圖7 單根立柱簡(jiǎn)化力學(xué)模型

用位移法算出

上述是力學(xué)推導(dǎo)結(jié)果，從手算結(jié)果看，中間水平撐桿布置在距離上水平撐桿2/3的位置，圖4中B點(diǎn)轉(zhuǎn)角位移最小。有限元計(jì)算進(jìn)一步進(jìn)行了論證，通過不斷調(diào)整中間水平撐桿的位置計(jì)算圖4中B點(diǎn)的轉(zhuǎn)角位移，繪制變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 水平撐位置影響

由計(jì)算結(jié)果可以看出，距離聯(lián)系梁7 m左右立柱下端轉(zhuǎn)角θ最小，與上述理論推導(dǎo)接近，即V字撐形式中間水平撐桿布置在距離上水平管與聯(lián)系梁中心總高度的2/3位置結(jié)構(gòu)剛度將發(fā)揮最大的效能。

3.2 V字撐形式聯(lián)系橫梁高度影響

聯(lián)系橫梁高度對(duì)剛度影響非常大，特別是對(duì)小車運(yùn)行方向剛度的影響。下文在保證聯(lián)系梁下的凈空不變（碼頭有通過性的要求，一般都會(huì)提出聯(lián)系橫梁下凈空高度的要求）的前提下加高聯(lián)系橫梁，研究聯(lián)系橫梁高度的影響，分析結(jié)果如圖9所示。可知聯(lián)系梁越高，B處位移越小，即聯(lián)系梁高度越高越好，但要考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，一般聯(lián)系橫梁高度不超過3 m。

圖9 聯(lián)系橫梁高度影響

3.3 V字撐形式中間水平撐桿與聯(lián)系橫梁之間加強(qiáng)的影響

有些跨度比較大的項(xiàng)目比如大車軌距大于45 m的情況，用戶會(huì)要求在中間水平撐桿與聯(lián)系橫梁之間進(jìn)一步加強(qiáng)，考慮加強(qiáng)聯(lián)系梁和中間水平撐桿之間剛度。即在聯(lián)系梁與中間撐桿之間用桁架形式連接，原結(jié)構(gòu)V字撐形式用直徑為0.8 m的圓管，桁架形式用直徑為0.609 m的圓管，具體加強(qiáng)形式如圖10所示。

圖10 V字撐形式中間水平撐桿與聯(lián)合橫梁之間結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

為了研究此情況對(duì)剛度的影響，在V字撐形式模型上修改，并在小車前伸距位置沿小車運(yùn)行方向加載50 kN的力，考察圖4中B點(diǎn)變形情況。剛度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 V字撐形式下層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)剛度計(jì)算結(jié)果

對(duì)比表1和表2可知，中間水平撐桿與聯(lián)合橫梁之間結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與傳統(tǒng)V字撐形式剛度相當(dāng)，即這種加強(qiáng)方式對(duì)剛度影響不大。

4 一字撐形式門框斜撐優(yōu)化

4.1 一字撐形式優(yōu)化方式

以一字撐形式為優(yōu)化對(duì)象，從一字撐岸橋和V字撐岸橋的質(zhì)量相等和頻率相等兩種情況分別進(jìn)行優(yōu)化。質(zhì)量相等是指V字撐形式比一字撐重的質(zhì)量用于加高一字撐聯(lián)系橫梁高度（保持一字撐圓管直徑1.2 m和門框凈空不變）；頻率相等是指以V字撐岸橋小車方向自振頻率為目標(biāo)，通過調(diào)整一字撐聯(lián)系梁梁高，達(dá)到與V字撐岸橋小車方向自振頻率相同。

4.2 一字撐形式優(yōu)化后結(jié)果

通過一字撐形式模型修改和計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 質(zhì)量和頻率相等優(yōu)化結(jié)構(gòu)表

由此可知，一字撐形式通過優(yōu)化具有比V字撐形式更大的優(yōu)勢(shì)，無論是質(zhì)量方面還是剛度方面，工程上選用更有價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于一字撐形式岸橋，可以加高聯(lián)系梁高度來提高岸橋在小車運(yùn)行方向的自振頻率可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于V字撐形式岸橋可以通過下面兩種辦法提高岸橋的剛度:首先合理布置中間水平撐的位置，中間水平撐盡可能地布置在距離上水平撐和聯(lián)系橫梁中心總高度的2/3處；其次適當(dāng)加高聯(lián)系梁的高度。

建議優(yōu)先采用一字撐形式，相比V字撐岸橋具有更好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，要取得V字撐岸橋相同的頻率，僅需在V字撐岸橋聯(lián)系橫梁梁高原有基礎(chǔ)上加高150～250 mm。

通過本文的研究，給出了兩種岸橋斜撐形式對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，及各自的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和工程選用建議，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。