造船门式起重机金属结构局部屈曲分析

巫波

（江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院，江苏 无锡 214174）

经济调查显示，近年来我国国民经济收入水平持续增长，以工业产业为主的经济体系保持着良好的发展趋势。造船业是工业产业链的构成之一，关系着国内航海事业的可持续发展。随着机械化生产模式的推广，各种机械设备在造船生产中的应用不断普及，起重机是其中最为常见的机械设备。为了提高造船门式起重机的作业效率，对金属结构局部屈曲问题深入分析处理是极为关键的。

1 金属结构局部屈曲的不利影响

造船门式起重机作为一种大型机械设备，由多种不同的金属构件组成。大到整块的钢板构造，小至细小的螺栓螺帽，都是起重机设备的金属结构组成。目前，造船门式起重机的主要结构，是承载主梁与金属支脚，利用小金属构件紧固配合使用。金属结构屈曲，是起重机最为常见的问题，直接导致大小金属构件失去稳定性，限制了起重机操控性能的正常发挥。从实际生产来看，局部屈曲的不利影响如图1所示。

图1 局部屈曲的影响因素

1.1 荷载失衡

由于造船产业的快速发展，企业面临的生产任务更加艰巨，门式起重机日常操作承受的荷载也越来越大。长期处于高负荷运作状态，容易导致金属结构发生屈曲现象，并引起一系列的异常问题。如：局部屈曲造成金属构件变形，出现了不同程度的受损问题，承担的荷载会转移到其他构件中。原先处于稳定状态的构件，会因为受力荷载迅速扩大而失去平衡，减小了起重机吊起的重力荷载，阻碍了生产操作的顺利性。

1.2 构件受损

起重机在起吊货物时，承载主梁及金属支脚共同分配承担了重量荷载，只有保证两部分结构的荷载分配均匀，才能顺利起吊重物[1]。操作人员在吊装货物时，未合理调整起重机布置情况，造成重力荷载过于集中在某一点，如支脚、主梁。此种情况易产生局部屈曲现象，荷载超过构件承受范围，便会造成构件损坏的问题。

1.3 意外事故

金属构件是门式起重机的基本构造，一旦其产生局部屈曲，便会带来各种安全意外。以底座结构为例，该部分是支撑整个起重机的关键部分，负责把吊装货物产生的荷载转移到地面，维持设备生产的均衡性。若底座构架形式屈曲，失去支撑结构的起重机易坍塌、坠落，严重影响了生产作业的安全性。

1.4 生产受限

金属结构局部屈曲，是一种构件病害，限制了门式起重机现场操控的效率，阻碍了造船业生产效率的提升。侧扭屈曲，是门式起重机较为多见的局部屈曲形式。该屈曲是由于承载主梁的横向受力不均衡，主梁侧面发生向左或向右的扭转、偏移状况，造成主梁中间的承载力减弱甚至丧失，一些重要的金属结构难以发挥应有的作用。机械一体化生产是多数企业的常用模式，局部屈曲引起起重机设备性能受损，必将降低吊装生产的效率。

2 增强机械设备抗屈曲能力的措施

造船门式起重机已经成为行业生产制作的必备机械，起重机结构性能的强弱，对整条生产流水线的持续运作，均有很大的影响。鉴于局部屈曲对金属结构产生的破坏作用，企业必须针对局部屈曲发生的因素，制定针对性的处理方案，营造更加优越的造船生产环境。

增强起重机抗屈曲能力，需从荷载性能、抗震性能、支护性能等方面采取措施。

2.1 荷载性能

为了避免局部屈曲对门式起重机产生的不利作用，早期技术人员设计了相关的加固支撑结构，利用组合构件对屈曲现象进行处理。由于加固构件的抗拉性能不足，金属结构协调荷载的性能未能全面发挥[2]。技术人员可选择有效的加固结构，如安装高性能金属构件，辅助机械运行，对生产操作中产生的巨大荷载进行有效的分担，增强了金属结构的抗屈曲性能。

2.2 抗震性能

震动对起重机设备性能有很大的影响，无论是自然灾害震动或者设备底座震动，均破坏了起重机正常的操作秩序。考虑到保证基层结构的牢固性，为底座设置有效的辅助结构，可增强其抗震性能。为了保证底座结构的稳定性，比较常见的方法是，技术人员用紧固螺栓打孔加固，将底座与地面基础结构完全连接，利用地面承载能力，减弱震动对机械造成的冲击力。

2.3 支护性能

造船门式起重机是一项多功能的机械设备，其内、外部的结构组成形式复杂多样，每一个金属构件，都关系着设备起重性能的发挥。局部屈曲现象，是金属结构集中受力的表现，由于承担载荷过大，而易产生不同程度的受损。增强金属结构的支护性能，可改善起重机抗受损的能力，面对集中受力情况，可减轻结构受损的程度。

3.4 操控性能

起重机属于大型机械设备，复杂的机械构造往往会影响到设备的操控性能。为了避免这一问题，造船门式起重机应通过技术改造，不断改善其可操控性能[3]。例如：技术改造，利用自动化控制系统调控起重机，降低人工操作的难度；结构改造，对金属结构的构件组合优化改进，提高机械设备的运行效率。

3 起重机结构安装的注意事项

造船门式起重机在安装时，要注意压杆失稳造成的不利影响，其易造成不同程度的局部屈曲现象，破坏了起重机金属构件的稳定性。因此，现场作业人员在安装金属结构时，必须遵循操作规范，对金属构件可能出现的异常受力问题及时处理。

起重机结构安装需要注意的问题包括：

3.1 确保装置有效地工作

每隔一段时间，要去拨动一下力矩限制器限位开关的触头，看其是否还会报警。如果没有反应，就要先查力矩限制器的传感电路，一定要找出原因并处理好后，才能继续操作。有些工地把造船门式起重机当大塔用，故意把力矩限制器的电路撤掉，这属于严重的违规操作行为。

3.2 保护杆件不要有初弯曲

造船门式起重机在转移搬运的过程中，要特别注意防止碰弯杆件[4]。因为有初弯曲的杆件，其承载能力低于直杆，也就是说，实际上弯杆已经失稳，再承受过大载荷，只会加大弯曲挠度，提早出现坏损。如能发现弯曲，一定要先补强才能继续使用。

3.3 正确执行安装程序

严格按使用说明书指定的安装顺序，进行安装和拆卸。在塔式起重机使用说明书中，为了防止不平衡力矩过大，在安装平衡臂和起重臂时，明确规定先安装平衡臂，加1～2块平衡重后，再安装起重臂，最后才装上全部平衡重。

3.4 重视斜拉侧拉的危险性

要严禁斜拉、侧拉起吊重物，特别是大幅度起吊时更要注意。因为斜拉、侧拉起吊，除了起重力矩外，臂架还要受到一个水平横向力矩[5]。这个力矩会使臂架根部下主弦杆产生一个较大的压力，大幅度起吊时，起重力矩也使下主弦产生压力，这两个压力叠加，很可能使臂架下主弦杆失稳屈曲，导致侧向折臂，进而前后失去平衡而倒塔。

4 结束语

总之，随着起重机械设备在造船生产中的普及应用，操作人员不仅要掌握熟练的操控技术，对金属结构局部屈曲现象也要采取措施处理。屈曲约束支撑，是处理局部屈曲问题的有效措施，起重机操作人员应详细地了解此种方案的加固流程，合理选用高性能金属构件加固处理。

[1]王晓亮.造船业门式起重机设计及其稳定性分析[J].造船机械，2010，32（10）：67-68.

[2]杨文静.有关门式起重机受力和使用性能的分析[J].中国机械装备，2010，40（20）：19-20.

[3]曹美萍.小型门式起重机静力学及模态分析数值模拟的研究[J].矿山机械，2011，14（3）：8-11.

[4]卢丹雨.工程结构整体屈曲的临界荷载分析[J].天津大学学报，2010，26（10）：6-8.

[5]潘玉霞.造船门式起重机构件屈曲的成因及处理[J].东南大学学报，2011，17（4）：32-34.