岸边集装箱起重机的防风方案设计与研究

戴炼

（江苏润邦工业装备有限公司，江苏苏州215000）

0 引言

岸边集装箱起重机（简称岸桥）是用于船到岸、岸到船的集装箱装卸作业的主要起重设备之一。随着海洋船舶物流运输的发展，岸桥作为主要的集装箱装卸设备也正朝向大型化和智能化的方向发展，而岸桥的作业地点和安装过程中的总装作业地点主要位于码头岸边，因此也带来了各种作业和安装过程中的防风问题。受台风热带气流和突发性阵风的影响，因防风措施不到位而导致岸桥发生倾覆损坏的情况频频发生[1]。而在岸桥总装作业的过程中，受制于作业环境的局限性，无法严格按照岸桥在交付使用时的防风设计方案进行施工，因此需要针对总装作业码头的实际情况单独进行防风方案的设计计算，以确保起重机在总装作业的过程中处于一个安全可靠的环境。

1 码头作业环境和防风要求

1.1 地理位置

所在码头位于太仓港长江岸线，长江下游白茆沙南水道的右岸，与上海崇明岛隔江相望，距离上游徐六泾节点约24 km，下游至浏河口约23 km，距吴淞口约47 km。岸线基本顺直且边滩稳定，水流平缓，深水区开阔、稳定，是长江下游地区最佳港址之一，码头泊位长度为361 m，宽为40 m，水深为12 m。

1.2 气象风况

太仓市属亚热带湿润气候区，四季分明，雨水充沛，气候温和，日照充足，无霜期长。冬季受北方冷空气控制，以寒冷少雨天气为主；夏季受副热带高压控制，天气炎热；春、秋季是季风交替时期，天气寒冷多变、干湿相间。本地区季风特征明显，夏季以SE～SSE向风为主，冬季受冷空气影响以N向风为主。本地区多年平均风速3.3 m/s，全年常风向为E向，统计频率为12%，强风向为NW向，实测最大风速为22.0 m/s。本地区大风主要由寒潮和台风影响引起，6级以上的大风日数年均为26 d，最多年份为52 d。

1.3 码头防风要求

根据国家交通部发文要求，对于大型港口机械设备的防风装置应分为防止风的水平力、上拔力的装置和防滑制动装置，以及防风预报装置，并进行技术测试，满足风速警示预报的要求。

在防风方案的工艺设计中，应当配备防滑和制动装置，其中防滑装置须保证设备在15～35 m/s的现场风力作用下不发生滑移；选择配备防止风的水平力和上拔力的装置时，须保证设备在35～55 m/s的现场风力作用下不发生倾覆。使用单位所在地区50 a最大风速历史记录超出上述范围的，应当按照50 a最大风速设防[2]。

防风过程中需要考虑风载带来的水平力和上拔力，来防止机器的水平移动及抬腿倾覆，正常工况下可以利用锚定、地锚、系揽桩等进行生根。岸桥本身会配置大车制动器，正常情况下制动器为关闭状态，可以满足日常的防滑保护，另外考虑暴风的情况会增加夹轨器、制动块等进行保护，通常在行走的轨道端口会增加钢板制成的挡块，用于额外保护。

一般码头会配备风速仪等实时监控码头的风速，港口委也会实时监控及预测未来天气情况，及时告知恶劣天气等情况。以便港口能够提前预防、避免突发性事件的发生。

大型港口及作业码头应该根据当地的阵风及台风的历史数据进行预防性的保护措施，并且能够定期检查，确保其具备完好的防风防台能力，以便应对突发性阵风。对于完全不具备防风防台能力的码头或者设备，也应当根据实际计算情况采取有效的改进措施，确保其防风防台能力。在设备遇到突发性阵风，无法立即到达防风位置时，应就地采取防风措施，增加挡块、制动块等塞入轨道等手段，防止滑移，确保设备安全。对于阵风多发季节处在安装过程中的设备，提前把防风措施做好。在接收到预警后，停电、停机、停止作业，进行检查，再次确认防风方案的完整性，以确保满足防风防台要求。

2 设备状态和主要参数

两台集装箱岸边起重机位于总装码头的前沿位置，主体钢结构已吊装安装完成且进入总装阶段的机械和电气安装接线阶段，后续将进入调试阶段，整个周期会持续4～5个月。为避免突发性阵风及台风的来袭，在岸桥进入总装作业阶段后，就需要设计制定防风方案并严格按照方案的工艺要求进行绑扎固定，做好预防台风的措施，确保设备在整个总装作业过程中处于安全的状态。同时需要时刻关注防风预警信息，接收气象局的警报信息，提前做好断电、人员撤离的工作，并且检查防风措施。设备主要性能参数如表1所示。

3 整体方案设计

?参数 指标数量 2 台设计等级 U7/Q2/A7额定载荷/t 65跨距/m 16整机质量/t 1200起升高度/m S 侧轨道上40;S 侧轨道下19小车行程/m SD58.5;LD19起升速度/（m·min-1） 满载75;空载150小车速度/（m·min-1） 200大车速度/（m·min-1） 45

在两台岸桥安装所在码头前沿缺少固定锚定的情况下，防风方案的设计需要单独考虑机器沿着大车方向上的位移，以及在暴风情况下机器会发生抬腿的恶劣情况。总体防风工艺方案设计中，通过固定的弧形锲板和配重块的设计计算，来抵消预设风速所带来的水平和竖直方向上的受力，以达到防风锚定的效果。其中需要保证水平方向车档的强度能够承受水平方向的分力，配重的自重及钢丝绳的受力要能够抵消风速带来的上拔力，以此来达到固定锚定防风的效果。方案布置总图如图1所示。

图1 方案布置总图

3.1 计算模型

运用Krasta软件进行有限元建模分析，在计算模型中给出风速等外部条件，更能够模拟出实际暴风状态下岸桥各个部件的受力情况。根据受力情况在各个连接点给出限制条件，即模拟防风拉索的实际工况，得出各个拉索的受力情况，通过受力情况再去配置对应的防风钢丝绳。得出实际需要的钢丝绳及配重的数量、规格、角度等要求，以确保防风钢丝绳及机器都满足暴风状态下的防风要求，如图2所示。

3.2 模型计算

如图3所示，在计算模型中，给出风速限制条件，从而计算得出大车方向的风载受力情况，依据计算结果给出相应的车档方案。非工作状态下风载的计算利用公式ΣSCfQ进行，S为迎风面积；Cf为考虑屏蔽影响的形状系数；Q为动态风压力[3]。

大车方向风速V=55 m/s。风载计算公式：风载=迎风面积S×风压Q×风力系数Cf；风压Q=0.625×V2，风力系数Cf=1.27；迎风面积为1074 m2，根据结构模型计算计算。结论：暴风沿大车方向的风载约为212 t。

图3 岸桥角点位置示意图

通过Krasta三维建模软件计算可获得岸桥大车离地的上拔力及总图布置的防风钢丝绳所需的上拔力如表2所示。根据各个角的受力情况，选择适合的钢丝绳及配置符合要求的配重，以满足抵消上拔力的要求，如表2所示（注：岸桥重心偏陆侧，计算受力时需考虑极端情况，风由海侧往陆侧吹，1/2 角离地抬腿为极端受力情况）。

3.3 防风方案措施

3.3.1 大车方向

表2 各角位置及钢丝绳上拔力数值表

1）岸桥在安装及调试过程中，无法实现固定锚定防风的效果。根据暴风工作状态下，岸桥受力计算可以得出岸桥的受力情况，可以通过利用大车车档（钢板制成的挡块）来实现水平方向上的制动效果，根据计算结果一台岸桥任意大车方向由16个挡块阻挡，不考虑摩擦阻力，假设水平风载都由挡块承受。只要车档的作用力及强度能够满足风载要求即可，如图4所示。

图4 车档布置示意图

2）车档强度计算。许用接触强度大于实际接触强度。接触强度σ=单个挡块受载Fz/接触面积S（单个挡块受载Fz=大车方向风载Ff/挡块个数n）；设计时车档材料选用Q235材质，根据材料标准查询其材料屈服强度σs=215 MPa, 许用接触强度[σ]=195 MPa。（[σ]= σs/1.1，根据FEM标准风暴情况和材料屈服强度，确定安全系数为1.1）。结论：实际接触强度<许用接触强度，满足要求，如表3所示。

3.3.2 钢丝绳强度

1）在缺少固定锚定的情况下，需要额外增加配重块，使得配重通过钢丝绳与机器连接，从而实现增加垂直方向的力，克服抬腿情况。需要考虑配重自身的质量及钢丝绳的强度，能够抵消上拔力即可，如图5所示。

2）钢丝绳计算。根据Krasta模型计算得出岸桥各个角抬腿所需要的竖直方向的上拔力，根据力的受力分解，作用在钢丝绳上，可以计算得出各个钢丝绳所受的力，在满足安全系数下，确保不超过钢丝绳破断拉力即可。钢丝绳作用的力，生根在配重上，配重本身的自重大于钢丝绳受力即可。钢丝绳破断拉力Fp=钢丝绳最小拉力破断系数K×钢丝绳直径D2×钢丝绳公称抗拉强度R/1000；许用钢丝绳拉力Fa=钢丝绳破断拉力Fp/安全系数n；最大上拔力Fu由Karsta模型计算所得；钢丝绳力Fs=最大上拔力Fu·cos θ。结论：钢丝绳力Fs＜许用钢丝绳拉力Fa，如表4、表5所示。

表3 计算数值表

图5 下部钢丝绳布置示意图

表4 下部钢丝绳强度计算表

表5 上部钢丝绳强度计算表

4 结论

岸桥在设备提供商码头的总装作业过程的防风设计与其在终端集装箱码头的防风方案设计同样重要，且其更是依附于总装作业过程中的起重机状态、码头环境和区域气候情况，方案的实用性更为重要。通过此次防风方案的设计研究，充分利用了自有码头的设备物资，确保了岸桥在总装装配作业过程中的安全性，使设备顺利完成了总装发运工作。