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确保起重机暴风:不确定性和建议
Patrick McCarthy* and Feroze Vazifdar**
*PE, Associate, Liftech Consultants Inc.; 300 Lakeside Dr., 14th Floor, Oakland, CA
94612; Tel: 510-832-5606; pmccarthy@liftech.net
**SE, Vice President, Liftech Consultants Inc.; fvazifdar@liftech.net
背景
暴风是为数不多的被认为是在码头的集装箱起重机设计中会造成重大灾害会崩溃的力。参见图1。根据地理区域的不同,大型热带风暴被称为台风、旋风或飓风,尽管风暴产生的机制是一样的。本文指的暴风是所有这些风暴, 飓风, 虽然它主要集中在系统的设计,来让码头集装箱起重机防飓风，还讨论了不容易飓风的地区要不同的暴风积载要求起重机。在调查中几乎在每一个起重机倒塌事故与飓风有关，事故都跟系紧和/或装载销系统有关。我们设计的几个起重机结构经历的飓风超过设计风速，至今做得不错。由于初始框架结构的太紧超过1000台起重机没有一台符合我们的强度系数。起重机故障调查中, 积载销系统和系紧集装箱支架、连接板和螺丝扣是薄弱环节。事实上, 系紧系统的强度有时是只有一小部分起重机结构强度。
图1与飓风有关的起重机倒塌, 2003
起重机装载系统组件
为了确保起重机抗暴风，起重机必须不允许它不稳定或偏离,还必须设计,确保设备不损坏。
命名法
图2显示了典型的保护组件和命名法中使用的集装箱起重机的设计。
图2 起重机命名法
提升保护系统
在飓风地区如东海岸和墨西哥湾的美国, 设计没有配重的起重机在飓风风力中不稳定。起重机在没有飓风的地区面对风暴也可能不稳定，但通常没有系紧系统,也没有配重。起重机的飓风地区,添加配重不实际是由于需要的重量会导致高龙门轮负载和增加起重机能源要求。相反,在飓风地区大多数起重机在使用系紧系统防止角落隆起当其不工作时。系紧需要拧紧防止龙门轮法兰从路面上分离。如果一角抬起,横梁可能向内移动, 双倍横向荷载会作用于铁路龙门系统。
确定角落提升强度
目前,没有标准方法设计系紧系统,甚至计算所需浮力。
风强度计算
根据不同的地理区域,指定的风代码,如ASCE 7-02, BS, DIN, FEM, or JIS适用。不管代码,但是,下面的方程以某种形式,用于计算风力量为每个起重机组件:
F = Cfi x A x (qzG)
其中，Cfi是形状系数，其中i是指方向，
A是指i方向的投影面积，(qzG)是指z高度上的速度圧，包括重力G。
qz = 0.5 x rho; x Vz2（伯努利方程),
其中，rho;是空气密度，Vz是风速，它随概率在一个地方有极值，风速大小的测量，其组件尺寸和地区的曝光。风速的变化被称为风廓。见图3
形状系数列表中大多数风代码并不使用在起重机等结构中。正常的工业标准来确定风强度在集装箱起重机中计算风强度对单个的起重机组件的影响。风力系数来源于工程引用或一个按比例缩小的起重机模型的测试的风洞。它既不经济也不实用于执行风隧道测试外的所有起重机的制造。因此,设计师必须依靠从先前的风洞研究结果来研究类似的起重机。基本反应计算的设计力系数应该等于或大于从风洞试验获得的系数。形状系数应该考虑阻力, 屏蔽,角度的风的影响。
适当的最大设计风速在给定的地方是及其不确定的。在世界的许多地方,风记录站相距太远和可能没有足够的时间记录来准确描述风速在兴趣站。因为风压变化速度的平方在风速误差放大的效果。例如,一个风速误差10%结果导致21%的风压误差。然而,这可能会导致一个系紧上举力的100%或更多的误差!作为一个例子, 考虑一个起重机“O-Frame”， 静负荷D，货物同中心地,风荷载Fwind,货物高度h，主要均衡器间距B和距离系紧,相反主要的均衡器销A，见图3. 比例、gamma;的倾覆力矩对复原力矩:
让“e”代表错误风压。例如,如果实际的风速是10%高于使用的速度计算,“e”是1.21, 或速度的平方的比值。实际的比例系紧力计算系紧力是如图3所示,如下：
当然,这是一个简化的例子,因为它没有考虑框架刚度或风角度的影响, 但它显示了一个小错误风速可以放大计算系紧提升力量。然而从这个关系, 我们可以看到,随着倾覆力矩比系紧扶正力矩大得多，错误风压e的误差将更大。然而,当倾覆力矩小于两倍的扶正力矩时，风速的微小误差将导致很大的系紧力误差。作为一个例子,如果倾覆力矩大于40%扶正力矩(gamma;= 1.4),错误风压e是21%(10%错误在V), ,系紧力计算的误差大约是75%。最近超级巴拿马型起重机设计的飓风地区滑坡和水边框架推翻比率,gamma;,从1到2.5和2到5分别不等。陆侧推翻率和水边相比通常是小的，在一系列可能对风速的微小误差非常敏感。因此,我们建议设计桩系紧最低上升力为50%的水边上举力,即使计算提升低得多。
图3. 系紧力误差
静负荷的误差将有类似的效果。我们建议完成的起重机重量、吊杆和推车确认计算系紧,配重要求。
一个可能的最大风速对于一个给定的时期,称为“复发时间间隔的意思”, 或MRI用于起重机的设计。核磁共振成像是基于统计分析的最大风速记录在特定的气象站。通常,一个50年的MRI用于集装箱起重机的设计。应该注意的是, 50年的核磁共振成像,有64%的可能性,设计风速将发生在50年, 40%的机会是25年,甚至在第一个可能性为2%,或任何给定的一年。因此,它是可能的起重机的一生中将体验设计风。
因为风湍流和波动随着时间的推移,风速的测量取决于平均风速的方法。风速和阵风持续时间变化之间不同的的关系曝光。平均风速在更短的时间间隔导致更高的风速。最小尺寸的敏感结构是封闭的结构。结构越大，其敏感度越低。设计的起重机系紧, 阵风就会笼罩着整个起重机, 阵风持续时间约为5到10秒是合适的。计算力应用于起重机组件如机械的房子或吊杆, 阵风一到五秒的时间可能更合适。美国土木工程师协会代码7-02使用一个风速作为“3秒钟阵风” 依据“基本风速,测量在离地面10米。其在1995年之前使用“最快一英里”或“mean-hourly”风速。因为这些定义是基于平均间隔长,速度较低。然而, “阵风”和其他因素在这些代码列表是更高的补偿。虽然风速似乎普遍随风编码ASCE7-xx的不同而不同。计算在飓风地区集装箱不同版本的代码不发生显著的变化。重要的是不要使用负载从一个因素到一个代码代码与风速。
计算方法
一次风强度计算在每一个方向,必须根据起重机整体受力结构计算，计算其角抬起力。计算浮力的最好办法是使用一个有限的输出元素分析起重机结构的风荷载。计算应该在最不利风角计算。
通常,制造商将使用一个简单的基于起重机支持网格几何计算边角反应。这个方法是不准确的在龙门方向从它忽略了起重机的刚度和边界条件。通过这种方法计算的提升力比通过有限元分析获得的往往显著降低。
荷载组合
对故障合理的安全因素必须被指定。起重机结构强度的设计，不能分解的风荷载应用于结构存放的位置。容许应力的增加1.4到1.5的操作条件通常是允许的。正如前面提到的,然而,大多数倒塌通常不是由最初的起重机结构本身的故障, 而是由于保护系统故障。
正如上面提到的,最大可能出现50年的MRI暴风会影响起重机的使用寿命。此外,形状因子是近似的, 因此,风力也近似计算。那么，风荷载也是合理因素。根据管理代码暴风组合载荷因素有所不同。表1显示了我们推荐的暴风雨的负载因素条件组合的最小值。因为大多数港口在系紧上不安全除非飓风发生在一个较小的暴风组合里,SC1是推荐的除了飓风暴风,还防止不稳定和损害无风暴地区。镇流器可能需要即使条件系紧用于SC2.
从表1获得负荷组合用于计算陆地和水边系紧隆起的风应用于最不利的角上。使用不能分解的风荷载设计是不合理的，因为不能分解的风甚至不产生隆起。这将导致严重欠安全的设计系紧系统。
ASCE 7-02使用一个暴风1.6负荷系数,但是风压力降低了15%,让设计的不可信风暴打击起重机在最不利的角度。以前版本的ASCE 7使用了一个1.3负荷系数为角度的风没有减少。相当于2002年因素代码大约是1.6 * 0.85 = 1.36。看这个负载因素的一种方式是在任何角度设计风速增加1.360.5倍或17%，它有效地提高了风从200年50岁MRI核磁共振。美国使用大多数风代码1.2或1.3负荷系数的暴风。它是重要的考虑设计风的MRI用于代码之前要确定适当的荷载组合的因素。工程判断是必需的。
表1.推荐的最小稳定载荷组合
说明表：
- 对荷载组合 SC1没有系紧20年MRI风时起重机建议保持稳定。对于有角度的风,一条腿允许起飞,但装载销应适当设计不能脱离码头槽。
- 系紧不用的时候要计算系紧提升力量和压载。
- 如果重量会增加。工程判断是必需的。
- ASCE 7-02使用了1.6的因子。其在大多数代码美国的代码以外，我们建议1.3加载因子。参见上面的讨论荷载组合。
系紧强度要求
我们建议螺丝扣的断裂强度是设计的2.5倍的固定拉力计算采用荷载组合SC2从表1。这部分可能的载荷分布不均会系紧以上的每一个角落。此外，由于螺套是一种机械的、高强度、螺纹元件，它可与起重机结构部件在一个失败的脆性的方式。从我们的经验，起重机的结构不是“弱” 链接：“我们建议将码头附件设计为相同的装货和安全系数为起重机的固定组件。
我们建议考虑检验的固定机械部件计算125%固定力。螺丝扣不应永久试验后，螺杆应自由转动。理想情况下，我们想看到一个与钳制和码头的连接组件的检验，但这不实用。
此外，我们建议本地的结构组件要系紧，如眼睛连接到起重机和固定连接条设计的许用应力（0.9times;fyield），在fyield是屈服应力，使用同样的钳制力。
配销系统
配载销系统抵抗外力平行于龙门导轨。如果配销失败系紧也可能失败，因为只有设计带隆起的系紧载荷。这通常会导致起重机的失控，它可以与相邻的起重机碰撞或碰到保险杠在起重机的导轨终点。任何一种情况都可以造成起重机的严重损坏或完全倒塌。
一些厂家经常将中间均衡梁装载销，将配载引脚撬开均衡梁，这增加了车轮荷载。将装载销每轨道只有一个提出了起重机没有更多系紧问题，因为每一个角落隆起只有一个可以更容易导致装载销脱离码头槽。我们建议将滑坡和水边的梁配载引脚。这种设计需要一个配销的使用梁，如图2所示，但消除在槽上的引脚停留的可能性增大的缺点。可以把一个“检查车的驾驶室”设计成 配载针梁。
起重机无系紧通常设计为相同的倾覆安全因素作为固定稳定情况。然而，在这种情况下，他们被选中用于整体起重机的稳定性，与风吹或平行或垂直于龙门轨道，但不能在最不利的角度，使角隆起。要保证配载销突出来，然而，在拐角处隆起滑坡和水边必须随着风的吹动在任何角度检查。对于飓风多发地区，类似的检查应为稳定的情况下为SC1所述的表1。对于这些位移配载引脚设计应该留在槽。配载引脚也应设计成不是“棘轮”出来了如果一角多次升空轨道。
为了减少所需的压载量，有些设计师会增加底座的“稳定性”， 这是底梁下法兰与横梁上翼缘主均衡器块之间底座该外中间均衡器中心线正上方束销。这有效地增加了杠杆臂抵抗倾覆。防止在操作过程中由于在结构中的起重机轨道和轻微的变形不均匀性的结合，通常提供的间隙为10毫米（0.4英寸）。只有稳定性的底座有效，但是，在暴风雨来临之前，如果没有差距。我们建议考虑增加一个楔子或垫片。并特别注意设计对配载提升了的引脚槽。
龙门轨道接口
接口之间的铁路和龙门轮抵抗外力垂直于龙门导轨向下荷载风荷载。大多数龙门系统将适当的垂直荷载传递到轨道梁。然而，特别注意必须支付给门轨的侧向力。
预计飓风成本与配载系统的成本
图4. 预计飓风损失与配载系统强度
起重机的预期寿命成本是初始成本采购，维修成本，维修成本的组合。本文如上所述，在起重机的寿命
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