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风载荷引起的门座起重机的脱轨和倒塌
Francesco Frendo
（意大利比萨大学土木与工业工程系，意大利 比萨 56122）
摘要：本文分析了门座起重机的灾难性脱轨问题。在持续强风的作用下，阵风时速达到110公里/小时左右，起重机开始移动，当移动距离在60m左右时起重机就会出轨、倒塌。幸运的是，还没有操作员因为此事而受伤。
起重机上装有导轨夹具，这种夹具必须设计的很牢固，即用不工作时的风力强度来确定尺寸。通过对起重机和安装夹具的技术数据的分析，得出结论，在确定停止风载荷时出现了一个微不足道的错误，因为在评估风力时没有考虑空气动力学系数推力。由于这个原因，夹具并没有按照当前的规定设计。而且实际上也不能保持起重机承受可能在设备安装区域中发生的最强风载荷。
根据起重机几何形状和风力记录的分析表明，事故发生时的风力载荷超出了夹具的承载能力。基于梁模型的起重机满载状态，以绕着一个腿的竖直轴线旋转做平面分析解释了起重机倒塌的方式，并且对在起重机转向架和轨道之间相互的载荷做了估计，这种载荷导致几个轨道锚固螺栓的破裂。
事故是由设计错误引起的，这就指出进行准确的评估的重要性，在进行多次独立的检查，特别是在大型工厂对操作员有重大风险的情况下。
关键词：门座起重机，脱轨，风载荷，事故，设计错误
1.引言
本文分析了门座起重机的灾难性脱轨问题。如图1和2所示，一股强风使起重机开始出现漂移、脱轨和倒塌从而造成了这样的事故。位于起重机顶部驾驶室的操作员报告说在强风的作用下起重机将夹紧导轨夹具，在一定时间内，起重机开始移动，并在移动大约几十米（大约50-60米）之后脱轨。
与起重机相关的安全方面和风险分析被视为职业和环境的重要问题，特别是在建筑行业[1-5]。然而据作者所知，这种涉及起重机由于风而漂移的事故以前从未在技术文献中记录过。由于起重机的设计需要考虑气候影响，因此风的影响也需要考虑在内，并且风力对起重机结构完整性和稳定性的影响已在几篇论文中讨论过。（见最近的论文[6-9]）。
根据标准，风载基于给定的参考速度，这与不同的运行条件有关[10-12]。以N/m2为单位的动态风压必须通过以下关系作为风速V的函数，其中风速以m/s为单位进行评估：
P = 0.613 V2
工作时的风速可达28 m/s（100.8 km/h），相当于约500 N/m2的动态压力。（在标准中给出的值）。另一方面，失效风压是地面高度的函数，对于高度在20m和100m之间
图1 事故发生后的起重机图片。 摆腿仍然在行驶轨道上，而固定的腿部旋转并部分落入化石港湾（也参见图2）。
图2 事故发生后固定腿的细节。 一些铁路锚栓被打破，转向架在化石港湾的行程轨道下部脱轨。
的建筑物，风速是42m/s(151.2 km/h)，相当于约1100N/m2的动态压力（标准中给出的值）。标准还指出了如何评估风力引起的漂移阻力，并建议使用导轨夹具或类似的替代措施来防止停工漂移。
2.起重机几何形状和故障描述
起重机是一个古老的建筑，可以追溯到20世纪40年代，并用于油船运输。图3显示了起重机的示意图：它由两条不同长度的支腿和一个带起升机构的上部结构组成。行驶道之间的跨度约90m，载荷提升高度约24米。总高度为33米，上部结构的高度约为9米。摆锤和固定腿的腿高分别约为22.5米和17米。每条腿末端有两个转向架，每个转向架有两个带双凸缘的钢轮（直径120厘米），以将转向架固定在导轨上（图4）。
图3 示意图：（a）门式起重机的主视图（b）侧视图。
最近，在21世纪初，每个转向架都加上了一个新的被动导轨夹具（在图5中可见安装在属于摆腿的转向架上的夹具）。
在被动夹具中，摩擦垫被一系列Belleville垫圈压靠在轨道上，并且在制动过程中，摩擦载荷通过反作用块（在摩擦垫的每一侧上有一个块）被抵消，垫圈是通过3个螺栓连接并固定到夹具外壳上的（图6）。为了使起重机在行驶轨道上正常行驶，通常使用液压回路来克服弹簧的预加载荷，从而使夹具分离（图6）。
图4 带轮子的转向架之一（拆除起重机后拍摄的照片）
对起重机进行检查，特别是在事故发生后对夹具进行详细检查后，会引起以下考虑：
其中一只摆腿依然在轨道上的两个转向架上（图1），而在相反的一侧，固定支腿在俯视图中逆时针旋转，并在轨道的一些锚定螺栓断裂后脱轨（图2）。结果，起重机的一些结构倒塌。
由于承载垫的系统破裂（图7a），或者由于固定在夹具上的螺栓破裂 （图7b）使得安装在摆腿上的夹具的摩擦垫不再处于其工作位置。在起重机移动前的起始位置附近，其中一个摩擦垫在油船中被发现，另一个即使不能再施加制动作用但它仍在夹具下（见图7b和8）。
图5 被动夹钳的两个转向架（摆动腿的转向架）的图片。 由于非常大的接触载荷导致的永久变形，两个夹具的轴线在相同的方向上相对于轨道相对于轨道倾斜。
3.事故重现
被意大利法院聘为专家顾问的学者对事故分为分析和重建两个阶段进行。在第一部分中，将导轨夹具的最大承载能力与当前规定的要求和事故发生时的风载进行比较，以了解夹具是否设计合理，并验证实际风载是否超过其最大承载。在此之后，提出了一个试图解释起重机倒塌的方式的分析，其已经在图1和图2进行了描述。
3.1 夹紧设计和事故发生时的风荷载
根据标准[10-12]，作用在起重机的每个元件上的风荷载F（以牛顿表示）必须通过以下关系获得：
F=pACf
图6 导轨钳位示意图
其中p是由方程式给出的动态风压。（1）中，A是所考虑元素的有效截面面积，Cf是该部分在风向方向上的形状系数。这个系数取决于元素的几何形状，并在参考表中给出：对于构成起重机结构Cf = 1.7的那些侧面部分[9]。起重机上的总风载可以通过总结起重机所有部件的叠加来获得，同时也考虑了屏蔽效应。另外，考虑到起重机的分级（A8级），标准推荐使用安全系数Eq 为1.2(2)。
在为导轨夹具的安装而编写技术性报告中假定动态风压p = 1.1kN / m2（对应于42m/s的风速）和起重机总的有效面积A = 350 m2。由于没有考虑到形状系数，因此停用条件下的总风荷载估计为462kN（46.2吨）。
每个选定的轨道夹具，最大理论承载能力为124kN，总制动能力为496kN（49.6吨）。就上述估计的停止工作条件而言，选择了一个小幅度的余量。 此外，建议的安全系数并未考虑在内。关于这一点，值得注意的是估计最大夹紧能力需要考虑到垫和轨之间的理论摩擦系数0.58; 这是由TUV为新的摩擦垫提供的保证值。
对事故分析重建期间进行的有效面积的准确评估显示，有效面积有所低估。考虑到形状系数Cf = 1.7，停止工作时的风载荷可达1100kN（110吨），考虑到导轨夹具的选用，在停工下的载荷会更大，可达正常情况下的2.2倍。起重机应该安装夹具或者其他防漂移系统，而且能力显着提高，这是由于计算不准确而造成的不好的现象。
图7.事故发生后属于摆腿的导轨夹的仰视图。 由于承载摩擦垫（a）的系统的破裂或者反应块（b）的螺栓破裂，摩擦垫不再位于位置中（另见图8)。
另一方面，尽管选择了夹具，事故的重建也必须以事故发生时的风荷载为基础。实际的风荷载是根据两个独立的数据估算的：由位于起重机附近的工厂设施内的风速计（图9a）和来自南丫岛网站的数据记录。南丫岛是由托斯卡纳地区和意大利国家研究委员会共同建立的，并在事故发生地设有气象站（图9b）。事故发生在午夜后，当时在两次记录的基础上，平均风速约为90-100公里/小时，阵风约为110公里/小时（见图9b）。
对于起重机漂移来说，平均风速相当接近最大风速意味着风力很强并且持续不断。搜寻南丫岛网站上的录像，可以肯定风速是过去3年来最强的风（特别是以平均速度为参考），而这也证实了当时特别严重的情况在事故发生的那一刻。
通过考虑风向（SO，西南，英寸）来评估沿着滑动方向的风荷载（图9b），以及考虑到减少的正面面积和来自起重机腿的额外贡献而获得的折算有效面积。
对于V = 108 km/h（30m/s）风速，使用关系式（1）和（2）得到的总风载荷为431kN，这非常接近最大理论夹紧能力496KN。类似的，341kN的风载对应于96km/h（26.7m/s）的风速。如果考虑摩擦系数为0.5或者更低（而不是标准值0.58），可以很容易地看出风载荷超过了夹持能力。特别是，假设摩擦系数分别为0.5或0.4，整体夹具容量分别为428 kN或342 kN。考虑到摩擦垫的磨损（见图10）以及垫和轨道表面的非完美状态，这些摩擦系数值是可能的。
以上的分析表明，在事故发生时，风力载荷很可能超过了最大夹持能力。并且夹具系统的正确和安全的设计是可以防止这种情况发生。
图8 摆动腿（见图7b所示）的夹子之一的底视图，其失去了制动功能（a）。左侧（图7b和8a）反应块中的三个螺栓断裂（b）。
3.2. 起重机加载分析和失败的解释
可以合理地假设，在漂移开始时，摆腿的夹具失去了摩擦垫。事实上，正如第2节所述，摆锤腿的一个摩擦垫在起重机初始位置附近的油船中发现（在漂移之前）。由于输送系统中的垫片破坏或将反应块固定在夹具外壳上的螺栓的断裂，摩擦垫不在位于正确的位置（图7和8）。这种破裂可能是由高摩擦载荷和粘滑现象导致的动载荷引起的，最终通过转向架结构的变形（这些可以在图5中得到）和轨道平面可能存在的非完美性而得到加剧。
为了简单起见，图11表示在均布风载荷和惯性载荷的作用下，在脱轨之前的加载方案和起重机的变形形状的平面模型。假设在摆腿侧，摩擦垫在初始漂移阶段失去了作用（参见第2节末尾），因此通过支腿施加在起重机上的约束作用是不同的。
在两侧，由于转向架上的车轮存在，会使铁轨有一个弯曲反应（图4）。这些分别用M1和M2表示。另外，参照图11在左侧，11，固定腿的摩擦垫位置都可以施加纵向制动力，在图中用F表示。该分析是静态的，并且在图中假定表示安装在固定腿上的夹具的总制动载荷的纵向载荷F等于分布的风力和惯性载荷的合成作用，表示为q。被钳具限制的制动力F假定为已知常数。
图9.事故当天的风力记录。这是由在南丫岛气象站（b）的起重机附近的风速计（a）记录下来的。 南丫岛纪录片（图二）显示每小时4个数值，代表每小时每一刻的平均风速（上图）及阵风最高速度（下图）。
在图11的方案中，假设所有的载荷都在平面上。 实际上，分布式风压和惯性负载的结果是在相对于轨道的一定高度上施加的，并且这也会导致两个腿的转向架上存在不同垂直载荷（前部转向架沿着漂移方向，在起重机减速期间受到较高的垂直载荷，加速时反之亦然）。然而，这里假定这种垂直载荷传递不影响制动载荷，因为夹紧作用是由位于夹具内部的Belleville弹簧的预载荷决定的（见图6），而不是由车轮和轨道之间相互作用的垂直载荷决定（如在车辆中发生的那样）。
图11所示的系统是静不定的，因为旋转平衡由M1和M2提供。该系统可以很容易地通过静定梁的标准解决方法来解决，并且获得以下结果：
M1= （3a）
M2= （3b）
可以得出结论，在固定腿的侧面承担了制动作用。事故发生的瞬间，轨道施加在固定腿上的反作用力矩是轨道在摆腿上施加的反作用力的两倍。这意味着在固定支腿侧的转向架和轨道之间相互作用的载荷更大，因此解释了相应轨道的锚定螺栓的破裂以及由此导致的脱轨。
可以观察到，相互作用的时刻的方向与图1和图2中已经标示出的一致。实际上，固定腿通过导轨施加在转向架上的力矩与图11中所示的力矩M1的方向相反。值得注意的是，上面给出的M1和M2在实际运用方面有些被高估了，因为它们是在水平面内假定梁的末端部分为零的情况下获得的，这与假设刚性腿相同。
图10 事故发生后的摩擦垫图片，显示接触表面显着磨损
考虑到属于同一支腿的两个转向架之间的相对距离明显大于同一转向架的各轮之间的距离（图12），则每个转向架与导轨T之间的合成负载可以通过以下关系获得：
T== （4）
根据前面的分析，发现总的风载荷在340-430kN范围内，而总夹持能力和垫（摩擦系数0.58）为496kN。设摩擦系数为0.45，每条腿的制动能力估计为F = 190kN。有了这个值，与轨道之间的相互作用力，由方程 （4）得约为T = 350kN。另一方面，由于M2 = 0.5M1，因此转向架与轨道之间的交换载荷是该值的一半。
如图2所示，根据这种计算方
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