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起重机的防风安全: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
暴风是为数不多的破坏力之一，虽然在岸边集装箱起重机的设计中有所考虑，但仍会造成重大的破坏甚至倒塌。见图1。根据地理区域，大热带风暴被称为台风、旋风或飓风，尽管驱动风暴的机制是相同的。本文指的是所有这样的风暴，飓风，虽然它主要侧重于系统设计安全的岸边集装箱起重机防飓风，也讨论了在暴风地区中起重机的配载要求而不是倾向于飓风。我们研究发现，几乎在每一个飓风相关的起重机倒塌都在固定或配销系统启动中失效。一些起重机结构经历的飓风风速超过了设计风速，但都表现不错。由于框架结构的初始过应力，超过1000台符合我们力系数的起重机没有一台失效。在我们研究过的起重机故障中，积载销系统和联锁码头支架，链板和螺丝扣是薄弱环节。事实上，联系系统的强度有时只是起重机结构强度的一小部分。
图1. 2003年与飓风有关的起重机倒塌
起重机配载系统组件
为了确保起重机不受风暴的影响，起重机不能变得不稳定或失控，而且必须设计使安全装置不发生故障。
命名
图2显示了集装箱起重机设计中使用的典型固定组件和命名。
图2.起重机命名法
提升预防系统
在美国东部和墨西哥湾沿岸等飓风易发地区，无镇流装置起重机在飓风设计中不稳定。非飓风易发地区的起重机在风暴中可能会也可能不会稳定，但通常不会有捆绑系统，而是会增加压载物。 对于飓风地区的起重机，由于所需重量的增加，添加压载物是不现实的，这将导致车轮负载过高并且吊起起重机的能量需求增加。 相反，飓风地区的大多数起重机在起重机不运行时使用系固系统来防止拐角隆起。需要适当拧紧扎带以防止龙门轮缘从上面抬起并脱离轨道。如果一个角落升起，门槛梁可能向内侧移动，加倍施加在对面的轨道门架系统上的侧向载荷。
确定角提升力
目前，还没有设计捆绑系统的标准方法，甚至没有计算“所需”抬升力。
风力计算
取决于地理区域，指定的风力代码，例如ASCE 7-02，BS，DIN，FEM或JIS适用。 不管代码如何，下面的等式，以某种形式用于计算每个起重机部件的风力：
F = Cfix A x (qzG)，其中
Cfi=形状系数（s），其中“i”是方向，
A=投影面积在“i”方向
qzG=包括阵风在内的高度为z的速度压力G.
qz= 0.5 x rho;x Vz2
rho;=空气密度
Vz=风速的快慢随着的场地，测量风速的高度，部件的尺寸和现场照射而变化。风速随高度的变化被称为“风廓线”。参见图3。
大多数风标中列出的形状系数并不意味着适用于起重机等结构。确定集装箱起重机风力的正常行业标准是计算单个起重机部件的风力。风力系数来自工程参考或缩尺起重机模型的风洞测试。对每个制造的起重机执行风洞测试，这既不经济也不实际。因此，设计人员必须依赖于2008年10月24日ASCE的许可或版权; 请参阅以往关于类似起重机风洞研究的结果。根据设计力系数计算出的基础反应应该等于或大于风洞试验得到的反应。形状系数应考虑阻力，屏蔽和成角度的风效应。http://www.ascelibrary.org/4
在给定地点适当的最大设计风速是非常不确定的。在世界上许多地方，风力记录站距离太远，可能没有足够的时间记录来准确描绘目标地点的风速。由于风压随速度的平方而变化，所以风速误差的影响被放大。例如，风速的10％误差导致风压的误差为21％。但是，这可能会导致100％或更多的牵引力误！ 作为一个例子，考虑一个起重机“O型架”，它具有静载荷D，同心施加，风载荷F风，施加在高度h，主均衡器间距B，以及联结和相反的主均衡器引脚A，如图3所示。翻转力矩与扶正力矩的比率gamma;为：
.
设“e”为风压的分数误差。 例如，如果实际风速比计算中使用的速度高10％，“e”将为1.21，或速度平方的比例。 图3显示了实际结合力与计算出的结合力之比，如下所示：
当然，这是一个简化的例子，因为它没有考虑到。框架刚度或角风的影响，但它显示了风速中的轻微误差如何放大计算出的垂向上的力。从这种关系，虽然，我们可以看到当倾覆力矩变得比扶正力矩更大，在固定的错误方法的误差在风的压力，”“但是，当倾覆力矩小于两倍的扶正力矩，在风速略有误差将导致在束缚力较大的误差。作为一个例子，如果倾覆力矩大于扶正力矩（gamma;= 1.4）40%，并且风压“e”的误差为21％（V中误差为10％），计算的系紧力误差约为75％。 最近针对飓风地区设计的超级巴拿马型起重机的倾翻比率gamma;分别为1到2.5和2到5，分别为岸侧和海侧。 与海侧相比，滑坡的倾覆比例通常较小，并且处于可能对风速的轻微误差非常敏感的范围内。 因此，我们建议尽可能将岸侧提升力的最小提升力设计为海侧提升力的50％，即使计算的提升力要低得多。
图3.牵制力误差
静载荷的误差也会有类似的影响。 我们建议称量起重机，吊杆和小车，以确定计算出的系紧和压载要求。
对于给定时间段内可能的最大风速，称为“平均重现间隔”，或MRI，用于起重机的设计。 MRI是基于某些气象站最大风速记录的统计分析。 通常，集装箱起重机设计使用50年的MRI。 值得注意的是，对于50年的MRI，设计风速在50年内有64％的可能性，25年内有40％的机会发生，甚至有2％的机会在第一次或任何一年。 因此，起重机很可能会在其使用寿命期间体验到设计风。
由于风是动荡的，随着时间的推移波动，风速的测量取决于风速平均的方法。风速与阵风持续时间之间的关系因不同的暴露而异。以较短的时间间隔平均风速会导致更高的风速。结构对包围结构的最小尺寸的阵风很敏感。结构越大，对阵风的敏感程度越低。对于起重机捆绑带的设计，阵风必须包围整个起重机，大约5到10秒的阵风持续时间是适当的。为了计算施加到诸如机械室或吊臂等起重机部件上的力，1至5秒的阵风持续时间可能更合适。ASCE7-02代码使用“3秒阵风”风速作为“基本风速”的基础，测量距离地面10米。 1995年以前的ASCE规则使用“最快英里”或“平均每小时”风速。由于这些定义基于较长的平均间隔，所以速度较低。然而，这些代码中列出的“阵风”和其他因素的补偿更高。尽管不同的ASCE 7-xx风代码之间的风速差别很大，但不同代码版本之间的飓风区域的计算力不会有很大差异。重要的是不要使用一个负载因子代码与另一个代码的风速。
计算方法
一旦在每个方向上计算风力，必须将力施加到起重机上以计算结构上的总体力并计算角部提起力。 计算提升力的最好方法是使用起重机结构的有限元分析输出与施加的风荷载。 计算的提升应该在最不利的风向上进行。
通常情况下，制造商会使用一个基于起重机支撑几何的简单网格来计算角点反应。该方法忽略了起重机的刚度和边界条件，对龙门行走方向的力不准确，用这种方法计算的上拔力往往明显低于有限元分析得到的力。
载荷组合
必须规定合理的失效安全系数。在起重机结构的强度设计中，对存放位置的结构施加非考虑因素的风荷载。通常允许允许应力比操作条件增加1.4至1.5。如前所述，然而，大多数倒塌通常不是由起重机结构本身的初始故障引起的，而是由固定系统的失效引起的。
如上文所述，在起重机使用期间，最大50年的磁共振风暴风很可能会发生。此外，形状因子是近似的，因此，计算出的风力也是近似的。因此，对于稳定性来说，考虑风荷载是有意义的。风暴风组合负荷系数随控制代码的不同而变化。表1显示了我们建议的风暴条件下的最小组合负荷系数。由于大多数港口不保证连接安全，除非出现飓风，否则就会出现较小的风暴。除飓风风暴风外，还建议使用组合风SC1，以防止非飓风风暴潮期间的不稳定和破坏。即使SC2使用了系结，也可能需要在这种情况下使用镇流器。
从表1的组合中得到的载荷被用来计算在最不利的角度上风作用下的陆面和水边系下的隆起，使用非因素的方法是不合理的。这些构件的风荷载，因为一个非因素的风甚至可能不会产生隆升，这将导致一个设计严重不足的捆绑系统。
ASCE 7-02程序在风暴风中使用1.6的负荷系数，但将风压降低了15%。说明设计风暴以最不利的角度撞击起重机的可能性。ASCE 7程序中的离子采用了1.3个负载因子，对转角风不降低。2002程序的等效系数约为1.6*0.85=1.36。考虑这个负载因子的一种方法是，设计风速为1.6*0.85=1.36。任何角度都会增加1.360.5(17%)，有效地将风从50年的磁共振成像(MRI)提高到200年的磁共振成像(MRI)。美国以外的大多数风编码在风暴风中使用1.2或1.3的载荷系数。在确定合适的载荷组合系数之前，必须考虑规范中设计风的磁共振成像(MRI)。需要进行工程判断。
表注：
1.对于负载组合SC1，建议在20年的MRI风中，起重机保持稳定。对于有转角的风，允许一条腿扬起，但应适当设计配载销，以避免从码头套筒中脱离。
2.用于计算拉力和压载力确定是否没有使用拉链。
3.若称重，可能会增加，需要作出工程判断。
4.ASCE 7-02使用1.6。对于美国以外的大多数代码，我们建议采用1.3负载系数。参见上文对载荷组合的讨论。
锁定强度要求
我们建议，旋转扣的断裂强度应设计为所计算的拉力的2.5倍。使用表1中的负荷组合SC2。如果每个角上有一个以上的负载，这部分地补偿了拉链之间可能存在的不均匀负荷分布。机械、高强度、螺纹构件，它可能以脆性的方式失效，不像起重机的主要构件。根据我们的经验，起重机的结构不是“弱”的。链接“我们建议码头附件的设计与吊车系结部件的装载和安全系数相同。
建议考虑对系接机械部件按计算力的125%进行验证性试验，旋扣不应出现永久变形，试验后螺钉应自由转动。理想情况下，我们希望用系紧装置和码头附件组件进行验证试验，但这是不切实际的。
此外，我们还建议将结构部件设计为允许应力(0.9*F屈服)，其中屈服应力为屈服应力，使用相同的系结力，例如与起重机的眼连接和连接杆的连接。
配销系统
配载销系统抵抗与龙门栏杆平行的受力。如果配载销失效，领带也可能失效，因为拉链的设计只是为了承受上行载荷。这通常会导致失控的起重机，它要么会与相邻的起重机相撞，要么会撞上。最后的保险杠起重机铁路。任何一种情况都可能导致起重机的严重损坏或完全倒塌。
一些制造商通常在主梁或中间平衡梁下安装配载销。将配载销附加到均衡器横梁上会导致撬开，这会增加车轮的负荷。将配载销放置在每条钢轨的一个拐角上也会给起重机带来更多的问题。由于只有一个角的隆起会更容易导致配载销脱离码头套筒，因此我们建议将配载销放置在舷侧和水底梁的中心以下。如图2所示，必须使用配载销梁，但消除了撬拨的缺点，增加了销留在套筒内的可能性。配载销梁也可以设计成包含“检查车的驾驶室”。
没有锁定的起重机通常与锁定的起重机按相同的倾覆情况设计。在这种情况下，会检查起重机的整体稳定性，风吹的方向不是平行的，就是垂直于龙门栏杆的，而不是在最不利的角度上造成的。角部隆起。为确保积载销不会从插座上升起，必须在任何角度的风吹来检查舷侧和水边的角向上。对于易受飓风袭击的地区，则须加以检查如表1所述的情况，应对稳定情况SC1作类似的检查。积载销的设计应保持在插座内，以供这些位移之用。积载销的设计，亦应使其不会在一个转角反复从栏杆上抬起时，从插座中“棘轮”出来。
为了减少所需的压载量，一些设计师将增加“稳定凳子”，即梁底下翼缘与主均衡器梁上法兰之间的块，直接位于外中间均衡器梁销中心线上方，这是有效的。增加杠杆臂以抵抗倾覆。为了防止吊车轨道不均匀和结构在操作过程中发生轻微偏转，通常设置10毫米(0.4英寸)的间隙。稳定性凳子是不过，只有在没有间隙的情况下，才能有效。我们建议在暴风雨来临前增加楔形或垫片，并特别注意设计防拔插座的配载销。
轨道龙门接口
轨道和龙门轮之间的接口抵抗垂直于龙门轨道的力和由于风和恒载而产生的向下载荷。大多数门系统将足够的垂直荷载转移到轨道梁上。但是，必须特别注意将侧向力传递到龙门轨道上。
预计飓风成本与积载系统成本之比
图4.预期飓风成本与配载系统强度之比
起重机的预期寿命费用是初始购买成本、维修费用和修理损失费用的总和。如前所述，在起重机的使用过程中，起重机很可能会经历设计风暴风荷载。如果装载系统没有足够的设计来抵抗这些力，整个起重机就可能丢失。由于飓风造成的预期费用，则是起重机接收损坏时间的可能性函数。图4定性地说明了在积载系统中一笔小的初始费用如何在减少飓风总成本方面获得巨大的回报。
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