风荷载引起的门式起重机脱轨和倒塌外文翻译资料

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工程失效分析 66 (2016) 479–488

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风荷载引起的门式起重机脱轨和倒塌

弗朗西斯科·弗兰多

意大利比萨56122号拉戈卢西奥拉扎里诺比萨大学土木与工业工程系

文章信息 摘要

文章历史y:

接收时间 7 March 2016

以修订形式收到时间 201.4.29

同意发布时间 2016.5.5

在线提供起始日期 2016.5.7

Keywords: 门式起重机脱轨

气流

负载故障

设计误差

1.介绍本文主要分析了某门式起重机的灾难性脱轨事故。在时速110公里左右的大风的持续作用下，吊车开始移动，行驶约60米后脱轨坍塌。幸运的是，这次事件没有造成操作人员受伤。

起重机配有被动式轨夹，其尺寸必须参照标准中给出的非常强的风强度，即停用。通过对起重机和已安装夹具的技术数据进行分析，得出结论：由于在评估风推力时未考虑空气动力系数，因此在确定停用风荷载时误差很小。因此，夹具不符合现行法规，实际上，无法使起重机承受可能发生在工厂安装区域的最大风荷载。

根据起重机的几何结构和风记录进行的分析表明，事故发生时的风荷载实际上超过了夹具的承载能力。基于梁模型，对起重机荷载条件进行平面分析，可以解释起重机在绕一个支腿的垂直轴旋转时倒塌的方式，并估计起重机转向架和钢轨之间交换的荷载，这些荷载导致多个钢轨锚栓断裂。

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本文分析了门式起重机的灾难性故障。如图1和2所示，起重机在强风下开始漂移、脱轨和倒塌，从而导致了故障。在起重机顶部驾驶室的操作员报告书中提到，在强风的作用下，起重机矗立在原地，并且夹着铁轨，在一个给定的时间内，起重机会开始缓慢移动，并且在行驶几十米（大约50-60米）的距离后脱轨。

与起重机相关的安全方面和风险分析被认为是职业和环境的一个重要问题，特别是在建筑行业里[1-5]。然而，据笔者所知，这类起重机因风而漂移的事故在技术文献中还没有记载。由于气候影响，风作用是起重机设计中应考虑的荷载之一，风对起重机结构完整性和稳定性的影响已在几项工作中进行了讨论（见最近的论文[6-9]）。

E-mail地址: francesco.frendo@unipi.it.

http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2016.05.008 1350-6307/copy; 2016爱思唯尔有限公司保留所有权利

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图1.事故后起重机的照片。摆腿仍在行进轨道上，固定的摆腿旋转并部分落在化石地板上（见图2）

图2.事故后固定腿的细节。部分钢轨锚定螺栓断裂，转向架脱轨，部分钢轨位于行驶轨道下方的化石层中

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根据标准，风荷载基于给定的参考速度，这些速度与不同的运行条件有关[10–12]。作为风速V（m/s）的函数，必须通过以下关系来评估以N/m2为单位的动态风压：

P= 0.613V2 （1）

在用风速可达28 m/s（100.8 km/h），相当于约500 N/m2的动态压力（标准中给出的值）。另一方面，非工作风是地面高度的函数，对于高度在20 m到100 m之间的结构物，其风速为42 m/s（151.2 km/h），近似于动态压力1100 N/m2（标准中给出的值）。其中，其标准还说明了如何评估风引起的漂移阻力，并建议使用轨夹或类似的替代措施来防止停止使用的漂移。

2.起重机地貌学及故障描述

起重机是一种古老的建筑，它可以追溯到20世纪40年代，其功能源是化石燃料。图3所示为起重机的示意图：起重机由两个不同长度的支腿和带有提升机构的上部结构组成。行车道间距和起重高度分别约为90m和24m。总高度为33米，上部结构高度约为9米。摆锤和固定腿的腿高分别约为22.5米和17米。每个支腿末端有两个转向架，每个转向架有两个钢轮（直径120厘米），具有双平面，以保持转向架在轨道上（图4）。

在21世纪初，每个转向架都被赋予了一个新的被动式夹轨器（安装在属于摆腿的转向架上的夹轨器如图5所示）。

在被动式夹具中，摩擦垫由一系列碟形垫圈压在钢轨上，在制动过程中，摩擦载荷由一个反作用块（摩擦垫每侧有一个块）抵消，反作用块由3个螺栓固定在夹具外壳上（如图6所示）。为了允许起重机在行驶轨道上运动，使用液压回路克服弹簧预紧力，从而分离夹具（如图6所示）。

图3.示意图：（a）门式起重机的前视图和（b）侧视图

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图4.一个带轮子的转向架（拆卸起重机后拍摄的照片）

对于起重机的检查，特别是事故发生后对夹具的详细检查，会产生以下考虑:

  • 摆腿与行驶轨道上的两个转向架保持在一起（图1），而在另一侧，固定腿在俯视图中逆时针旋转，在钢轨的一些锚定螺栓断裂后脱轨（图2）；因此，起重机的一些结构倒塌；
  • 由于承载垫块的系统断裂（见图7a），或将反应块固定到夹具外壳的螺栓断裂（见图7b），摆腿上安装的夹具的摩擦垫不再处于其工作位置；在化石层中，靠近初始位置发现了一个摩擦垫在起重机漂移之前，另一个起重机仍在夹具下，即使它不能再施加任何制动作用（见图.7b和8）。

图5.两个转向架（摆腿的转向架）的照片，其中可以看到被动夹具。事故发生后，由于极高的接触载荷导致永久变形，两个夹钳的轴线相对于钢轨倾斜，方向相同

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图6。夹轨示意图

3.事故重现

提交人被意大利法院聘为专家顾问，并且事故分析和重现工作分两个不同阶段进行。在第一部分中，将钢轨夹持能力与当前法规的要求和事故发生时的风荷载进行比较，以了解夹持器是否设计正确，并验证实际风荷载是否超过其最大能力。在此之后，分析试图解释起重机倒塌的方式，详情参考图1和2。

3.1夹具设计和事故发生时的风荷载

根据标准[10–12]，作用在起重机各构件上的风荷载F（单位：牛顿）必须通过以下关系式得出:

F = pA C f （2）

式中，p是公式（1）给出的动态风压，A是所考虑单元的有效迎风面积， C f是该部分在风向上的形状系数。该系数取决于元件的几何结构，并在参考表中给出：对于构成起重机结构的平面截面， C f=1.7[9]。通过总结构成起重机的所有部件的载荷值，并考虑屏蔽效应，可以获得起重机上的总风荷载。此外，考虑到起重机的分类（A8级），标准建议使用适用于公式（2）的1.2安全系数。

在为安装夹轨器而编制的技术报告中，假设起重机的动风压为p=1.1kN/m2（相当于42m/s的风），总有效风压为a=350m2。不考虑形状系数，因此，停用条件下的总风荷载估计为462千牛（46.2吨）。每一个选定的夹轨器的最大理论能力为124千牛，总制动能力为496kN（49.6吨）。选择了与上述估计停用条件有关的一小部分利润。此外，未考虑建议的安全系数。还值得注意的是，考虑到衬垫和钢轨之间的理论摩擦系数为0.58，估计出了最大夹紧能力；该值由TUV证实用于新的摩擦垫。

在事故分析重现过程中对有效面积进行的准确评估表明，有效面积被低估；同时考虑到形状系数C f=1.7，失效风荷载等于1100kN（110吨），即相对于为选择轨夹而考虑的估计停用荷载。起重机本应配备夹具或其他防漂移系统，具有更大的能力，但由于计算不准确，这并不能成为力证。

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图7.事故发生后，属于摆腿的轨夹的底视图。由于承载摩擦垫（a）的系统断裂或反应块（b）的螺栓断裂（另见图8），摩擦垫不再就位。

另一方面，尽管选择了夹具，但事故重建必须基于事故发生时的风荷载。实际风荷载是根据两个独立的数据估算的：一个是位于起重机附近的工厂安装的风速计（图9a）提供的记录，另一个是取自南丫岛网站的数据；南丫岛是托斯卡纳地区和意大利国家研究委员会建立的一个公共联合体，在事故区域有气象站（图9b）。事故发生在午夜之后，根据两次记录，当时的平均风速约为90-100公里/小时，阵风速度约为110km/h（见图9b）。对于起重机的漂移来说，平均速度与最大阵风速度非常接近是相关的，这意味着风是强劲的，并且是不间断的。对南丫岛网站上的记录进行的搜索证实，这股风是过去3年中记录的最强风（特别是参考平均风速），这证实了事故发生时的特别关键情况。

通过考虑风向（图9b中代表西南方向）和更新的有效面积（考虑到减少的正面面积和起重机支腿的额外贡献）来评估沿滑动方向的风荷载。

在V=108km/h（30m/s）风速下，利用关系式（1）和（2）得到的总风荷载为431kN，与最大理论夹持力496kN非常接近。同样，可以发现341kN的风荷载对应于96km/h（26.7m/s）的风速。

如果考虑0.5或更低的摩擦系数（而不是0.58的标称值），则很容易表明风荷载超过夹持能力。特别是，如果分别假设摩擦系数为0.5或0.4，则总夹持能力将变为428千牛或342千牛。考虑到摩擦垫的磨损（见图10）以及摩擦垫和钢轨表面的非完美状态，摩擦系数的这些值可能会出现。

先前的分析表明，在事故发生时，风荷载很可能超过最大夹持能力，正确、安全的夹持系统设计肯定会防止这种情况发生。

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图8.失去制动功能（a）的摆腿夹（如图7b所示）之一的底视图。左边的三个螺栓（如图。7b和8a）反应块断裂（b）

3.2起重机荷载分析及故障解释

我们可以合理假设，在开始漂移时，摆腿的夹具失去了摩擦垫

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