港口機械風載荷計算標準的應用

韓振生

大連華銳重工港機設計院

?

港口機械風載荷計算標準的應用

韓振生

大連華銳重工港機設計院

介紹了FEM1.004∶2000第一部分中關于錨固風壓計算方法和中歐標準關于風載荷的對比情況，給出了滿足國內標準和法規的錨固風壓合理計算方法。運用該方法，可避免造成設備過重、非工作載荷過度放大和投資浪費。

基本風速； 平均風； 脈動風； 湍流強度； 等效靜態風壓

1 引言

20世紀90年代后期，交通部頒發文件，要求國內港口設備非工作設計風速為55 m/s。我國南北海岸線長，氣候差異大，不同地區應用相同的風載

荷，以及對如何將文件要求55 m/s的非工作風速應用于設計并和相關標準融合，產生了一些問題，導致載荷過大并增加碼頭和設備成本。本文將FEM與國內標準進行對比分析，給出港口機械非工作錨固風壓的合理計算方法。

2 風速與風壓

風速是指T時間距離內的最大平均風速，其大小與陣風樣本的記錄時間T0有關，當T→0時，V即為瞬時風速。風速主要由長周期風和短周期風2部分組成。起重機的非工作錨固風壓主要考慮10 min時距的平均風和3 s時距的脈動風的影響。FEM和中國《建筑結構載荷規范》GB50009-2012取10 min作為平均風速的時距，《起重機設計規范》(GB3811-2008)取3 s作為平均風速的時距。在起重機非工作工況，10 min時距風速乘1.4可以得到3 s時距風速，換算系數1.4與歐洲標準EN 13001-2∶2004完全相同[1-2]。

3 風速剖面與脈動風

4 風載荷

采用FEM的風載荷表達式：F=A×q×Cf，Cf為風力系數；q為風壓N/m2;A為迎風面積m2。任何標準的風載荷都可以用上述公式表達，公式中只有風壓q是與環境條件有關的。各標準中風載荷函數表達式不同，說明對脈動風影響的風壓考量不同。對主要受力結構，風壓的表達式有2種形式，一種是平均風壓與脈動風壓的疊加；另一種為平均風壓乘以風振系數。FEM1.004∶2000第一部分(以下簡稱FEM1.004)是前一種，《建筑結構載荷規范》和美國ASEC屬于后一種。《起重機設計規范》則只采用脈動風壓[3-4]。

為了比較各標準的不同，先定義如下參數：基本風速Vref，在空曠平坦地區離地10 m高處50年一遇的10 min或3 s時距的年最大平均風速。應用伯努利方程可獲得當地的基本風壓。基本風速或風壓是按實測樣本數據經概率統計得出的，一般可在建筑載荷規范中查找。

4.1 FEM錨固風壓

FEM1.004 第3.2款，對非工作風載荷的計算提供2個依據，位于歐洲A、B、C區域的起重機可按FEM1.001 表T.2.2.4.1.2.2或FEM1.004的附錄2計算；D、E、F、G區域的起重機按FEM1.004的附錄2計算。從FEM1.004插圖F.A.2可以看出， A、B、C區域處于歐洲內陸，因此，港口機械只能根據FEM1.004附錄2計算。這意味著FEM1.001表T.2.2.4.1.2.2不能應用于沿海的港口機械，只能應用于內陸的一般起重機。FEM1.004的附錄2設計風速計算公式如下：

3 s時距風速(gust)與Vref的表達式，K=0.005 5。

Vref化簡后得到下式

對于25年一遇的風，該標準給出Fref=0.946 3；25年以上一遇的風，該標準未給出數據。因此，對25年以上一遇的風，取Fref=1，則：

FEM標準的風載荷高度系數為：

4.2 《起重機設計規范》非工作風載荷

我國《起重機設計規范》規定的非工作計算風速為空曠地區離地10m高處3s時距的平均瞬時風速，相當于FEM中的基本風速采用3s時距的脈動風速，這意味著沒有考慮10min平均風速的影響。其公式為：

PWIII=Cj×Kh×PIII×A

4.3 中歐風載荷對比

各標準之間風載荷的區別特征是脈動風對風壓影響的比例和是否符合湍流強度規律。從表1中可以看出，雖然《起重機設計規范》與FEM1.004非工作風速時距不同，但非工作風壓的初始值(離地10m)的計算值是相同的，等于3s時距的基本風壓。FEM1.004的非工作風壓是在10min平均風速基礎上考慮脈動風的影響的。從本文4.1節中可知其高度系數Kh的前一項考慮10min時距平均風的影響，后一項考慮的是脈動風的動態影響。當z=10m時，風壓是10min時距風壓的1.96倍。從Kh的公式中看出，脈動風在風壓中的影響比例為0.96/1.96=49%，隨著高度的增加，脈動風的比例逐漸降低，說明FEM1.00風壓中關于脈動風的比例與湍流強度規律一致。

《起重機設計規范》的非工作基本風速是時距3s平均風速，它沒有考慮長周期(10min時距)平均風的影響，只考慮脈動風的影響。隨著高度的增加，與湍流強度規律不一致，且公式中也沒有任何修正系數來考慮與湍流規律保持一致。美國載荷規范ASCE7-10的基本風速也采用3s時距的平均風速，但在風載荷(ASCE26.9.1)中對剛性結構有一個0.85的gust-effectfactor來考慮長周期風對風壓的影響。

因此，《起重機設計規范》非工作風壓的計算公式是過于保守的。尤其是對大型港口機械來說，隨著高度的增加，相對放大了非工作風載荷，相比之下FEM1.004比《起重機設計規范》更合理，是首選的設計標準。

表1 風載荷及參數對比

5 FEM與GB3811標準的應用

5.1 交通部55 m/s風速規定的影響

基本風速作為氣象統計參數將取自當地的相關標準或氣象資料。中國《建筑結構載荷規范》中表E5中，湛江市百年一遇的基本風壓為950 Pa，按伯努利方程換算成V(10 min)=39 m/s，乘以1.4得到V(3 s)=54.6 m/s。我們發現55 m/s幾乎是湛江地區百年一遇的離地10 m高出的3 s時距風速。

5.2 主要城市數據對比分析

2 500 t/h級別的抓斗卸船機非工作整機高度約97 m；65 t級3E岸橋非工作臂架重心高度約90 m。討論100 m高的風壓可以預見風壓計算對大型港機的影響。表2是根據中國沿海代表城市的基本風壓還原的2種時距的風速和離地100 m高度的風壓。風壓的數據是根據表1計算得出的。最后一行是使用交通部55 m/s套用GB3811計算出來。最后1列的數據是按GB3811計算出風壓等于1 891 Pa時的計算高度。

將表2第6列的風壓除以第5列風壓，得到一個相同的數據1.234，它說明在離地100 m高度按GB3811計算的風壓是按FEM標準計算風壓值的1.234倍。

如果將交通部的55 m/s風速按基本風速應用于GB3811，離地100 m高度的風壓為3 772.3。它是同列的天津的2.41倍，海口的1.13倍；前列天津風壓的2.98倍，海口的1.4倍。因此，將湛江百年一遇的基本風速應用于全國港口是極不合理的，其結果是導致把在一個相對保守的標準上過度放大。把起重機頂部計算風壓當作起重機全高的風壓是相對保守的、標準和規范接受的全高等壓計算方法。落實交通部規定的合理方法是將55 m/s風速與起重機最高點風速相比較，當頂部風速按規范的計算值小于55 m/s，按55 m/s計算起重機全高的錨固風

表2 基于中國《建筑結構載荷規范》的基本數據及離地100 m高度非工作風壓對比

壓；否則，按規范計算。表2最后1列的前3項數據說明應用于渤海灣、目前最大規格的港口機械可以按55 m/s風速全高等壓方法計算非工作風壓。

4 結語

選擇不同的標準實施起重機的風載荷計算時，設計風速必須采用當地的基本風速。如果招標時沒有當地數據，投標方可以在應用的標準所在地區進行類比推薦。FEM1.004風載荷估算合理，是國內外項目的首選標準。對于國內港口機械來說，滿足國內法規和標準的最合理的計算方法是根據《起重機設計規范》表18注釋a，在中國《建筑結構載荷規范》中選擇基本風壓并換算為3 s時距風速，然后做為非工作基本風速應用《起重機設計規范》；僅當設備最高點風速不大于55 m/s時，55 m/s按全高等壓原則計算風載荷。簡單地將55 m/s風速做為基本風速套用《起重機設計規范》，將造成設備過重、非工作載荷過度放大和投資的巨大浪費。

[1] 起重機設計規范 釋義與應用GB/T3811-2008[S].

[2] 建筑結構載荷規范GB50009-2012[S].

[3] FEM1.004-2000.07.03[S].

[4] 起重機設計規范GB/T3811-2008[S].

韓振生： 116000，大連市西崗區付家莊17號

The Application of Wind Load Calculation Rules in Port Machinery

Han Zhensheng

Dalian Huarui Heavy Industry Co.,Ltd.

This paper introduces the calculation method of storm-wind pressure at the standard，FEM1.004∶2000，section 1 (hereinafter referred to as FEM1.004) and the difference of calculation method between GB standard and FEM, giving the reasonable calculation method which meets the GB standards and administrative regulation. With the method, over-heavy equipment over-amplified non-working load and investment wasting can be avolded.

reference wind speed; average wind; fluctuating wind; turbulence intensity; equivalent static wind pressure

2016-07-07

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.017