岸邊集裝箱起重機門框斜撐形式對比研究

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著集裝箱船舶大型化，特別是3E級集裝箱船舶的出現，岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）整體尺寸越來越大，如起升高度達到48 m以上，前伸距達到68 m以上，整機質量也超過1 500 t。同時隨著集裝箱碼頭自動化越來越普及，對吊具對箱的精度更加苛刻，隨之而來的是對鋼結構自身剛度的要求越來越高，特別是岸橋擺動幅度的控制，在設計階段就要嚴格把控。目前一般需要控制上下門框中心距在±50 mm范圍內，即上小車和下小車中心距要控制在左右不超過50 mm的誤差，這樣才能確保對箱。這就要求對岸橋結構總質量和整體剛度要嚴格控制，而門框斜撐形式成為優化設計的焦點。不同門框撐桿形式質量相差比較大，最大相差超過50 t/臺。

岸橋門框一般有兩種設計形式，即一字撐形式和V字撐形式，均采用圓形鋼管。一字撐形式一般采用1.2 m圓管，V字撐形式一般是1.2 m圓管和0.8 m圓管的組合形式，如圖1和圖2所示。隨著岸橋大型化，碼頭用戶希望門框斜撐剛度大一些，視覺上用V字撐更強一些，但從鋼結構質量控制方面一字撐形式更有優勢。總的來說，無論門框斜撐采用哪種形式，門框斜撐一方面滿足大、小車運行方向強度要求，另一方面是提高司機舒適度即動剛度必不可少的結構布置。目前幾種門框撐桿形式對剛度的影響沒有系統的研究，兩種門框斜撐設計要點也沒有總結。一般以感官上作為剛度評價標準，缺乏準確的科學的評價。

圖1 門框斜撐 一字撐形式

圖2 門框斜撐 V字撐形式

本文將通過兩種形式門框斜撐質量相等的前提下剛度的對比分析，直觀地了解兩種撐桿形式在剛度方面的差別。在此基礎上總結V字撐形式的設計要點和提高岸橋鋼結構自振頻率的方法，使岸橋鋼結構在V字撐形式發揮最大的剛度效果。最后通過優化一字撐形式達到經濟性和實用性雙豐收的目的。

1 對比岸橋基本參數及模型處理

本文以裝卸超巴拿馬型集裝箱船舶的岸橋為例，基本參數為：吊具安全起升載荷單箱50 t、雙箱65 t，前伸距65 m、后伸距20 m，軌距 35 m，門框下凈高15 m，起升高度43+20 m。

2 兩種形式門框斜撐剛度對比

2.1 模型處理

為了便于對比計算，模型處理時將忽略門框斜撐端部彎矩及兩種斜撐形式對整機重心高度的影響，具體模型處理為：

1）門框斜撐為圓管且長度與直徑比大于25（L/D＞25），可以認為門框斜撐為桿結構。模型中用Link 8單元模擬斜撐，此單元只能承受軸向壓力或拉力。

2）考慮到門框斜撐質量35～50 t，占整機質量約3%，此質量對整機剛度影響很小，可以將門框斜撐密度設為零，忽略兩種形式重心高度不同導致的頻率不同；

3）對于V字撐岸橋將管子交點交在聯系梁中心，忽略此處的偏心。

2.2 剛度對比分析

門框大斜撐在滿足強度的前提下，主要用于提高司機的舒適度。一般情況下，用戶對于岸橋在小車運行方向有不小于0.65 Hz自振頻率的動剛度要求。

將以小車運行方向剛度作為研究目標，在考慮經濟性的前提下設置一字撐和V字撐，以V字撐的質量為基礎（V字撐管結構總質量約55 t，一字撐結構總質量約35 t），保持聯系橫梁高度不變的前提下，反推一字撐的截面，使兩種形式的門框斜撐質量相等，質量等效后，一字撐的截面用1.5 m圓管（原為1.2 m圓管）。并在小車前伸距位置沿小車運行方向加載50 kN的力，考察圖3中A點和圖4中B點變形情況和聯系橫梁彎矩分布情況。聯系橫梁彎矩圖分布圖如圖5、圖6所示。剛度計算結果如表1所示。

圖3 一字撐形式

圖4 V字撐形式

圖5 一字撐形式聯系梁彎矩圖

圖6 V字撐形式聯系梁彎矩圖

表1 兩種形式門框斜撐剛度對比結果

由此可知，無論是V字撐還是一字撐岸橋，聯系梁的反彎點均在聯系梁中間，即斜撐形式沒有改變聯系橫梁反彎點位置；A點和B點水平位移和轉角位移一字撐比V字撐大約3%，兩種形式剛度相當，即一字撐形式質量相等的情況下與V字撐形式效果相當。

3 V字撐形式門框斜撐設計要點

V字撐形式雖然與一字撐形式在質量相等的情況下剛度對比相當，很多情況下碼頭用戶還是更偏向V字撐形式，下文主要總結V字撐形式的設計要點和V字撐形式下如何提高岸橋自振頻率的方法，使岸橋鋼結構在V字撐形式發揮最好的效果。

3.1 V字撐形式中間水平撐位置影響

通過簡化立柱與斜撐的連接形式，形成簡化力學模型，如圖7所示。

圖7 單根立柱簡化力學模型

用位移法算出

上述是力學推導結果，從手算結果看，中間水平撐桿布置在距離上水平撐桿2/3的位置，圖4中B點轉角位移最小。有限元計算進一步進行了論證，通過不斷調整中間水平撐桿的位置計算圖4中B點的轉角位移，繪制變化關系如圖8所示。

圖8 水平撐位置影響

由計算結果可以看出，距離聯系梁7 m左右立柱下端轉角θ最小，與上述理論推導接近，即V字撐形式中間水平撐桿布置在距離上水平管與聯系梁中心總高度的2/3位置結構剛度將發揮最大的效能。

3.2 V字撐形式聯系橫梁高度影響

聯系橫梁高度對剛度影響非常大，特別是對小車運行方向剛度的影響。下文在保證聯系梁下的凈空不變（碼頭有通過性的要求，一般都會提出聯系橫梁下凈空高度的要求）的前提下加高聯系橫梁，研究聯系橫梁高度的影響，分析結果如圖9所示。可知聯系梁越高，B處位移越小，即聯系梁高度越高越好，但要考慮經濟性和實用性，一般聯系橫梁高度不超過3 m。

圖9 聯系橫梁高度影響

3.3 V字撐形式中間水平撐桿與聯系橫梁之間加強的影響

有些跨度比較大的項目比如大車軌距大于45 m的情況，用戶會要求在中間水平撐桿與聯系橫梁之間進一步加強，考慮加強聯系梁和中間水平撐桿之間剛度。即在聯系梁與中間撐桿之間用桁架形式連接，原結構V字撐形式用直徑為0.8 m的圓管，桁架形式用直徑為0.609 m的圓管，具體加強形式如圖10所示。

圖10 V字撐形式中間水平撐桿與聯合橫梁之間結構加強

為了研究此情況對剛度的影響，在V字撐形式模型上修改，并在小車前伸距位置沿小車運行方向加載50 kN的力，考察圖4中B點變形情況。剛度計算結果如表2所示。

表2 V字撐形式下層結構加強剛度計算結果

對比表1和表2可知，中間水平撐桿與聯合橫梁之間結構加強與傳統V字撐形式剛度相當，即這種加強方式對剛度影響不大。

4 一字撐形式門框斜撐優化

4.1 一字撐形式優化方式

以一字撐形式為優化對象，從一字撐岸橋和V字撐岸橋的質量相等和頻率相等兩種情況分別進行優化。質量相等是指V字撐形式比一字撐重的質量用于加高一字撐聯系橫梁高度（保持一字撐圓管直徑1.2 m和門框凈空不變）；頻率相等是指以V字撐岸橋小車方向自振頻率為目標，通過調整一字撐聯系梁梁高，達到與V字撐岸橋小車方向自振頻率相同。

4.2 一字撐形式優化后結果

通過一字撐形式模型修改和計算，結果如表3所示。

表3 質量和頻率相等優化結構表

由此可知，一字撐形式通過優化具有比V字撐形式更大的優勢，無論是質量方面還是剛度方面，工程上選用更有價值。

5 結語

對于一字撐形式岸橋，可以加高聯系梁高度來提高岸橋在小車運行方向的自振頻率可以獲得更好的經濟性。

對于V字撐形式岸橋可以通過下面兩種辦法提高岸橋的剛度:首先合理布置中間水平撐的位置，中間水平撐盡可能地布置在距離上水平撐和聯系橫梁中心總高度的2/3處；其次適當加高聯系梁的高度。

建議優先采用一字撐形式，相比V字撐岸橋具有更好的經濟性和實用性，要取得V字撐岸橋相同的頻率，僅需在V字撐岸橋聯系橫梁梁高原有基礎上加高150～250 mm。

通過本文的研究，給出了兩種岸橋斜撐形式對結構剛度的影響，及各自的設計要點和工程選用建議，可為實際工程應用提供參考。