岸桥整机海运结构分析方法研究

贾攀攀，黄龙波

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

超大型设备的整机交付，越来越成为设备制造企业的核心竞争力[1]。重大件的整机运输因其风险高、运输工况复杂，历来是特种运输界的一个难题。如何对运输设备进行合理的绑扎、保证运输安全是工程师需要思考的核心问题，也是整机运输的重中之重。

岸桥作为港口机械中的巨无霸，在集装箱港口生产作业中一直起着核心作用。传统的散件发运、用户码头组装的交货方式，费财耗时，严重影响了用户码头的生产经营，产生了巨大的成本，因此在设备制造企业码头进行总装并运用大型船舶进行整机运输越来越成为设备生产企业竞争力的标配[2]。重大件设备的整机海运，极大节省了由于设备采购所占用用户码头的时间，同时也给制造企业节约了成本。因此相比散件发运，整机发运最大的难点是运输和装卸的安全问题。上海振华重工经过多年的探索和实践，在保证岸桥整机海运的安全方面，进行了大胆的创新，并积累了丰富的经验，保证了运输项目的安全。

本文系统阐述了重大件海运结构分析的思路和方法。对利用有限元方法分析指导岸桥整体结构加强、海运绑扎等安全措施进行了探索和研究，并对进一步提高海运仿真分析准确性和有效性进行了展望。

1 配载

1.1 空间与成本

大型运输船装载岸桥，首先要进行船舶的配载。针对特定项目，能否装载、最多能装载多少货物是关系到运输计划、成本的首要问题。岸桥的船运配载由于其自身尺寸、结构等特点，有着特定的装载方法，主要有以下几点。

1）岸桥的轨距与船宽的关系。原则上船体宽度必须大于岸桥轨距，且留有横向绑扎撑杆的空间，以便两侧大车结构均能被甲板支撑。但随着航运事业的发展，超大型船舶的出现倒逼着岸桥也要大型化[3]（如3EPLUS岸桥），轨距的增大就不可避免，而考虑到运输成本，岸桥运输船舶不可能随意的增大，这就要求工程上寻求船宽小于轨距的运输方法。现在，工程上常用的方法是通过设计岸桥的运输假腿来“缩小”轨距，见图1。

图1 大轨距岸桥运输方式Fig.1 Transportation mode of large gauge crane

2）船甲板有效长度与岸桥基距方向的最大长度（含绑扎撑杆位置与安全距离）的比值。船甲板有效长度是指在保证相同船宽的前提下，船舶纵向的有效长度，部分运输船在艏艉船宽方向尺寸有缩小，缩小部分的甲板纵向长度，不能计入甲板有效长度。

3）船体结构对装载的货物的影响。比如艏艉的克令吊等设备是否影响货物装载等问题。

1.2 配载方式

岸桥的配载方式有横装和纵装两种。如何选择，需综合考虑船舶类别、岸桥码头布置情况等因素。因成本、运输船等原因，目前使用最广泛的是横装方式，见图2。

图2 横装4台岸桥的运输船Fig.2 Transport ship of lateral loading 4 cranes

1.3 船舶稳性

由于岸桥重量重、重心高，配载完成后必须使用船舶装载仪对船舶装载的完整稳性、气象衡准和总纵强度等进行校准，满足相关规范要求[5]。

2 环境荷载

船舶航行过程中的主要环境影响因素是波浪和风，本文分析环境载荷时仅考虑这两项。

2.1 环境参数选取

环境工况的参数选取与航线、航行时间息息相关。需从风浪数据库中提取特定航次的环境参数，如有义波高、最大风速等。然后，根据选取的参数计算其设计值。

2.2 载荷形式的转化

船舶波浪载荷运动响应的计算采用耐波性计算软件进行。主要输入参数包括：有义波高、周期、波浪谱、船体模型、货物重量重心转动惯量等参数，输出船舶装载货物后的横摇、纵摇、升沉三个自由度的加速度方程，为结构计算提供加速度形式的波浪荷载。

风载的大小由风压、迎风面积、作用高度、形状系数等决定。因计算模型各部件多采用梁单元构建，所以风载荷的计算一般采用手算的方式进行。

3 结构模型构建要点

岸桥结构复杂多变，壳单元和实体单元建模都会耗费大量的建模和计算时间，是结构仿真人员难以承受的，如何快速的简化建模是首先要考虑的。根据岸桥的结构特点，多细长的箱梁结构和杆件，可以考虑将整体结构离散成梁单元进行模型的构建[6]。

3.1 梁单元的简化

箱梁结构简化成梁单元的重点在截面。由于角钢、T形钢等筋的分布不同，且岸桥结构箱梁结构众多，为截面的生成造成了很大的困难。参数化、程序化截面的生成文件就显得尤为重要。将箱梁截面进行参数化处理，并形成规则的命令文件形式，成功地解决了该难题，提高了建模效率。其中，需要特别指出的是在建立变截面时，两端截面在划分网格时需要相同的拓扑结构。

3.2 模型整体的参数化

根据岸桥结构的特征，将主要结构参数化，可大幅提高后续不同项目岸桥的建模速度。轨距、基距、各构件坐标位置、基本尺寸等是参数化的主要研究对象。构建过程中需首先抽象出岸桥结构的特征参数，然后建立它们之间的内在联系[7]，见图3。

图3 岸桥整体模型Fig.3 Integral model of crane

3.3 特殊构件的模拟

岸桥主结构中除了箱梁结构外，还有电缆卷盘、机器房等无法或者没必要建模的结构组件，然而，在计算时，它们的质量是不可忽略的，这就要求运用质量单元，对其进行简化并构建到模型中。另外，岸桥中拉杆单元为非受压单元，只能承担轴向的拉力，需在软件单元库中选取只受拉的杆单元进行模拟。

3.4 铰点的处理

铰点可以通过释放自由度或者节点耦合的方式模拟。

3.5 密度赋值

不同的结构模块需指定不同的密度属性。密度值的确定采用施加重力加速度后，根据支反力值反馈的方式得到并修正。

4 海绑

海绑主要包括3种类型。1）因岸桥自身结构刚度不够，局部变形过大，导致结构屈服或者失稳而采取的绑扎措施；2）岸桥与甲板的绑扎固定；3）岸桥上活动构件的绑扎或加强[8]。

4.1 岸桥自身结构的海绑加强

该类海绑的主要目的是增加岸桥整机的刚度。采取的措施切入点为从减小岸桥结构变形上入手，一般使用绑扎形式为拉索。如岸桥联系横梁与船舶甲板面的拉索绑扎、海陆侧门框对角线的拉索绑扎、前大梁与上横梁间的拉索绑扎等[9]，见图4。

图4 门框绑扎形式Fig.4 Binding form of frame cable

4.2 岸桥与甲板面的海绑

该类海绑主要目的是将岸桥作为一个整体固定在船舶上，并与之连接为一个整体。主要绑扎形式有横向、纵向撑杆，固定吊具或吊具上架的钢丝绳绑扎等，见图5。

图5 岸桥甲板海绑典型方式Fig.5 Typical way of crane's sea fasting on deck

4.3 岸桥上部活动构件的绑扎

该类构件包括：主小车、托架小车、铰点、维修行车、拉杆等。绑扎件设计参数的确定方法有：1）根据加速度、质量，单独对构件进行受力分析；2）提取仿真模拟的计算结果，为绑扎设计提供参数，进而设计绑扎件和绑扎方式。

5 约束与加载

5.1 约束

由于撑杆绑扎是在结构受重力作用基础上的，因此计算时需将重力荷载和波浪引起的加速度荷载、风荷载分别施加到计算模型，计算出各自的应力响应。然后，再利用后处理将应力结果进行矢量叠加。施加重力荷载时，只需在岸桥大车轮与轨道接触位置施加垂向支撑；施加波浪加速度荷载和风荷载时，撑杆底端和大车轮处均需施加约束。

5.2 加速度的分解

耐波性计算软件给出的计算结果，一般包括常量部分和随高度变化的部分。在加载时，需对其进行转换，常量部分转化成线加速度，随高度变化部分转化成角加速度。转换时需注意单位的统一。

5.3 风载荷的施加

风载荷与风速、受风面积等有关，由于岸桥的不规则性，完全还原风载荷作用不太现实，本方法采用简化近似的方法施加风载，根据岸桥总的受风面积，计算出风载荷总值，然后在岸桥模型节点上均布施加。

6 结果分析

对计算结果的解读主要从以下几个方面。

6.1 最大应力

结构的最大应力必须小于相关规范或者经验给出的安全系数下结构材料的许用应力要求。如果不满足要求，则需要进行加强、重新设计等。

6.2 构件的相对位移

海运中个别构件的相对位移，也是需要重点考虑的对象。位移相对位置的变化，可能引起部件的干涉，失效。

6.3 易失稳构件的稳定性计算

针对结构中的细长杆件（如绑扎圆管等），还需进行压杆稳定性校核。在后处理中提取相关单元的端部力和力矩，然后利用材料力学公式进行计算。

6.4 节点力的提取与应用

自特定节点、单元提取的端点力，作为岸桥相关活动构件海绑结构的设计参数。

7 实际工程应用

7.1 项目概述

某集装箱码头2台岸桥拟搬迁到另外一个码头，运输时间段海况最大有义波高4．0 m，设计风速13 m/s，岸桥重量、重心、受风面积等参数已知，通过计算，指导结构加强、海运绑扎，保证运输安全。

7.2 载荷定义

这里考虑的基本载荷包括3类：重力、波浪力、风载。其中波浪力载荷的3个分量是横摇加速度、纵摇加速度、升沉加速度。

7.3 海运加速度计算（波浪作用）

从波浪数据库中取出运输航线在实际运输时间段的最大浪高值，然后结合岸桥整机运输装载情况，利用装载仪、耐波性计算等相关软件，得出运输船航行过程中岸桥的海运加速度方程，见表1。

表1 加速度数据Table 1 Acceleration data

7.4 风载荷

风载荷采用估算方法计算，在节点上均布施加。设计风速v=13 m/s，风压计算经验公式v2/1 600，单位kN/m2，迎风系数取1．1，根据设计资料得到迎风面积：平行大车方向为-1 160 m2、垂直大车方向为-1 020 m2。根据上述数据，估算风载荷为：平行大车方向为135 kN；垂直大车方向为119 kN。

7.5 工况设计

该项目共设计6种工况，见表2。

7.6 计算结果

各工况应力汇总见表3。

根据计算文件，最大应力工况为浪向90°时的工况2，最大应力257．9 MPa，在许用应力范围内，见图6。

产品和海绑件细长结构的压杆稳定性校核也是海运结构分析的重要内容之一。提取梁单元轴向压力和截面两个方向的弯矩，根据相关计算公式进行压杆稳定校核。

表2 工况列表Table 2 List of working conditions

表3 各工况计算结果Table 3 Calculation results of each working condition

图6 最大应力工况Fig.6 Maximum stress condition

8 结语与展望

重大件远洋运输与安装由于其高风险、高回报，未来随着海洋开发列为国家战略新兴产业的持续推进，必将赋予其新的内容，对工程师的挑战也会越来越大。保证运输与安装的安全是面临的第一要务，以科技的发展所赋予的新的强有力的工具来最大限度地降低风险，提高工程设计的可靠性。有限元辅助仿真技术即为其中之一，近年来随着其在海运工程领域应用的逐渐增多，越来越成为一种得力的工具，有效的增加了工程设计的可靠性、提高了效率、优化了海绑设计、降低了绑扎成本。该计算体系在众多海运工程项目计算中得到了广泛应用和验证，满足了现有工程项目的设计、施工需要。结合船体、货物、绑扎件等综合建模，将波浪载荷直接施加在船体上进行有限元分析，可以作为提高仿真真实性、准确性的研究方向。