岸边集装箱起重机门框斜撑形式对比研究

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

随着集装箱船舶大型化，特别是3E级集装箱船舶的出现，岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）整体尺寸越来越大，如起升高度达到48 m以上，前伸距达到68 m以上，整机质量也超过1 500 t。同时随着集装箱码头自动化越来越普及，对吊具对箱的精度更加苛刻，随之而来的是对钢结构自身刚度的要求越来越高，特别是岸桥摆动幅度的控制，在设计阶段就要严格把控。目前一般需要控制上下门框中心距在±50 mm范围内，即上小车和下小车中心距要控制在左右不超过50 mm的误差，这样才能确保对箱。这就要求对岸桥结构总质量和整体刚度要严格控制，而门框斜撑形式成为优化设计的焦点。不同门框撑杆形式质量相差比较大，最大相差超过50 t/台。

岸桥门框一般有两种设计形式，即一字撑形式和V字撑形式，均采用圆形钢管。一字撑形式一般采用1.2 m圆管，V字撑形式一般是1.2 m圆管和0.8 m圆管的组合形式，如图1和图2所示。随着岸桥大型化，码头用户希望门框斜撑刚度大一些，视觉上用V字撑更强一些，但从钢结构质量控制方面一字撑形式更有优势。总的来说，无论门框斜撑采用哪种形式，门框斜撑一方面满足大、小车运行方向强度要求，另一方面是提高司机舒适度即动刚度必不可少的结构布置。目前几种门框撑杆形式对刚度的影响没有系统的研究，两种门框斜撑设计要点也没有总结。一般以感官上作为刚度评价标准，缺乏准确的科学的评价。

图1 门框斜撑 一字撑形式

图2 门框斜撑 V字撑形式

本文将通过两种形式门框斜撑质量相等的前提下刚度的对比分析，直观地了解两种撑杆形式在刚度方面的差别。在此基础上总结V字撑形式的设计要点和提高岸桥钢结构自振频率的方法，使岸桥钢结构在V字撑形式发挥最大的刚度效果。最后通过优化一字撑形式达到经济性和实用性双丰收的目的。

1 对比岸桥基本参数及模型处理

本文以装卸超巴拿马型集装箱船舶的岸桥为例，基本参数为：吊具安全起升载荷单箱50 t、双箱65 t，前伸距65 m、后伸距20 m，轨距 35 m，门框下净高15 m，起升高度43+20 m。

2 两种形式门框斜撑刚度对比

2.1 模型处理

为了便于对比计算，模型处理时将忽略门框斜撑端部弯矩及两种斜撑形式对整机重心高度的影响，具体模型处理为：

1）门框斜撑为圆管且长度与直径比大于25（L/D＞25），可以认为门框斜撑为杆结构。模型中用Link 8单元模拟斜撑，此单元只能承受轴向压力或拉力。

2）考虑到门框斜撑质量35～50 t，占整机质量约3%，此质量对整机刚度影响很小，可以将门框斜撑密度设为零，忽略两种形式重心高度不同导致的频率不同；

3）对于V字撑岸桥将管子交点交在联系梁中心，忽略此处的偏心。

2.2 刚度对比分析

门框大斜撑在满足强度的前提下，主要用于提高司机的舒适度。一般情况下，用户对于岸桥在小车运行方向有不小于0.65 Hz自振频率的动刚度要求。

将以小车运行方向刚度作为研究目标，在考虑经济性的前提下设置一字撑和V字撑，以V字撑的质量为基础（V字撑管结构总质量约55 t，一字撑结构总质量约35 t），保持联系横梁高度不变的前提下，反推一字撑的截面，使两种形式的门框斜撑质量相等，质量等效后，一字撑的截面用1.5 m圆管（原为1.2 m圆管）。并在小车前伸距位置沿小车运行方向加载50 kN的力，考察图3中A点和图4中B点变形情况和联系横梁弯矩分布情况。联系横梁弯矩图分布图如图5、图6所示。刚度计算结果如表1所示。

图3 一字撑形式

图4 V字撑形式

图5 一字撑形式联系梁弯矩图

图6 V字撑形式联系梁弯矩图

表1 两种形式门框斜撑刚度对比结果

由此可知，无论是V字撑还是一字撑岸桥，联系梁的反弯点均在联系梁中间，即斜撑形式没有改变联系横梁反弯点位置；A点和B点水平位移和转角位移一字撑比V字撑大约3%，两种形式刚度相当，即一字撑形式质量相等的情况下与V字撑形式效果相当。

3 V字撑形式门框斜撑设计要点

V字撑形式虽然与一字撑形式在质量相等的情况下刚度对比相当，很多情况下码头用户还是更偏向V字撑形式，下文主要总结V字撑形式的设计要点和V字撑形式下如何提高岸桥自振频率的方法，使岸桥钢结构在V字撑形式发挥最好的效果。

3.1 V字撑形式中间水平撑位置影响

通过简化立柱与斜撑的连接形式，形成简化力学模型，如图7所示。

图7 单根立柱简化力学模型

用位移法算出

上述是力学推导结果，从手算结果看，中间水平撑杆布置在距离上水平撑杆2/3的位置，图4中B点转角位移最小。有限元计算进一步进行了论证，通过不断调整中间水平撑杆的位置计算图4中B点的转角位移，绘制变化关系如图8所示。

图8 水平撑位置影响

由计算结果可以看出，距离联系梁7 m左右立柱下端转角θ最小，与上述理论推导接近，即V字撑形式中间水平撑杆布置在距离上水平管与联系梁中心总高度的2/3位置结构刚度将发挥最大的效能。

3.2 V字撑形式联系横梁高度影响

联系横梁高度对刚度影响非常大，特别是对小车运行方向刚度的影响。下文在保证联系梁下的净空不变（码头有通过性的要求，一般都会提出联系横梁下净空高度的要求）的前提下加高联系横梁，研究联系横梁高度的影响，分析结果如图9所示。可知联系梁越高，B处位移越小，即联系梁高度越高越好，但要考虑经济性和实用性，一般联系横梁高度不超过3 m。

图9 联系横梁高度影响

3.3 V字撑形式中间水平撑杆与联系横梁之间加强的影响

有些跨度比较大的项目比如大车轨距大于45 m的情况，用户会要求在中间水平撑杆与联系横梁之间进一步加强，考虑加强联系梁和中间水平撑杆之间刚度。即在联系梁与中间撑杆之间用桁架形式连接，原结构V字撑形式用直径为0.8 m的圆管，桁架形式用直径为0.609 m的圆管，具体加强形式如图10所示。

图10 V字撑形式中间水平撑杆与联合横梁之间结构加强

为了研究此情况对刚度的影响，在V字撑形式模型上修改，并在小车前伸距位置沿小车运行方向加载50 kN的力，考察图4中B点变形情况。刚度计算结果如表2所示。

表2 V字撑形式下层结构加强刚度计算结果

对比表1和表2可知，中间水平撑杆与联合横梁之间结构加强与传统V字撑形式刚度相当，即这种加强方式对刚度影响不大。

4 一字撑形式门框斜撑优化

4.1 一字撑形式优化方式

以一字撑形式为优化对象，从一字撑岸桥和V字撑岸桥的质量相等和频率相等两种情况分别进行优化。质量相等是指V字撑形式比一字撑重的质量用于加高一字撑联系横梁高度（保持一字撑圆管直径1.2 m和门框净空不变）；频率相等是指以V字撑岸桥小车方向自振频率为目标，通过调整一字撑联系梁梁高，达到与V字撑岸桥小车方向自振频率相同。

4.2 一字撑形式优化后结果

通过一字撑形式模型修改和计算，结果如表3所示。

表3 质量和频率相等优化结构表

由此可知，一字撑形式通过优化具有比V字撑形式更大的优势，无论是质量方面还是刚度方面，工程上选用更有价值。

5 结语

对于一字撑形式岸桥，可以加高联系梁高度来提高岸桥在小车运行方向的自振频率可以获得更好的经济性。

对于V字撑形式岸桥可以通过下面两种办法提高岸桥的刚度:首先合理布置中间水平撑的位置，中间水平撑尽可能地布置在距离上水平撑和联系横梁中心总高度的2/3处；其次适当加高联系梁的高度。

建议优先采用一字撑形式，相比V字撑岸桥具有更好的经济性和实用性，要取得V字撑岸桥相同的频率，仅需在V字撑岸桥联系横梁梁高原有基础上加高150～250 mm。

通过本文的研究，给出了两种岸桥斜撑形式对结构刚度的影响，及各自的设计要点和工程选用建议，可为实际工程应用提供参考。