1、58/2023 年第 12 期岸边集装箱起重机侧向载荷下的轮压计算方法孙亚平 林伟华 王克海 曾 鹏上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125摘 要：文中在对比 FEA 有限元轮压和传统算法轮压的基础上，分析了两者的相同点和不同点，指出侧向载荷下的扭转是导致两者差异的原因。以结构门框横梁为切入点，分析了结构内力对轮压的作用，将门框扭转分解为左右侧、海陆侧力偶和集中力矩，将总轮压分解为倾覆力矩轮压与扭转轮压之和，提出了轮压传递系数的概念，从而得到了一种扭转轮压算法模型。另外，结合 FEA 获得门框不同受力条件下的轮压传递系数，经验证该算法模型与 FEA 结果符合较好。关键词：岸边集装箱
2、起重机；轮压；载荷；扭转；刚度；模型中图分类号：U653.921 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）12-0058-06Abstract:In this paper,on the basis of comparing FEA finite element wheel pressure calculation with traditional wheel pressure algorithm,the similarities and differences between them are discussed,and it is pointed out that torsi
3、on under lateral load is the reason for the difference between the two calculation methods.Taking the beam of structural door frame as the starting point,the influence of structural internal force on wheel pressure was analyzed.The torsion of door frame was decomposed into left and right side,sea an
4、d land side couple and concentrated moment,and the total wheel pressure was decomposed into the overturning moment wheel pressure and torsional wheel pressure.The wheel pressure transfer coefficient was put forward,and an algorithm model of torsional wheel pressure was built.In addition,combined wit
5、h FEA,the wheel pressure transfer coefficient of door frame under different stress conditions was obtained,and it is verified that the algorithm model is in good agreement with FEA.Keywords:quayside container crane;wheel pressure;load;twist;stiffness;model0 引言岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）是广泛应用于码头前沿、船和码头之间的集装箱装卸设
6、备。岸桥的轮压情况影响着总体布置，是总体计算中的首要内容。在码头建成后，许用轮压是确定的，随着岸桥设备参数的大型化，部分码头轮压逐渐达到传统设计极限。传统轮压算法与有限元分析（Finiter Element Analysis，FEA）直接计算轮压相比，在受侧向载荷时具有显著差异，在主梁放平时的传统轮压结果偏大。因此，优化传统轮压计算方法成为降低计算轮压的重要途径，而 FEA轮压计算通常需要建模后才能进行，在方案阶段难以快速计算。本文介绍了一种基于门框受力分析和门框扭转的轮压计算模型，并引入轮压传递系数概念与传统算法结合，可实现轮压快速、简化计算。1 轮压问题传统算法是把总的侧向力载荷，根据中心
7、位置和杠杆原理分配至海陆侧门框顶部，再计算得到轮压。当侧向力偏向海侧时，有海侧轮压大于陆侧。如图 1 所示，FEA 轮压是有限元得到的直接支反力，侧向载荷是指载荷沿 X 向的载荷。A、B、C、D 为 4 条门腿的位置，以门腿所受压力表示位置大车行走机构所有轮压之和（以下称腿压）。在图 1 中，X 为大车运行方向（侧向），Z 为海陆侧方向。DL为固定载荷，TL为小车，LS为吊具，LL为额载，LATG 为大车惯性力，WLO(-X)为沿-X 方向的风载荷，孙亚平，林伟华，王克海，等.岸边集装箱起重机侧向载荷下的轮压计算方法J.起重运输机械，2023（12）：58-63.引 用 格 式DESIGN C
8、ALCULATION设计计算592023 年第 12 期/DESIGN CALCULATION设计计算WLO(+Z)为沿+Z 方向的风载荷。在相同条件下，对比某岸桥传统算法与FEA计算的结果，得出表1所示结果，其中以正轮压表示压，负轮压表示拉。图 1 门腿位置示意图由表 1 可知，当垂直力（自重、活动载荷）作用、水平力沿小车方向时，2 种算法的轮压一致性较好；当侧向力作用、主梁放平时，FEA 的结果是陆侧轮压大于海测，而传统计算结果是陆侧小于海测，最大轮压位置的轮压要小于传统方法轮压；随着主梁仰起角度的增大，两者轮压均趋于一致。主梁仰起 80 时，因扭转效应减小而一致性相对较好。载荷组合算法腿
9、压/t最大位置偏差/%ABCDDL+TL+LS+LL主梁水平FEA594.1607.8183.4148.0-1.12传统601.0601.0165.8165.8WLO(+Z)主梁水平FEA24.424.6-24.7-24.73.24传统25.525.5-25.5-25.5WLO(-X)主梁水平FEA44.9-44.9-80.9 80.9-75.70传统106.1-106.1-19.7 19.7 WLO(-X)主梁 45FEA75.0-75.0-77.8 77.8-45.95传统110.7-110.7-42.1 42.1 WLO(-X)主梁 80FEA88.7-88.7-71.5 71.5 3.
10、25传统91.6-91.6-68.6-1.6表 1 岸桥腿压传统算法与 FEA 计算对比结果2 受力分析2.1 典型岸桥本文以双箱梁岸桥为例进行分析，该岸桥主要由陆侧下横梁、陆侧立柱、陆侧上横梁、前主梁、外侧前拉杆、内侧前拉杆、海侧梯形架拉杆、后主梁门框中间段、后拉杆、后拉杆支撑架、机器房、后主梁后段、海侧梯形架横梁、海侧梯形架腿、海侧上横梁、海侧立柱、海侧下横梁、顶面八字撑、门框横梁、门框撑杆等组成，其结构示意图如图 2 所示。在图 2 中，外侧前拉杆、内侧前拉杆、后拉杆、后拉杆支撑架与箱体结构采用节点板铰接，海侧梯形架拉杆、门框撑杆与箱体结构采用节点板焊接，前主梁与后主梁门框中间段采用双铰
11、点结构，上铰点采用间隙点板铰接结构，陆侧上横梁、海侧上横梁与后主梁门框中间段之间为焊接刚性联结。2.2 门框扭转将双箱梁岸桥结构分为上下 2 部分，图 3a 为自身基本对称的门框结构，侧向载荷下不产生扭转，图 3b为上部结构，在侧向载荷下是扭转的主要来源。门框海陆侧为矩形钢架，左右侧为桁架结构。整机侧向载荷 F 产生的整机扭矩为 T（见图 4a），海、陆侧门框结构作用力 F1、F2产生的扭矩为 T1（见图 4b），左右侧门框作用力 F3产生的扭矩为 T2（见图 4c），后主梁对上横梁的扭矩为 TWS、TLS（见图 4d），由此可得出相应关系式为12WSLS22TTTTT+60/2023 年第
12、12 期(a)门框结构(b)上部结构图 3 双箱梁岸桥上下部结构示意图(a)(b)(c)(d)图 4 侧向力示意图2.3 内力分析门框横梁与海陆侧立柱、后主梁与海陆侧上横梁采用刚性连接。为了简化分析，先忽略后主梁的作用研究门框横梁作用。假设海、陆侧钢架几何特性相同，以海侧钢架为研究对象，在门框顶部受力偶 P1时，门框横梁位置受力如图所示 5。假设结构为等截面，根据力的平衡、变形协调，在门框横梁与立柱联接位置满足以下1.陆侧下横梁 2.陆侧立柱 3.陆侧上横梁 4.前主梁 5.外侧前拉杆 6.内侧前拉杆 7.海侧梯形架拉杆 8.后主梁门框中间段 9.后拉杆 10.后拉杆支撑架 11.机器房 12
13、.后主梁后段 13.海侧梯形架横梁 14.海侧梯形架腿 15.海侧上横梁 16.海侧立柱 17.海侧下横梁 18.顶面八字撑 19.门框横梁 20.门框撑杆图 2 双箱梁岸桥示意图DESIGN CALCULATION设计计算612023 年第 12 期/DESIGN CALCULATION设计计算关系，即 22xx2yzzzn2220.5660.5TP affP aTaaEIaEIGJMa+式中：M 为门框横梁对海侧门框的扭矩，T 为门框横对海侧门框的扭矩，P2为门框横梁对海侧门框的大车方向水平力，a为轨距，fx为门框横梁端部大车方向位移，y为门框横梁端部绕垂直方向的转角，z为门框横梁端部扭转
14、角。将 y、z、fx用 M、T、P1、P2表达，求解方程可得出 M、T、P2，但由于是钢架结构，以上方程组的求解比较复杂，难以得到解析解。门框横梁两端的 M、T、P2为结构内力，相对于顶部载荷 P1，对钢架海陆侧门框受力产生反向作用，降低了大车位置（约束位置）的反力(轮压)，后主梁、上横梁的作用与门框横梁的作用效果类似。同理，以左右侧门框为研究对象，上下横梁对左右侧门框的内力作用也降低了左右侧门框轮压。因此，有实际轮压 Wa小于传统算法轮压 Wb，即有 Wa/Wb 1。图 5 门框横梁、海陆侧门框受力3 轮压计算模型图 6a 所示为门框的受力点。其中，点 a、点 d 为海侧梯形架与海侧上横梁的
15、连接点；点 b、点 c、点 h、点i 为后主梁与上横梁的联接点（海、陆侧脖子）；点 f、点g、点j、点k为后拉杆支撑架在陆侧上横梁的支撑点。(a)(b)图 6 门框受力示意图基于以上分析，上部结构的扭转通过门框受力点a 点 l 作用到门框上。因此，以门框结构为研究对象，受力如图 6b 所示。前主梁、海侧梯形架、前拉杆的水平力引起载荷 F1、F3、TWS；后拉杆、机房、后主梁对陆侧上横梁产生 F2、TLS；海侧梯形架横梁、海侧梯形架立柱、后撑杆、后拉杆产生 F1、F2；海侧梯形架对海侧立柱顶部产生垂直载荷 FWS；后拉杆支撑架对陆侧立柱顶部产生垂直载荷 FLS。根据各部件载荷，可以求得门框总载荷
16、 F1、F2、F3、TLS、TWS、FWS、FLS。根据轮压传递系数计算门框扭转轮压，再综合倾覆力矩轮压（按传统方法计算轮压），得到轮压简化计算式为()()()()()()12WSLSWSLSWW MW TW TW TTW FW F+，式中：M 为整机倾覆力矩，T1为由海陆侧力 F1、F2产生的门框扭矩，T2为由左右侧力 F3产生的门框扭矩，FWS为海侧立柱顶部产生的垂直载荷，FLS为陆侧立柱顶部产生的垂直载荷，为海陆侧门框受大车方向力偶时的轮压传递系数，为左右侧门框受小车方向力偶时的轮压传递系数，为陆侧脖子受集中扭矩时的轮压传递系数，TLS为海侧脖子处扭矩，TLS为陆侧脖子处扭矩。62/2023 年第 12 期4.2 影响因素由 FEA 表明，对双箱梁岸桥的影响因素有：1）传递系数与轨距、立柱截面、起升高度、门框横梁净空、门框顶面水平撑/八字撑、海侧立柱后倒有关；2）传递系数与组合撑、K 字撑、基距、下横梁截面、门框横梁截面几乎无关；3）立柱顶部的垂直载荷到同侧大车轮压的传递系数近视为是 1；4）陆侧上部对陆侧上横梁的力矩 TLS，约占总陆侧上部侧向力矩的 70%。5 验证计算在大车