超大型全桁架大梁岸桥关键技术_林伟华.pdf

0引言随着集装箱船舶日益大型化，岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）也向大型化、高效率方向发展。目前，市场主流的岸桥是按照作业 22 排的超巴拿马型集装箱船设计的，其外伸距通常在65 m 以上，轨上起升高度在 45 m 以上1。目前，最大的 3E 级岸桥的外伸距已经超过 72 m，轨上起升高度超过 54 m。为提升大型船舶的装卸作业效率，岸桥吊具下的额定起重量也从过去的30.5 t（1 次起吊 1 个 20 英尺集装箱）增加到现在的 65 t（1 次起吊 2 个 20 英尺集装箱）和 80 t（1次起吊 2 个 40 英尺集装箱）。当前，岸桥大多采用实腹式主梁设计。实腹式主梁岸桥尺寸的增加不仅提高设备质量和运行能耗，还造成岸桥设备的迎风面积、风力作用高度的迅猛增加。例如：外伸距在 6065 m 的超巴拿马型岸桥非工作状态下仰起的高度达 120130 m，迎风面积高达 1 0001 450 m2，比巴拿马型岸桥风力增加近 1 倍。2这给码头基建的承载能力提出更高要求，对设备安全防风工作也带来更大困难。全桁架大梁岸桥三维图见图 1。采用桁架式主梁设计的岸桥相比实腹式主梁岸桥具有质量轻和迎风面积小的优势，可以最大程度降低设备自重和风载荷对码头结构的影响。尤其对一些非工作工况风速大、基建承载能力不足的码头，通过研究并开发全桁架大梁岸桥新机型，降低设备许用轮压，在最大程度降低基建改造成本的基础上，满足码头作业特大型集装箱船的需求。1关键技术传统桁架结构主梁通常采用管结构，由于其承载能力低、抗疲劳性能差、与门框连接难度大，通常只在起重量小、外伸距不大、利用等级低的岸桥前大梁中应用，要在超巴拿马级和 3E 级这类参数大、利用等级高的超大型岸桥（外伸距65 m，起重量65 t）的前后大梁中采用桁架结构主梁设计，需要解决大型桁架主梁截面布置形式、桁架主梁与箱体的高可靠连接、桁架主梁的抗疲劳性能等关键技术。三角形截面管桁架岸桥见图 2。超大型全桁架大梁岸桥关键技术摘要：利用桁架主梁截面选型、桁架主梁与门框箱体的可靠连接、桁架主梁抗疲劳设计制造、桁架主梁小车轨道接头设计等关键技术，研究并开发满足 3E 级等超大参数集装箱船作业需求的超大型全桁架大梁岸桥新机型，为码头提供更加轻量环保的解决方案。关键词：全桁架；超大型岸桥；桁架-箱体连接；抗疲劳林伟华，郭晓伟，汪杰（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海200125）图 1全桁架大梁岸桥三维图港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果81.1超大型岸桥桁架主梁截面选型1.1.1总体截面布置形式桁架结构主梁截面通常有三角形、矩形和梯形等 3 种形式。在桁架上下弦杆高度、左右腹杆宽度确定的情况下，三角形截面的垂向、侧向承载能力和刚度要低于矩形截面和梯形截面。超大型岸桥由于额定起重量大、外伸距离长，桁架主梁若要在较轻的自重下获得较好的力学性能，通常应优先选用矩形或梯形截面。目前，采用矩形或梯形截面的桁架主梁有四片闭口式和三片开口式等 2 种截面形式。四片闭口式截面桁架结构见图 3，三片开口式截面桁架结构见图 4。图 2三角形截面管桁架岸桥（a）三角形管桁架（b）岸桥实物图 3四片闭口式截面桁架结构（a）桁架截面图（b）桁架轴侧图图 4三片开口式截面桁架结构（a）桁架截面图（b）桁架轴侧图港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果9四片闭口式截面的上、下、左、右 4 个平面内都是由连续桁架组成的封闭截面。采用该截面的桁架主梁通常具有较好的抗扭转性能，但由于其下口被桁架封闭，岸桥的行走小车必须悬挂在截面外侧。该截面的设计宽度受悬挂式小车的刚度和质量的限制，不宜太宽，其侧向刚度也因此受限，较适用于外伸距 70 m 及以下、常规起重量65 t 的大型超巴拿马岸桥。三片开口式截面仅上、左、右 3 个平面内是由连续桁架组成的开口式截面。由于下口开放，岸桥的行走小车可以设置在桁架主梁内部，采用该截面的桁架主梁通常具有较大截面宽度和侧向刚性。因此，其适合外伸距 72 m 以上、起吊双40 英尺集装箱（常规起重量 80 t 以上）的超大型3E 级岸桥。但由于其开口截面的特性，抗扭性能较差，其受侧向力时必须引入相应约束条件以限制其扭转侧向变形（例如在前大梁设置左右双侧拉杆），在非工作工况时须利用梯形架防风侧档进行约束。1.1.2桁架节点连接形式桁架的节点连接形式是影响桁架主梁承载能力的主要因素之一。管节点桁架采用相贯线连接，由于相贯线接头的承载性能相比管材本身会有较大削弱，管材交会处的载荷传递不连续，局部应力集中现象明显，会降低主梁的抗疲劳性能，同时制造难度也更大。这对于高利用等级的超大型岸桥来说并非优选。管节点桁架相贯线连接示意图见图 5。采用工字钢或 H 型钢的桁架结构，其弦杆腹杆间连接均为对接接头，载荷传递连续承载能力强，且制作工艺更加简单。因此，采用工字钢或 H型钢矩形截面的桁架结构主梁是当前超大型岸桥的较优选择。工字钢节点桁架见图 6。1.2桁架主梁与岸桥门框箱体的可靠性连接在通常情况下，岸桥后大梁需要悬挂在门框横梁下方，悬挂点处会产生较大的轴向和弯曲载荷。若岸桥后大梁采用桁架结构，只能将桁架主梁上弦杆的局部单个节点与箱体进行连接，仅由该节点单独承受上述较大载荷，可靠性难以保证。如何保证桁架主梁与岸桥门框箱体间连接的高可靠，一直是桁架主梁在超大型岸桥应用中面临的主要难题。当采用圆管桁架时，其悬挂连接还要考虑从圆形到矩形箱体的形状转换过渡，几乎很难设计出结构简单、制作方便的桁架与箱体的悬挂连接接头。因此，以往采用圆管桁架大梁的岸桥，其后大梁均采用板梁结构，以避免桁架与箱体的连接难题。板梁结构见图 7。当采用方管桁架时，利用在节点的外侧焊接连接重磅板的方式与箱体进行连接，但该连接必须采用销轴连接方式，以释放悬挂处的弯曲载荷，避免单个节点受载过大。门框与主梁间采用销轴连接容易出现销轴工作磨损和异响现象。此外，重磅连接板与桁架节点之间采用贴板式焊接，容易图 5管节点桁架相贯线连接示意图图 6工字钢节点桁架图 7板梁结构轨道轨道承轨梁承轨梁港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果10图 8方管桁架与箱体连接图 9新型桁架-箱体刚性连接图 10桁架主梁疲劳控制区域疲劳控制区域疲劳控制区域除设计图纸要求外，禁止任何附属件的焊接，以及临时私搭乱焊产生较大局部应力集中，影响连接节点可靠性。方管桁架与箱体连接见图 8。近年，上海振华重工（集团）有限公司针对工字钢或 H 型钢桁架研发了一种新型桁架-箱体连接接头。该接头通过将后大梁与上横梁连接的悬挂箱体伸入桁架主梁内部，并将连接处的桁架弦杆、腹杆采用星形布置，与悬挂箱体的四角对接，将悬挂接头与桁架主梁融为一体。新型桁架-箱体刚性连接见图 9。该接头将原本由 1 个节点承担的较大载荷，通过悬挂箱体及其 4 个角上的连接支杆将载荷分散到上下弦杆与腹杆的连接节点上，使岸桥承载能力得到大幅提升。悬挂箱体接头与桁架主梁、门框横梁箱体间都采用板材对接的焊接刚性连接，结构形式简单，局部应力集中小，可以有效提升桁架主梁与门框箱体连接的可靠性。1.3桁架主梁的抗疲劳设计和制造技术1.3.1桁架主梁的抗疲劳设计超大型岸桥由于外伸距更长，起重量更大，因此对主梁结构的抗疲劳性能有更高的要求。桁架结构主梁的疲劳薄弱环节通常在弦杆和腹杆的节点连接接头处。根据钢结构疲劳规范，在合理设计的情况下，工字钢或 H 型钢节点接头的抗疲劳性能通常可以比管节点接头提升 40%以上，达到与箱梁结构同等水平。因此，工字钢或 H 型钢桁架更适合应用于超大型岸桥。除了接头的抗疲劳性能外，要提升桁架主梁的整体抗疲劳等级，还应当降低不必要的焊接对主梁抗疲劳性能的影响。对于大型桁架主梁，应设置疲劳焊接的控制区域，尤其在结构高利用等级区域内的主梁弦杆和腹杆，应尽量避免任何临时或永久的附属件焊接。在此区域内的梯子平台、电缆托架等附属件与主梁结构间应尽量采用螺栓连接。对于其余区域的临时或永久附属件，其设计和焊接工艺需要遵循相应规范，以减少对主梁抗疲劳性能的影响。桁架主梁疲劳控制区域见图 10，平台走道螺栓连接见图 11。1.3.2桁架主梁的抗疲劳制造为进一步降低焊接疲劳对桁架主梁使用寿命的影响，满足超大型岸桥的使用需求，其制造工艺也需要进一步优化。对于采用工字钢或 H 型钢设港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果11计的桁架主梁，其腹杆与主弦杆节点板的连接接头需要在腹杆端部焊接临时的引熄弧板，这些临时焊缝都会伤及母材，影响主梁抗疲劳性能。因此，在腹杆与节点板的连接接口处增加“凸台余量”，作为装配焊接时借正区域，也作为引熄弧板临时点焊专用区域，对接后连余量一同切除，避免焊接对母材的疲劳损伤。对接处“凸台余量”切割前后对比见图 12。1.4桁架主梁的行走小车轨道连接设计由于载荷传递的需要，四边形桁架岸桥的工作铰轴（下铰轴）须设置在桁架下弦杆中心线附近（位于小车轨道的正下方），可以起到为小车轨道在铰轴位置的过渡连接提供支撑的作图 11平台走道螺栓连接图 12对接处“凸台余量”切割前后对比（a）切割前（b）切割后用，保证小车通过铰轴处的平稳性。同时，可以在小车轨道下铰轴处可以采用双向“Z”型过渡连接，即在轨道的横切面和纵切面都设置过渡段切口，为行走小车通过铰轴连接处时预留充分的平稳过渡区域。小车轨道双向“Z”型过渡连接见图 13。（a）双“Z”轨道接头示意图（b）双“Z”轨道接头实物图图 13小车轨道双向“Z”型过渡连接后大梁前大梁承轨梁港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果（下转第 31 页）12“记忆位”提前将吊具中锁伸缩到默认位置，以节省检测对位和机械动作耗时。小车带箱移动到目标箱上方，通过吊具上安装的 2D 扫描仪扫描吊具作业箱、目标箱位与相邻箱之间位置对应关系，实现着箱对位。同时，视觉检测系统利用安装在吊具上的着箱摄像头采集到的图像实时分析吊具上的集装箱相对于下面集装箱的位置，通过调整小车位置、吊具旋转角度来校准上下箱子之间的相对偏差。当扫描仪和视觉检测系统扫描到吊具和集装箱的相对位置同时在允许的叠箱范围内后，吊具开始自动下降进行软着箱。在着箱后利用扫描仪和视觉检测系统检查叠箱后上下的相对偏差：若检测到的偏差在允许范围内则在 3 s 内吊具自动完成开锁及后续流程；若检测到的偏差不在允许的范围内则吊具自动起升 300 mm 后重试，当重试 3 次都不合格则系统自动转成手动叠箱。2.12双箱一层箱放箱系统根据双箱箱区自动放箱记忆位，首先将吊具中锁伸缩到正常放箱位状态，控制吊具下降到放箱列离地面 400 mm 时，视觉检测系统利用安装在吊具上的摄像头采集到的图像实时分析吊具所带的箱子与地面上箱角线的相对位置，并利用吊具上的微动机构调整集装箱与箱角线的距离，当调整到允许范围内时，开始进行放箱软着地。在着箱后视觉检测系统再次检测集装箱相对于箱角线的相对位置：若检查到的偏差在允许范围内则在 3 s 内吊具自动完成开锁及后续流程；若检查到的偏差不在允许范围内则吊具自动起升 300 mm 后重试，当重试 3 次都不合格则系统自动转手动放箱；当检测到的调整范围超过吊具微动的调整范围或调整超时时，系统会自动转成手动放箱；当视觉检测系统扫描不到箱角线时系统支持按照小车标定位置及相邻集装箱之间的距离进行自动放箱。3应用成果经改造后，双箱吊具轮胎式场桥全自动化作业翻倒效率高于 20 自然箱/h，对内集卡全自动化作业效率高于 18 自然箱/h，在优化算法和改进技术后效率还将进一步提升。4结语联盟国际公司双箱吊具轮胎式场桥自动化改造成功，将为国内外港口提供可复制、可推广的经验，为我国智慧港口建设贡献自己的力量。（上接第 12 页）2结语集装箱船舶的大型化使港口间的竞争越加激烈，加上近年来节能环保的理念已深入人心，港口对于岸桥设备的使用经济性、绿色环保性能提出了更高的要求。超大型全桁架大梁岸桥关键技术的攻克，以及上海振华重工（集团）有限公司研制的国内首台超巴拿马级全桁架大梁岸桥在深圳港某码头成功应用说明，岸桥设备正向经济环保方向转型升级。参考文献1 段忠东.岸边