我国是台风灾害多发的国家，近年来随着经济的发展，台风对我国沿海省份的破坏损失逐年增大。随着我国极端天气预报体制的逐步健全，台风的危害也逐步为大众所认知。自今年以来，就先后有凤凰，鹦鹉，北冕等强台风登陆我国。台风的到来不仅造成人们生产生活的不便，其对大型结构物的破坏作用是显而易见的。据统计，台风造成的人员伤亡也多与这些露天环境下的大型结构物有关。特别的，港口用起重机由于其濒临沿海且设备巨大，在设计和使用中的丝毫疏忽都会造成不可挽回的损失。
每年夏秋是台风的多发季节，海上还常有突发性阵风，由此造成港口大型起重机械损毁，人员伤亡的情况时有发生。随着海运船舶的大型化，海港码头起重机正向大型化发展，防风问题对这些大型起重机械尤为重要。
台风是发生在热带海洋上的一种强烈旋转的热带气旋。世界气象组织将热带气旋分为4个等级，即热带低气压、热带风暴，强热带风暴和台风。人们习惯上仍将7级风力以上的热带气旋，即热带风暴、强热带风暴和台风统称为台风(表1)。港口大型机械防台管理规定(暂行)》第一章总则的第三条特地对此作出说明：“本规定下列用语的含义：(一)阵风是指7级以上的突发性阵风。(二)台风是指热带风暴、强热带风暴和台风”。对于海港码头起重机，当风力大于7级时，就要进入防风抗台状态。
表1 风级、风速、风压对照表
国际气象组织 统一名称 热带低气压(TD) 名称 强风 疾风 风级 6 7 风速 (m/s) 10.8～13.8 13.9～17.1 风压 (Pa) 137～226 226～343 热带风暴(TS) 强热带风暴(STS) 台风(TY) 大风 烈风 狂风 暴风 8 9 10 11 17.2～20.7 20.8～24.4 24.5～28.4 28.5～32.6 32.7～36.9 37.0～41.4 343～510 510～706 706～952 952～1256 1256～1609 1609～2021 飓风 12 13 典型案例是1991年9月27日,发生在日本长崎的19号台风,台风过后, 19台起重机中有7台受损,其中3台因锚定装置破坏而整机倒塌。据长崎海岸气象台的资料，27日16时41分长崎地区的最大瞬时风速为54.lm/s，长崎半岛附近为49m/s，而停泊在长崎港内船舶上风速仪测得的最大风速达65m/s。当天17时猛烈的大风大雨真象翻夭覆地的龙卷风似的，民房倒塌、大树连根拔起、输电铁塔倾倒、厂房倒塌等，给当地造成巨大灾害。 2:风对起重机的影响
在工程实际中,通常将风荷载作为静力风(或称平均风)与动力风(或称脉动风)的共同作用。风会使结构物或结构构件因受到过大的风力而破坏、不稳定或产生较大的挠度。与风向一致的脉动风要引起结构物的顺风向振动;结构物背后的旋涡会引起结构物横风向(与风向垂直)的振动;附近结构物的尾流中的气流也会引起处于其中的别的结构物的振动;空气负阻尼会引起结构物横向失稳式振动。上述振动会引起结构物失稳、疲劳破坏或使建筑物中的人员产生不舒适感。
同一般结构物一样,风载荷可以导致起重机结构过载破坏、疲劳破坏或者产生大位移或变形,甚至诱发发散性的振动失稳。然而,独特的结构形式和用途,致使起重机在风载荷的作用下,除了受到与一般结构物同样的影响外,更有其特殊性。
2·1 风载对吊臂后倾与整机后倾的影响
对港口门座式起重机,当风顺起重机臂架迎面吹来时,起重机在较小幅度时,风载将使起重机臂架绕臂架根部铰点产生后倾力矩。如果风载超过一定值,这个后倾力矩将克服臂架自重和吊载的前倾力矩,对于没有设置臂架防后倾装置的起重机或防后倾装置失效,会使臂架向后倾覆、臂架的后倾将导致整机破坏,受迎面风时,会有整机后倾的危险。,起重机在空载或轻载时,如遇迎面风,亦可由于风力产生的倾覆力矩大于重心后移的自重力产生的稳定力矩,使起重机整机后倾倒塌。 2·2 风载对顺风运行起重机的影响
起重机大车在轨道上运行时,如遇到顺风,风载荷给起重机施加一个额外驱动力,使起重机加速运行无法制动、导致其运行至轨道端头倾覆或与同轨道上的其他起重机碰撞。
八十年代末，某场站用1台葫芦门式起重机，在吊运货物时遇到与运行方向同向的大风将起重机吹跑而刹不住车,一直运行到轨道终端与阻进器猛烈撞击而栽倒,导致机毁人亡。经调查,事故原因是由于风力大于制动力而造成溜车。轨道终点处的止挡(阻进器)设计的太矮,不适合起重机猛烈冲击,是绊倒起重机的根源之一。相应的整改措施是:在大风天气时停止作业并将起重机锚固;合理设计阻进器,使得起重机与阻进器碰撞后不至于翻倒;设计中采用合理的截面减小起重机所受风力。 2·3 风振导致起重机结构中杆件疲劳断裂
起重机上某些与风向垂直的杆件很容易发生风致振动。根据空气动力学和杆件风致振动的表现看,起重机杆件的强烈振动主要是横风向振动。圆
截面杆是涡激振动,矩形截面杆为驰振。强烈的振动很快就会引起杆件或杆件两端节点板应力集中部位的开裂,进而有可能导致整机破坏。
圆形截面杆件在港口起重机结构中用得比较多。岸边起重机上有不少圆截面构件，比如:门框间斜撑、门框间水平撑杆、后拉杆、梯形架、梯形架后撑杆等。圆形截面杆很容易发生风致振动，强烈的风振很快就能引起杆件两端节点板应力集中部位的疲劳开裂。 2·4 臂架位置与风载荷
由于一般的结构物相对地面是静止的,因而其迎风面只与风向有关,即只要来风方向确定,该结构物此时的迎风面就确定了。而起重机则不同,因为起重机臂架可以绕回转中心旋转,所以,对同一方向的来风,随臂架旋转角度的不同迎风面也在不断变化。因此,所受风载荷也不断变化。而且,最大风载荷与最小风载荷相差很大。
当臂架平面与风向平行时(起重机遭遇迎面风或背后风),通常此时的迎风面积最小,因而所受风载荷相对很小。此时起重机在垂直风向平面内通常为对称结构,臂架所受风载荷对起重机主体只产生弯矩和剪力。当臂架平面与风向成某一角度时,由于不对称性,风载荷将对起重机主体产生扭矩,同时由于受风面积增大,对主体的弯矩与剪力也将增大。但并不是所有起重机都是当臂架平面与风向垂直时达到最大值。因为,此时直接暴露于来流的迎风面积不一定最大,部分构件被其他构件挡住。
因此设计时要验算最大幅度下垂直于臂架平面的风产生的扭矩对结构的作用,以防止构件断裂或失稳。在使用中,避免大幅度工况下臂架平面长时间垂直于风;停机时使臂架顺风向,对于臂架可自由回转的起重机,停机时
应松开回转制动器,使吊臂可随风自由回转。 2·5 风对非工作状态起重机的影响
非工作状态下风荷载对起重机的钢结构设计、抗倾覆稳定性和防风抗滑安全装置起决定作用。起重机安全规程中规定:在轨道上露天作业的起重机,当工作结束时或遇大风需停止工作时,应将起重机定住。此时,风对起重机的作用,就同一般的建筑结构相似了。但仍有不同,不同之处在于,一般建筑物与基础的连接是永久的,而起重机与地面(或称基础)为临时连接,需考虑连接装置场地的限制与操作的方便性。因此,起重机与地面(或称基础)的连接与一般建筑结构与基础的连接的不同。事实证明工作于露天轨道上的起重机,常有被吹倒的情况。
九十年代,某港口有1台门式起重机停工后,工人们用夹轨器、钢丝绳、重物等紧固和锚定该门机。晚上发生特大的台风袭击,门机被吹走,冲毁轨道端部止挡,滑出轨道,倾翻并砸倒一地面车辆,砸死一人。该事故发生的原因是由罕见的特大暴风雨所致,实属意外事故。虽然事前采取了许多安全措施,但还是抵挡不了暴风的袭击。应设置可靠的防风装置,包括夹轨器,铁鞋和锚定装置等。
发生在日本长崎的19号台风，19台起重机中有7台受损,其中3台因锚定装置破坏而整机倒塌。倒塌的都是设置4只锚定装置的起重机,而设置8只锚定装置的起重机都没有倒塌。所以应设置可靠的防风抗滑安全装置,包括夹轨器、铁鞋和锚定装置、轨道端部止挡。在非工作状态或暴风来临时应确保全部防风装置正常投入使用。 2·6 风对起重机钢结构强度及刚度的影响
以一定速度向前运动的风,受到起重机结构的阻塞,将对起重机结构产生一个分布压力,是起重机的重要外载荷。风载荷对于起重机金属结构的强度、刚性及稳定性影响很大,有时甚至起决定性作用。风载荷对起重机整机产生弯曲、扭转和剪切作用,使起重机金属结构受到拉、压、弯、剪、扭等作用。如果风载荷与其他载荷组合引起的构件应力超过了许用应力,就会引起起重机结构的破坏。
2·7 建筑物风场对起重机的影响
由于周围港口设施的影响,港口上的风场会出现某些危险的空气动力学现象,增加起重机倾覆或倒塌的危险。起重机安全规程中规定,为了抗御大风,非工作状态的起重机应松开回转机构制动器,以使起重机臂架在大风来临时能自动转至与风向平行的平面,降低风载荷。在没有任何环境影响的湍流风中,这是具有代表性的。然而,由于周围环境的影响,这种情况很少见。还有由于狭管效应,高耸的建筑之间的风速可明显增加,而使起重机所处环境的风力加大。相应的措施是:避免在高大建筑物旁工作、对处于高大建筑物的“狭管”区的起重机,将其极限工作风速降低2~3级使用。 3 结论与对策
3·1 综上强风对起重机的影响如下
(1)工作中的轨道运行起重机受到与运行方向同向的大风的袭击,有可能被吹跑冲出轨道或与同轨道其他起重机相撞。
(2)风致强烈的横风向振动可以引起结构中的某些杆件的疲劳破坏。 (3)起重机所受风载荷的性质与大小同臂架平面与来流方向的夹角关系很大,不利的夹角会增加起重机发生事故的可能性。
(4)非工作状态的起重机,由于锚定装置等防风抗滑安全装置失效而倒塌或吹跑。
(5)风可以导致起重机钢结构构件因过载而破坏、失稳或产生过大的变形。 (6)周围有建筑物的起重机,可能处于更加危险的风流中,增加风毁的可能性; (7)风引起的起重机振动可能导致操作人员疲劳,影响装卸作业或安装精度。 3·2 对策与措施 (1)设计方面
①起重机的抗风设计包括工作状态和非工作状态2种情况。第一不能遗漏,第二风压取值要准确。工作状态最大计算风压,用于计算金属结构的强度、刚度及稳定性,验算整机工作状态下的抗倾覆稳定性;非工作状态计算风压,用于验算此时起重机金属结构的强度、整机抗倾覆稳定性和起重机的防风抗滑安全装置的设计计算。
②注意计算风压的取值《起重机设计规范》将实际上沿高度变化的风压取为定值,规范规定的最大计算风压,相当于当10 m高处为5级风的上限和6级风的上限风压时,高度近100 m处的风压,这对于一般高度的起重机是偏于安全的。但是,对于高度较大的起重机则需要按实际风压验算所受风力,以防计算风力过低。规范按起重机的使用地区和用途不同分别规定了不同的计算风压,设计中应根据使用地区和用途正确取值。风速测量的时距不同,所得计算风压就不同。《起重机设计规范》规定:工作状态的计算风速按阵风风速(即瞬时风速)考虑,非工作状态的计算风速按2 min时距平均风速考虑。参考其他规范给出的风速值时,要注意不同时距风速的正确换算。 ③对于非固定撑臂的起重机,应设置有效的吊臂防后倾装置。
④选择风阻力小的结构形式和截面形式,以降低所受风力。
⑤根据起重机的特殊性和起重机的具体工作特性,明确起重机整机受力情况和钢结构中各杆件的受力情况,使得受力合理,避免因受力分析不清而导致设计错误。尤其是改装起重机时,受力分析一定要全面、准确,计算工况不能遗漏。
⑥设置完善、有效、合理的防风装置,包括风速仪、夹轨器、铁鞋、锚定装置、端挡等,防止起重机被风吹跑或吹倒。夹轨器及锚定装置或铁鞋应能各自独立承受非工作状态下的最大风力。最好采用自动作用的防风抗滑装置,风速风级报警器应与防风抗滑装置联锁。端挡应有合适的高度以防将起重机绊倒。
⑦采取措施防止构件由于风振破坏和整机风振过大。设计中提高杆件的共振风速可有效减少振动。对于共振风速较低的重要杆件可采取构造措施来减小横风向激振力。对于整机的风振,可采用被动、主动以及半主动控制等方法来抑制风振。 (2)使用方面
①由于《规范》中对不同地区的计算风压规定不同,因此,购买起重机时一定要确保该起重机设计风压取值适合当地。
②为防止起重机整机后倾或吊臂后倾,应避免小幅度、轻载、迎风操作,确保臂架防后倾装置能够正常工作,应保证停止工作的起重机所受风力从起重机背后吹来。③正确使用和维护防风抗滑安全装置,不能麻痹大意。风速风级报警器应安装在起重机上部不挡风处。起重机停止工作后,要确保防风抗滑安全装置进入工作状态,不能存在侥幸心理。
④注意天气变化,对有预报的大风做好充分的防风准备。
⑤风力达到一定等级时,应停止工作。停止工作的风力,内陆地区定为大于6级,沿海地区定为大于7级。
⑥停止工作后,应将起重机锚定住。停止工作的起重机,应使风从起重机的背后吹来;臂架可回转的起重机在非工作状态下,必须松开制动,保证起重机臂架可以随风向转动。
⑦加强对重要构件的检查,及时发现风振引起的疲劳裂纹。
⑧了解周围建筑对风环境的影响,避免在高大建筑旁边或高大建筑形成的“狭管”区等恶劣环境下工作,如不能避免则应采取相应措施,如对处于高大建筑物的“狭管”区的起重机,将其极限工作风速降低2~3级使用。
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