风荷载引起的门式起重机脱轨和倒塌外文翻译资料

 2022-03-16 10:03

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风荷载引起的门式起重机脱轨和倒塌

Francesco Frendo

摘要

本文分析了门式起重机的灾难性脱轨问题。在持续强风的作用下，阵风时速达到110km/h左右，起重机开始移动，移动约60米后，脱轨和倒塌。幸运的是，事故并没有造成人员受伤。

起重机安装了导轨夹具，其尺寸应该按照参考标准中给出的非工作状态最大风载荷来确定。通过分析起重机和安装夹具的技术参数，得出的结论是，在确定停用风力载荷时出现了一个微不足道的错误，在评估风力时没有考虑空气动力学推力系数。由于这个原因，夹紧装置没有响应当前的规定，而且实际上也不能保证，起重机可以承受在设备安装区域中发生的最大风载荷。

基于起重机几何和风力记录的分析表明，实际上，事故发生时的风力载荷超过了夹持能力。基于梁模型的起重机装载状态的平面分析，解释了起重机塌陷的方式，绕着其中一个支腿的竖直轴线旋转，并且估计在起重机转向架和轨道之间交换的载荷，这导致了几个铁轨锚定螺栓的破裂。

事故是由设计错误引起的，这指出了进行准确评估的必要性，需要进行多次独立的检查，特别是对于在这种情况下或在对操作员有重大风险的大型工厂。

关键词：门式起重机、脱轨、风荷载、失效、设计误差

1 介绍

本文分析了门式起重机的灾难性故障。失效是由于强风造成的，如图1和2所示，起重机开始漂移，脱轨和倒塌。位于起重机顶部驾驶室里的操作员报告说，在强风的作用下，起重机在导轨夹具接合的情况下站立，并且在一定的时间内，起重机开始移动，在移动几十米后（约50-60米），脱轨。

起重机方面的安全方和风险分析被认为是职业和环境的一个重要问题，尤其是在建筑行业[1–5]。但据笔者所知，这种涉及起重机起风漂移的事故在技术文献中以前没有记载。由于起重机的设计需要考虑气候影响，所以风载荷作用是其中的一部分，风载荷对起重机结构的完整性和稳定性的影响已经在几篇论文中讨论过（参见最近的论文[6–9])。

图1.事故发生后的图片。摆腿仍然在旅行轨道，而固定支腿旋转并部分落入石堆中（另见图2)。

图2.事故发生后的固定腿的细节。一些锚定螺栓被破坏，小车脱轨，掉在在轨道下面。

根据标准，风载荷应基于给定的参考速度，参考速度与不同的运行条件有关[10–12]。动态风压（单位N/m2）必须通过以下函数关系（风速单位为m/s）进行计算：

p=0.613 V2 （1）

2

标准风速可达28 m/s（100.8km/h），相当于大约500 N/m2的动态压力（标准中给出的值）。另一方面，失效风是地面高度的函数，对于高度在20m和100m之间的建筑物来说是42m/s（151.2km/h），对应于大约1100N/m2的动态压力（在标准中给出的值）。标准还说明了如何计算风力引起的漂移阻力，并建议使用导轨夹具或类似的替代措施来防止漂移。

2 起重机的几何形状和故障描述

起重机是一个古老的建筑，可追溯到二十世纪四十年代，曾应用于一个古老的舰队。图3显示了起重机的示意图：它由两条不同长度的腿和一个具有起重机构的上部结构组成。行驶轨迹与载荷提升高度之间的距离分别为90米和24米。总高度为33米，上部结构的高度约为9米。摇腿和固定支腿的腿高分别约为22.5米和17米。每条腿以两个转向架结束，每个转向架有两个钢制轮子（直径120厘米），每个轮子带有双凸轮来保持转向架位于轨道上(图4)。

最近，在21世纪初，每个转向架都安装了一个新的导轨夹具（安装在属于摆腿的转向架上的夹具如图5).

在导轨夹具中，摩擦垫被一系列Belleville垫圈压靠在轨道上，并且在制动过程中，摩擦载荷被反作用块（在摩擦垫的每一侧上有一个块）抵消，反作用块通过3个螺栓固定到到夹具外壳（图6）。为了允许起重机在行驶轨道上运动，使用液压回路克服弹簧的预加载荷，从而使夹具脱开（图6)。

图3.示意图：（a）门式起重机的前视图和（b）侧视图。

图4.带轮子的转向架之一（拆卸起重机后拍摄的图片）

对起重机进行检查，特别是在事故发生后对夹具进行的详细检查，引出了下列问题：

·摇腿仍然在轨道的两个转向架上（图1），而在另一侧，固定腿在俯视图中逆时针旋转，并在导轨的一些锚定螺栓破裂之后脱轨（图2）; 结果，起重机部分结构坍塌;

·安装在摇腿上的夹具的摩擦垫由于携带垫的系统破裂而不再处于其工作位置（图7a）或者将反作用块固定到夹具壳体上的螺栓破裂（图7b）; 其中一块摩擦垫在石堆被发现，在起重机起始位置附近，在滑移之前，另一块仍在夹子下面，即使它不能再施加制动作用(图 7b和8)。

图5.两个转向架（摆腿的转向架）的图片，其中可以看到被动夹具。 由于非常高的接触载荷引起的永久变形，两个夹钳的轴线在相同的方向上

对于轨道相对于轨道倾斜。

图6.导轨钳位示意图。

3 事故重建

被意大利法院聘为专家顾问的作者，将事故分析和重建分为两个不同的部分。 在第一部分中，将导轨夹具的容量与现行法规的要求和事故发生时的风力载荷进行比较，以了解夹具是否设计合理，并验证实际风载荷是否超过其最大载荷。在此之后，一个参照了图1和2的分析被提出，来试图解释起重机倒塌的方式。

3.1事故发生时的夹紧设计和风荷载

根据标准[10–12] 作用在起重机的每个元件上的风荷载F（以N表示）必须通过以下关系获得：

F = p A Cf （2）

其中p是公式（1）给出的动态风压。(1)，A是所考虑元素的有效迎风面积，Cf是该部分在风向上的形状系数。这个系数取决于元素的几何形状，并在参考表中给出：对于构成起重机结构Cf = 1.7的那些侧面部分[9]。起重机的总风载可以通过总结起重机所有部件的贡献来获得，同时也考虑了屏蔽效应。另外，考虑到起重机的分级（A8级），标准推荐使用1.2的安全系数应用于Eq。(2)

在为安装导轨夹具而编制的技术报告中，假定动态风压p = 1.1kN/m2（对应于42m/s的风速）和总有效的起重机A =350m2。没有考虑到形状系数，因此，停用条件下的总风荷载估计为462kN（46.2吨）。每个选定的轨道夹具，最大理论能力为124kN，总制动能力为496kN（49.6吨）。就上述估计的停止服务条件而言，选择了一个小幅度的保证金。此外，建议的安全系数没有考虑在内。关于这一点，值得注意的是，考虑到垫和轨之间的理论0.58摩擦系数，估计最大夹紧能力; 这个价值是由TUV证明的为新的摩擦垫。

对事故分析重建期间进行的有效面积的准确评估显示，有效面积有所低估; 考虑到形状系数Cf = 1.7，相对于估计的服务外负荷，服务中的风力负荷导致等于1100kN（110吨），即更大，为2.2倍被考虑用于选择导轨夹具。起重机应该被赋予了夹子或者其他防漂移系统，而且能力显着提高，这是由于计算不准确而造成的不好的证据。

图7.事故发生后属于摆腿的导轨夹的底视图。 由于承载摩擦垫（a）的系统的破裂或者反应块（b）的螺栓破裂，摩擦垫不再位于位置中（另见图8).

另一方面，尽管选择了夹具，事故的重建也必须以事故发生时的风荷载为基础。实际的风荷载是根据两个独立的数据估算的：由位于起重机附近的设备装置中的风速计给出的记录（图9a）从南丫岛网站取得的资料; 南丫岛是托斯卡纳地区和意大利国家研究委员会在事故地区设有气象站的公共财团(图9b）。事故发生在午夜后，当时在两次录音的基础上，平均风速约为90-100公里/小时，阵风约为110公里/小时(图9b).

对于起重机滑移来说，平均速度和接近最大阵风速度是相关的，这意味着风力很强大，持续不断。搜寻南丫岛网站上的录像，可以肯定风速是过去3年来最强的风（特别是以平均速度为参考），而这也证实了当时特别严重的情况在事故发生的那一刻。

通过考虑风向（SO，西南，英寸）来评估沿着滑动方向的风荷载图9b）以及考虑到减少的正面面积和来自起重机腿的额外贡献而获得的更新的有效面积。

使用关系式获得的总风荷载（1）和（2）对于V=108km/h（30m/s）的风速为431kN，这实际上接近最大理论钳位容量496kN。 类似的，可以发现341kN的风载对应于96km/h（26.7m/s）的风速。

如果考虑0.5或更低的摩擦系数（而不是0.58的标称值），可以很容易地看出风载荷超过夹持能力。 特别是，如果摩擦系数达到428 kN或342 kN，则整个夹具的容量将变为428 kN或342 kN。

假设分别为0.5或0.4。考虑到摩擦垫的磨损，这些摩擦系数值似乎是可能的图10）以及垫和轨道表面的非完美状态。

以前的分析表明，在事故发生的瞬间，风力载荷很可能超过了最大夹持能力，夹具系统的正确和安全的设计肯定会阻止这种情况发生。

图8.摆动腿的一个夹子的底视图（如图所示）图7b）失去制动功能（a）。 左边的三个螺栓（in图 7b和8a）反应块被破坏（b）。

3.2起重机加载分析和失败的解释

可以合理地假设，在滑移开始时，摇腿的夹具失去了摩擦垫; 事实上，正如已经说过的那样第二节其中一个摆腿的摩擦垫在起重机起始位置（滑移前）附近的石堆中发现。摩擦垫不再位于由于垫输送系统的破裂或螺栓将反应块固定到夹具壳体上的结果（图7和8）。这种破裂可能是由高摩擦载荷和粘滑现象引起的动载荷引起的，最终由于转向架结构的可变形性而增强（这些也可以被认识到图5）和轨道表面可能的非完美线性。

为了简单起见，图11表示在分布风和惯性载荷的作用下，在脱轨之前的加载方案和起重机的变形形状的平面模型。假设在摆腿侧，摩擦垫在初始漂移阶段失去了作用（参见图1的末尾），由轨道通过腿施加在起重机上的约束作用是不同的第二节).

在两侧，铁路通过转向架上的车轮交换弯曲反应（图4）。这些分别用M1和M2表示。另外，在左边参照图11，固定腿的摩擦垫位置都可以施加纵向制动力，在图中用F表示。该分析被认为是静态的，并且在图中假定表示安装在固定腿上的夹具的总制动载荷的纵向载荷F等于分布的风力和惯性载荷的合成作用，表示为q。被钳位能力限制的制动力F假定为已知常数。

在计划中图11所有的负载都假定在飞机上应用。实际上，分布的风压和惯性载荷的作用是在相对于轨道的一定高度上施加的，并且这导致两个腿的转向架（前部转向架，漂移方向上）承受不同的垂直载荷在起重机减速过程中承受较高的垂直载荷，在加速的情况下反之亦然）。 然而，这里假定这个垂直载荷传递不影响制动载荷，因为夹紧作用是由位于夹钳内的碟形弹簧的预载荷决定的（见图6），而不是由车轮和轨道之间交换的垂直载荷（如在车辆中发生的那样）。

系统显示在图11是静态不确定的，因为旋转平衡由贡献M1和M2提供。 该系统可以很容易地解决静态不确定梁的标准解决方案，并得到以下结果：

M1=FL/3 （3a）

M2=FL/6 （3b）

然后，可以得出结论，在固定支腿的侧面承担了制动作用，在事故发生的时刻，轨道施加在固定腿上的反作用力矩是摆动腿上的轨道施加的两倍。这意味着

图9.事故当天的风力记录。 记录位于起重机附近的风速计（a）并记录南丫岛气象站（b）。 南丫岛纪录片（图二）显示每小时四个数值，代表每小时一刻的平均风速（上图）及阵风最高速度（下图）。

转向架和轨道之间的交换载荷在固定腿侧较大，因此解释了相应轨道的锚固螺栓的破裂以及由此引起的脱轨。

可以观察到，反应时刻的方向与已经显示的一致图1和2; 实际上，固定腿通过轨道上的转向架所施加的力矩与图中所示的力矩M1相反图11。值得注意的是，上面给出的矩M1和M2相对于它们的实际值有些被高估，因为它们是在水平面中假设梁的末端部分为零的情况下获得的; 这与假设双腿僵硬是一样的。

图10.事故发生后摩擦垫的图片显示了接触表面的显着磨损。

考虑到属于同一腿的两个转向架之间的相对距离d明显大于相同转向架的轮之间的距离（图12），则每个转向架与轨道T之间的合成载荷可以通过以下关系获得：

T=M1/d=FL/3d （4）

在前面的考虑的基础上，发现总风荷载范围在340-430kN，而总的夹持能力，新垫（摩擦系数0.58）被发现是496kN。

考虑到0.45的摩擦系数，每条腿的制动能力估计约为F = 190kN。有了这个值，与铁路交

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