为满足各大港口企业改造岸边集装箱起重机前大梁的需求，使改造后的前大梁可以满足最新超大型集装箱船的作业要求，研发前大梁加长核心装置。该装置主要由固定式悬臂吊、空中移动平台、横向移动小车等组成，可以实现在空中对前大梁进行多箱位加长，加长长度能达到6 m。通过数学建模和有限元分析方法，对加长后的前大梁结构进行分析，提出增加背弓结构的方案，可以有效改善前大梁加长后的结构刚度和强度。以前伸距65 m的前大梁为例，通过对比加长前后的钢丝绳拉力和电机功率，证明前伸距加长对俯仰系统的影响是可控的。利用前大梁加长核心装置可以帮助更多的港口企业完成前大梁的加长改造，并在一定程度上缩短施工周期、降低施工成本。
岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）是一种在港口码头岸边对船舶上装载的集装箱进行装卸的专业设备，其装卸能力和速度对港口作业效率有直接影响。近年来，随着全球经济一体化程度不断加深，货物运输量不断增加，超大型集装箱船队规模也在蓬勃发展。继3E型18 000 TEU集装箱船之后，3E Plus型集装箱船也在不断地刷新载箱量记录。2021年12月29日，全球最大的24 000 TEU集装箱船顺利出坞，船长399.9 m，型宽61.5 m，标志着集装箱船上的堆放高度和宽度达到一个新的里程碑。
目前，广泛使用的超巴拿马型岸桥前伸距一般在50～65 m，受前伸距限制，不能完全满足最新超大型集装箱船的作业要求，世界各大港口企业的岸桥都面临着更新换代。[2] 对多数港口企业而言，采购新的岸桥是沉重的负担，从采购计划立项到新岸桥投产使用，周期通常在2 a以上。同时，处理港口企业现有的岸桥也极为困难，拆除成本非常高昂，若闲置岸桥则会占用大片场地。因此，经综合考虑后，加长现有岸桥前伸距是多数港口企业的首选方案。
传统的前伸距加长方法是利用浮吊等大型吊装设备，将前大梁吊至地面进行改造，操作较困难，且改造周期较长。为满足市场需求，上海振华重工研发了具有自主知识产权的多箱位空中加长技术及其核心装置，目前已经在中国广州港、西班牙阿尔赫西拉斯港等国内外多个港口成功应用。
岸桥结构主要由前大梁、后大梁、门框等结构组成。后大梁和门框是静态结构，其位置是固定的。前大梁是动态结构，其位置可以在仰起状态与放平状态之间切换，这样的设计是为了满足码头现场的让船工况。
岸桥俯仰系统的功能就是完成前大梁位置的切换。为了避免前大梁的加长对岸桥俯仰系统造成破坏，可以选取前大梁头部悬臂端作为安装加长段的位置。前大梁头部悬臂端位于海面上方，距离码头岸边的高度在50 m以上。在传统的前大梁加长方案中，须利用浮吊等大型起重设备将前大梁吊至码头面上进行改造。
加长核心装置主要由固定式悬臂吊、空中移动平台、横向移动小车等组成。加长核心装置组成见图1。
固定式悬臂吊安装于前大梁上方，左右各1个，通过悬臂吊上的单轨小车，可以将割下的端部前大梁结构段向海侧方向平移6 m。
空中移动平台主要由上部车轮组结构和下部平台框架结构等组成。上部车轮组结构放置于岸桥小车轨道上，前后3组共6个车轮，利用连杆与岸桥小车连接，可随岸桥小车前后移动。在下部平台框架上设置简易轨道，周围安装栏杆，平台既是承重结构，又是安装加长段时的工作平台。
横向移动小车安装于简易轨道上，利用手拉葫芦可实现左右方向移动，轨道两端安装止滑块，防止小车移动到极限位置脱离轨道。在移动小车上安装千斤顶和枕木，上方固定加长段结构，利用千斤顶可实现加长段垂直方向的调整。
加长段结构的位置调整可以利用移动平台、横向移动小车和千斤顶相互配合来完成，焊接前的精确对位可以保证前大梁加长后的直线度。
加长核心装置的所有部件都采用模块化设计，可以装入集装箱运输到世界各地施工现场，有效提高了转运效率，同时也降低了运输成本。
固定式悬臂吊主要由立柱、横梁、拉索和单轨小车等组成。这些组件通过机器房内维修行车吊至岸桥小车上，运送到前大梁，在前大梁上进行安装。固定式悬臂吊组成见图2。
空中移动平台分为上部车轮组结构和下部平台框架结构。上部车轮组结构由3组车轮组成，利用汽车吊依次将3组车轮吊装至小车轨道上，按设计间距布置在指定位置。下部平台框架结构分为3段，3段之间采用法兰螺栓连接，拼装下部平台框架结构和安装平台栏杆的工作在地面完成。采用法兰螺栓结构，利用汽车吊整体起吊下部平台框架结构，在空中完成移动平台上下结构之间的对接安装工作。空中移动平台组成见图3。
在空中移动平台与岸桥小车之间安装连杆，使平台可随岸桥小车前后移动。
利用汽车吊将横向移动小车、千斤顶、枕木、伸缩工艺撑、4根3 m长的加长段吊装至移动平台上。移动小车安装在简易轨道上，在移动小车上依次安装千斤顶和枕木，加长段结构放置于枕木上方。所有结构和工装做好固定措施，防止平台移动时滑落。前大梁加长段吊装位置见图4。
简易轨道两端焊接止滑块，防止移动小车行驶到极限位置脱离轨道。同时，在简易轨道两端设置拉耳、手拉葫芦和钢丝绳，用于左右方向移动加长段结构。
悬臂吊上的单轨小车移动到前大梁头部，与待切割的前大梁梁体做好连接固定。用半自动火焰切割装置断开前大梁，移动单轨小车将头部梁体前移3.2 m，留出加长段安装位置。前大梁加长段安装位置见图5。
横向移动小车将第1段3 m长的加长段结构移动到指定位置，并根据后部大梁的位置进行调整，调整到位后与后部大梁对位焊接。
移动平台前移并添加第2段3 m长的加长段结构，调整到位后与第1段加长段和头部梁体对位焊接。前大梁加长段安装示意图见图6。
在加长段结构上安装小车轨道、轨道垫、轨道压板等附属件，前排拉杆拉点附近安装背弓。拆除固定式悬臂吊、移动平台等工装设备，恢复岸桥小车、岸桥托架小车的位置，完成前大梁结构的加长。
俯仰系统主要由俯仰机构和钢丝绳缠绕系统等组成，可以让前大梁在仰起与放平模式之间切换。俯仰机构主要由电机、联轴节、制动器、减速箱、卷筒等组成。钢丝绳缠绕系统主要由前大梁滑轮组、梯形架滑轮组和钢丝绳等组成。
钢丝绳穿过位于前大梁和梯形架顶部的多组滑轮，绳端固定于俯仰卷筒上，以大梁铰点为固定支点，前大梁上滑轮组为着力点，俯仰电机驱动卷筒转动，收集或放出钢丝绳，达到仰起或放平前大梁的目的。俯仰系统布置图见图7。
钢丝绳安全因数是指钢丝绳最小破断拉力与钢丝绳负载拉力之比。为保证钢丝绳安全可靠运行，各个国家的设计规范均对钢丝绳安全因数有明确规定。针对不同的工作级别，钢丝绳安全因数也有区别。俯仰系统常用的工作级别为M6。根据《起重机设计规范》要求，M6对应的运动钢丝绳安全因数需不小于5.6，改造后的岸桥也需遵循这个原则。
俯仰钢丝绳拉力与前大梁重心位置、前大梁质量、滑轮支点位置等有关。前大梁加长段位于前滑轮组海侧，滑轮支点位置没有变化。但是，前大梁的加长导致前大梁重心前移和质量增加，相应的钢丝绳拉力也变大。
式中：F为钢丝绳拉力，t；ηR为缠绕系统效率；G为前大梁等效质量，t；Lm为前大梁等效重心，m；n1为后钢丝绳倍率；n2为前钢丝绳倍率；L1为前钢丝绳力臂，m；L2为后钢丝绳力臂，m。
加长段结构位于前大梁头部的悬臂端，并未改变缠绕系统的形态。从式（1）可以看出，加长后前大梁质量和重心的变化是引起钢丝绳拉力变化的主要因素。以常规双箱梁结构、前伸距65 m的前大梁为例，分析比对前大梁加长6 m前后的钢丝绳拉力变化。钢丝绳缠绕系统示意图见图8。俯仰钢丝绳拉力计算参数见表1。
根据表1数据，经计算，加长前钢丝绳拉力F为15.58 t，加长后钢丝绳拉力F为17.51 t，变化是非常明显的。
判断岸桥上现有俯仰钢丝绳是否可以继续使用，需要查阅该钢丝绳的最小破断拉力。用该破断拉力与加长后的钢丝绳拉力之比去校核安全因数，如果安全因数小于5.6，则现有的俯仰钢丝绳必须被更换。
钢丝绳的公称抗拉强度是指钢丝绳在拉伸试验过程中最大的试验拉力所对应的应力。相同直径的钢丝绳，公称抗拉强度越大，其对应的最小破断拉力就越大。为避免因俯仰钢丝绳的更换而改变俯仰卷筒等情况的发生，在选用新的钢丝绳时应遵循直径不变的原则，通过提高钢丝绳的公称抗拉强度来获得更大的破断拉力，以满足规范要求的安全因数。
式中：Pe为额定功率，kW；PM为最大动态功率，kW；λ为电机过载因数，λ取常用值1.6；PS为最大静态功率，kW；Pa为加速功率，kW；F为钢丝绳拉力，t；v为钢丝绳速度，m/s；ηR为缠绕系统效率；ηB为俯仰系统效率；I为俯仰机构转动惯量，kg·m2；n为电机转速，r/min；t为加速时间，s。
从上述公式可以看出，钢丝绳拉力的变化是引起电机功率变化的主要因素。以常规双箱梁结构、前伸距65 m的前大梁为例，根据前文计算的钢丝绳拉力，校核前大梁加长6 m后的俯仰电机功率。最大静态功率PS计算参数见表2。加速功率Pa计算参数见表3。
根据表2、表3数据，经计算可得加长前俯仰电机额定功率Pe为260.43 kW，加长后俯仰电机额定功率Pe为290.51 kW，加长后的俯仰电机额定功率明显变大。
电机过载因数λ为电动机的最大转矩与额定转矩之比。常用的岸桥俯仰电机是三相异步电动机，其过载因数一般为1.6～2.2。
在电机厂家同意的情况下，可以采用提高电机过载因数的方法重新校核电机额定功率。将电机过载因数λ由1.6提到至1.8，根据表2、表3数据重新计算可得加长后俯仰电机额定功率Pe为258.23 kW，并没有超出加长前电机额定功率260.43 kW，原电机可以继续使用。
结构刚度是指在外部载荷作用下结构本体抵抗变形的能力。前大梁自由端在负载作用下会出现下挠等情况，下挠程度即是自由端结构刚度的一种外在表现。
前大梁加长6 m后，头部悬臂端长度大幅增加，应力和下挠变形程度也显著增加，严重时会导致结构的变形开裂。为避免出现这种极端情况，可以在前排拉杆附近增加背弓结构，有效解决前大梁多箱位加长后悬臂端的强度和变形问题。背弓结构可以有效地将部分载荷传递至拉杆内侧的梁体上，从而减少自由端的应力和大梁头部的下挠程度，增强结构刚度。背弓结构安装位置见图9。
由于岸桥前大梁的结构比较复杂，可利用ANSYS有限元分析软件中的结构分析功能，直观地模拟出不同载荷下前大梁结构各位置的下挠程度。
以双箱梁结构的前大梁为例，在前伸距位置加载65 t载荷，用ANSYS有限元分析软件中的结构分析功能模拟前大梁头部的下挠程度。前大梁头部下挠程度模拟图见图10。
从图10可以看出：增加背弓结构前，额定载荷下前大梁头部的最大下挠值为381 mm；增加背弓结构后，额定载荷下前大梁头部的最大下挠值为330 mm。增加背弓结构后，前大梁头部的最大下挠值明显减小，证明了背弓结构对改善前大梁的结构刚度是有帮助的。
岸桥的前伸距位于前大梁的悬臂端，该位置的结构强度与悬臂端长度有着密切关系。随着悬臂端长度的加长，前伸距位置的结构应力也会明显增大。增加背弓结构的主要作用之一就是减小前伸距位置的结构应力，保证加长后前大梁的强度符合相关设计规范。
以常规双箱梁结构、额定载荷65 t的前大梁为例，运用ANSYS有限元分析软件分析前伸距位置的结构应力。前伸距位置结构应力模拟图见图11。
从图11可以看出：增加背弓结构前，前伸距位置的最大应力值为359.56 MPa；增加背弓结构后，前伸距位置的最大应力值为271.11 MPa。增加背弓结构后，前伸距位置的最大应力值明显减小，证明了增加背弓结构可以有效提高前大梁结构的强度。
应用前大梁多箱位空中加长技术方案后能大幅减少港口现场的施工周期和施工成本。现场施工团队不需要为了移位岸桥而在码头上铺设大量临时轨道和租借移位工装设备。施工团队只需要租借普通的汽车吊就可以完成加长核心装置的起吊拼装和加长段的安装工作。
2019年，前大梁多箱位空中加长技术方案在广州港南沙港区岸桥项目上首次应用，现场完成第1台岸桥前大梁空中加长的施工周期仅为20 d。若采用传统的前大梁加长方案，现场单台岸桥的施工周期至少需要45 d。同时，前大梁多箱位空中加长技术方案的施工成本也仅为传统方案的60%左右。广州港南沙港区岸桥空中加长施工现场见图12。
加长核心装置是前大梁多箱位空中加长技术方案的关键，使用该装置可以实现在空中对前大梁进行加长。同时，在前排拉杆附近安装背弓结构，可以有效解决前大梁多箱位加长后悬臂端的强度和刚度问题。前大梁多箱位空中加长技术方案已经在中国广州港、西班牙阿尔赫西拉斯港等国内外多个港口成功应用，在缩短施工周期、降低施工成本等方面效果显著。
原文标题：岸边集装箱起重机前大梁多箱位空中加长技术方案
作者：李波，黄宾；上海振华重工（集团）股份有限公司
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