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Department of Civil and Industrial Engineering, University of Pisa, Largo Lucio Lazzarino, 56122 Pisa, Italy

1.介绍

本文对龙门起重机的灾难性故障进行了分析。失败是由强风推动下，起重机开始漂移和脱轨和倒塌，如图1和图2所示。操作员在起重机顶部的小屋的报道，一个非常强大的风鹤站在夹轨器配合作用下，在给定的时间内，起重机开始移动，行驶间隔约几十米后（约50–60米），出轨。

起重机的安全方面和风险分析被认为是一个重要的职业和环境问题，特别是在建筑行业[ 1 - 5 ]。然而，据笔者所知，这种涉及起重机随风漂流事故，以前没有记录在技术文献。风的作用是由于气候的影响，要考虑起重机的设计和起重机结构的完整性和稳定性上的风的影响已被讨论的几个作品（见最近的论文[ 6 - 9 ]）。

图1 事故后的起重机图片。摆腿仍然在旅行轨道上，而固定腿旋转和部分下降的老化港口（见图2）

图2 事故后固定腿的详细情况。一些铁路锚栓被打破，转向架脱轨的轨道下的轨道部分，在化石舰队

根据标准，风荷载是基于给定的参考速度，这是有关不同的操作条件[ 10 - 12 ]。动态风压（N/m2），必须评估由以下关系作为一个功能的风速v（m/s）；

在役风速可高达28米/秒（100.8公里/小时），对应于一个动态压力约为500平方米/平方米（在标准中给出的值）。另一方面，出风服务是地面以上的高度和结构，其高度为20米和100米之间的函数是42米/秒（151.2公里/小时），对应于一个动态压力约1100平方米（给定的值在标准）。标准也给出了如何评估风的阻力，并建议使用铁路钳或类似的替代措施，以防止服务漂移的迹象。

2．起重机几何和故障描述

起重机是一个古老的建筑，可以追溯到第二十世纪40年代，并提供了一个化石舰队。图3显示了起重机的示意图：它是由两个不同长度的腿和上部结构的起升机构。之间的跨度的行驶轨迹和负载提升高度分别为约90米和24米，分别。总高度为33米，上部结构的高度约为9米。腿的高度分别为约22.5米和17米，分别为钟摆和固定腿。每个腿结束与两个转向架和每个转向架有两个钢轮（直径120厘米）与双法兰保持转向架上的轨道（图4）。

最近，在第二十一世纪初，每个转向架被赋予了一个新的被动轨钳（安装在转向架属于摆动腿的夹具见图5）。

在被动夹、摩擦垫压在钢轨上的一系列Belleville垫圈，在制动过程中，摩擦载荷的反应块抵消（有一块摩擦垫的两侧），这是由3个螺栓固定在夹壳（图6）。为了使起重机的运动轨道上的运动，液压电路是用来克服弹簧预紧力，从而脱离夹具（图6）。

图3.示意图：（a）门式起重机前（b）侧视图.

图4 一个带轮的转向架（拆下起重机后拍下的图片）

对起重机进行检查，特别是在事故发生后对夹具进行详细检查导致以下考虑：

bull;摆腿保持与转向架上的行驶轨迹（图1），而在另一边，固定腿逆时针旋转在顶视图和出轨，后部分的螺栓锚固钢轨断裂（图2）；因此，一些起重机的结构倒塌；

bull;安装在摆腿夹紧摩擦垫不在他们的工作岗位，由于系统承载垫破裂（图7a），或以螺栓固定反应块夹壳破裂（图7B）；其中摩擦垫在化石舰队发现，附近的初始位置的起重机在漂流前，另一个仍在夹紧，即使它不再能产生任何制动作用（见图7和图8）。

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图5 两个转向架（摆腿的）的照片，其中可以看到被动夹具。两个夹具的轴导致倾斜，在相同的方向上，相对于事故后的轨道，由于永久变形所产生的非常高的接触载荷

图6 轨夹示意图

3.事故再现

由意大利法院聘请的专家顾问进行事故分析与重建，分两个阶段进行。在第一部分中的铁路夹持能力相比，目前的规定的要求和风荷载在事故的时刻，以了解是否正确设计的夹具，并验证实际风荷载是否超过其最大容量。在此之后，分析试图解释起重机倒塌的方式，这是已经描述了参考图片1和2。

在技术报告，被编译为安装的铁路钳，一个动态的风压P = 1.1千牛/平方米（对应于一个风的42米/秒）和总有效的起重机A = 350平方米假定。没有考虑形状系数，因此，总风荷载的服务条件估计为462千牛（46.2吨）。

3.1．事故时夹具设计与风荷载

根据标准[ 12 ] 10–风荷载F，表示在牛顿，对起重机的每种元素都是由以下的关系：

其中P是由Eq.（1）给出的动态风压，a是所考虑的元素的有效前沿面积和CF是在该部分的风向的形状系数。这个系数取决于元素的几何形状，并给出了参考表：平面部分构成的起重机结构CF = 1.7 。总的风荷载在起重机上，然后可以通过以下方式获得总结的贡献构成起重机的所有部分，也考虑屏蔽效应。此外，考虑到起重机（A8类）的分类，标准建议使用1.2安全系数适用于情商（2）。

在技术报告，被编译为安装的铁路钳，一个动态的风压P = 1.1千牛/平方米（对应于一个风的42米/秒）和总有效的起重机A = 350平方米假定。没有考虑形状系数，因此，总风荷载的服务条件估计为462千牛（46.2吨）。

每一个选定的铁路钳，有一个最大的理论能力124千牛，总制动能力为496千牛（49.6吨）。关于上述估计的服务条件的小幅度被选中。此外，建议的安全系数没有考虑到考虑。对于这一点，它也值得注意的是，最大夹持能力估计考虑垫和轨之间的理论0.58摩擦系数，这是由于不准确的计算不好的证据,该值是由TUV认证的新摩擦垫。

有效面积的准确评价，进行事故分析改造过程中，发现有效面积有所低估；以同样的形状系数CF = 1.7，停用的风荷载是等于1100kN（110吨），即更大，由22个因素，与就估计出服务负载被认为是对夹轨器的选择。起重机应该被赋予夹具，或与其他防漂移系统，具有显着更大的能力，这是由于不准确的计算不好的证据。

图7 底部的轨道夹属于摆式腿，事故发生后摩擦垫不再在位置，由于系统携带的摩擦垫（A），或断裂的反应块（B）的螺栓断裂（见图8）

另一方面，尽管夹具选择，事故重建必须根据风荷载在事故的时刻。实际的风荷载是两个独立的数据的基础上估计：记录被放置在工厂安装风速仪，附近的起重机（图9a）和数据从南丫岛网站；南丫岛是托斯卡纳地区和意大利国家研究委员会成立了一个公共的财团，已在事故区域气象站（图9B）。事故发生在午夜，当时，在记录的基础上，平均风速约为90–100公里/小时的风速在110公里/小时（见图9b）。

对于起重机的漂移，相关的平均速度是真正接近最大阵风速度，这意味着风是强大的，不断。搜索在录音可以在南丫岛网站证实，风致为最强的风（特别是参考的平均速度）被记录在过去的3年里，这证实了特别关键的条件，是在事故发生的瞬间。

考虑到风的方向并沿滑动方向的风荷载（所以，站西南，图9b），和一个更新的有效面积，考虑减少迎风面积和额外的贡献来自起重机支腿了。

通过使用关系（1）和（2）的风速= V = 108公里/小时（30米/秒），得到的总风荷载为431千牛，这是真正接近最大理论夹紧能力为496千牛。同样，它可以发现，风荷载为341千牛对应的风速为96公里/小时（26.7米/秒）。

它可以很容易地表明，风荷载超过钳位容量，如果被认为是0.5或更低的摩擦系数（而不是标称值为0.58）。特别是，整体夹紧能力成为428千牛或342千牛，如果摩擦系数为0.5或0.4，分别假定。摩擦系数的这些值可能出现考虑摩擦垫的磨损（见图10）和垫和轨表面的非完美状态。

考虑到风的方向并沿滑动方向的风荷载（所以，站西南，图9b），和一个更新的有效面积，考虑减少迎风面积和额外的贡献来自起重机支腿了。

以前的分析表明，这是非常可能的，在事故发生的时刻，风荷载超过最大夹紧能力和一个正确的，安全的，夹紧系统的设计一定会防止这种情况。

图8 其中一个的摆腿夹底视图（在图7B所示）失去制动功能（一）。左边的三根螺栓（图中）。7B和8A）反应块坏了（B）

3.2 起重机载荷分析与故障解释

它可以合理地假设，在开始漂移的摆动腿的夹具失去了摩擦垫；事实上，如已经在第2节中所述的摆腿的摩擦垫之一被发现在化石舰队附近的起重机的初始位置（漂移前）。摩擦垫不再是作为垫运载系统的破裂的结果或固定的反应块的夹紧壳体螺栓（图）。7和8）。这种破裂可能引起的动态负载，导致高摩擦载荷和粘滑现象的结果，最终提高了转向架结构的变形能力（这些可以被确认也图5）和可能的非完美的线性度的钢轨表面。

为了简单起见，图11表示的平面模型的加载方案和变形形状的起重机只是出轨前，在分布的风和惯性负载的作用下。通过腿的导轨施加在起重机上的约束作用是不同的，假设在摆腿侧摩擦垫丢失在初始漂移阶段（见第2节结束）。

在两侧，钢轨通过转向架上的车轮交换弯曲反应（见图4）。这些分别表示M1和M2，分别。此外，在左侧与参考图11，固定腿的摩擦垫的位置，并可以发挥纵向制动力，与F表示在图中。分析是静态的，图中假定纵向载荷F，这是安装在固定腿夹总制动负荷，等于分布式风力和惯性载荷的合力作用，表明在制动力F，被夹的能力有限，假设为已知常数。

在图11中，所有的载荷都假定在平面上。事实上，这种分布式风压力和惯性载荷的合力施加在某一高度的轨道，这导致不同的竖向荷载对双腿的转向架（前转向架，在漂流，方向受到更高的垂直载荷在减速的起重机和反之亦然加速情况下）。然而，它承担竖向荷载的传递，这在不影响制动负荷，由于夹具的作用是通过Belleville的预紧弹簧位于夹确定（见图6）和不受垂直载荷交换车轮和轨道之间的（因为它发生在车辆）。

图11所示的系统是静态不确定的，因为旋转平衡由两个贡献M1和M2提供。该系统可以很容易地解决了标准的解决方法，超静定梁，得到以下结果：

然后，可以得出结论，假设制动动作的一侧上的固定腿，在事故发生的时刻，所施加的轨道上的固定腿的反应力矩的两倍，所施加的导轨上的摆腿。这意味着转向架和钢轨之间的载荷在固定的腿侧上更大，从而解释了相应钢轨的锚栓的断裂和由此产生的脱轨。

可以观察到反应时刻的方向与图中已经显示的一致。事实上，固定腿通过铁轨上的转向架所产生的力矩与图1所示的M1时刻的方向相反。值得注意的是，M1和M2给出的时刻相对于他们的实际值有点高估，因为他们得到假设在水平平面的光束的肢体部分的零旋转，这是假设无限刚性腿相同。

图9 事故当天的风声记录。风速计的位置附近的起重机记录（一）记录从南丫岛气象站（B）。南丫岛的记录（图（b））显示每小时4值，表示平均风速（上图）和阵风最大速度（下图）每个季度一个小时

图10 事故发生后的摩擦垫图片显示，接触面磨损明显.

考虑到同一腿的两个转向架之间的相对距离D明显大于同一转向架的车轮之间的距离（图12），各转向架和导轨T之间的合力可以通过以下关系得到：

在以前的考虑的基础上，人们发现，总的风荷载范围在340 - 430千牛，而总夹持能力，与新的垫（摩擦系数0.58）被认为是496千牛。

考虑到摩擦系数为0.45，每个腿的制动能力估计为约f = 190千牛。有了这个价值，与铁路交换的力量，如Eq.（4）获得的，是约T = 350千牛。另一方面，由于M2 = 0.5 M1的负载之间的转向架和导轨交换的一半的值。

因此，估计负荷350千牛，分布在两个轮子，是负责断裂的锚定螺栓的铁路，如图所示2。

4.结论

本文讨论了在存在持续强风的情况下，门式起重机发生的脱轨和故障。两个独立的风记录表明，在事故发生的时刻，平均风速为90和100公里/小时，阵风在108

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