新起重机和现有码头

行业趋势与挑战

自诞生以来，集装箱起重机行业在许多方面取得了显著进步。考虑到巨大的资本成本，最令人惊讶的变化之一是设备和设施规模的不断扩大，且目前看不到明显的上限。限制船舶大小的唯一因素是水深以及港口与公海之间的桥梁高度。集装箱起重机通过增加外伸距、提升高度和提升能力来跟上船舶尺寸的增长。显然，对降低成本的追求促使航运公司采购更大、更高效的船舶。

当船舶变得更宽时，其稳定性更高。这种额外的稳定性允许在船舶甲板上方和下方堆叠更高的集装箱。推动集装箱船持续增长的一个重要因素是规模经济：随着船舶尺寸增大，每箱运输成本降低。随着旧船退役，它们被更新、更大的船只取代。为了服务这些更大的船舶，需要具有更长外伸距的更高起重机。

近期事件也对供应链造成了额外压力，导致港口所有者和运营商寻求提高集装箱吞吐量的更快方法。利用现有基础设施是实现这一目标的一种途径。通过在现有码头上安装新起重机，所有者和运营商避免了建造新设施的费用和延误，并获得了服务更大船舶的好处。尽管如此，当大型船舶挂靠港口时，港口必须具备服务其上集装箱的基础设施。这些更大的起重机重量更重，对码头施加的载荷也更大。因此，码头需要具备更高的强度或进行升级以支持更大的载荷。

悬臂特性

鉴于岸边集装箱起重机的悬臂性质，设计具有更长外伸距和更大提升高度同时最小化轮载的起重机并非易事。由于需要平衡自身重量，悬臂结构在结构上效率较低。尽管悬臂结构似乎是目前最有效的船到岸集装箱起重机设计（其他布置方式正在研究中），但对于悬臂式起重机而言，随着外伸距和提升高度的增加以跟上船舶尺寸，水域侧的轮载会急剧增加。简而言之，轮载是从起重机轮子传递到支撑码头结构的载荷量，包括起重机自重、吊装载荷的影响、风载荷等。

一个保持不变的物理维度是几乎所有集装箱船上的 40 英尺舱口开口。终端生产力要求采用标准的行业做法，即在每个交替的舱口旁工作相邻的起重机。这意味着沿码头测量的从防撞垫到防撞垫的总起重机宽度不得超过交替舱口之间的中心距离。无论起重机的外伸距和高度如何，这都将起重机宽度限制在约 88.5 英尺（27 米）。40 英尺的舱口开口是行业标准，火车、卡车、堆场起重机以及航运公司都是围绕这一标准设计的。采用新标准需要多方进行大量投资。

码头设计师需要关注这 88.5 英尺的起重机宽度限制，因为该尺寸限制了可用于支撑每台起重机的有效码头长度。这一限制，加上悬臂效率低下、更长的外伸距、增加的提升能力、增加的提升高度以及更高的风暴风载荷，导致码头载荷从世纪初的大约 70 吨/米增加到 130 吨/米——并且还在增长。在过去二十年中，这是一个 185% 的增加。

理解码头强度

在理想情况下，码头所有者将拥有足够的文件，包括竣工图纸、计算书、土壤报告和材料认证，以便知晓其强度或结构完整性。而这些发现可能会揭示码头不够坚固，无法承受更大的起重机。

通常的做法是使用更大的轨道并加强轨道支撑结构。一般来说，水上轨道会安装新的桩基；对于陆地上的轨道，增加门架轨道梁或添加新桩基可能是一个选项。然而，这并不是唯一需要考虑的因素。通常，通过遵循充分利用竣工码头强度的合理工程方法，可以在现有码头上安全地安装更大的起重机。有时，码头设计师在设计和施工过程中做出的保守决策可能导致码头具有储备强度。此外，混凝土随着时间的推移可以变得更强，这也导致了储备强度。有良好文档支持的已发布码头强度可被视为可靠的最低限度；几乎总是可以从这样的现有设计中找到额外的容量。

原始设计的安全系数也可能过于保守。在选择安全系数时，设计工程师应考虑施加载荷的可能准确性。当施加载荷以高确定性已知时，分配较低的安全系数是合理的；相反，当载荷定义不明确时，较高的安全系数是有理由的。许多土木工程师使用高安全系数来处理起重机载荷，因为他们是基于起重机载荷估算来设计码头的。然而，如果物理测量了起重机自重，起重机载荷可以以非常高的确定性确定。通常，可以合理地证明小于最初假设的码头安全系数。

起重机设计工程师也扮演着重要的角色。通过在设计阶段巧妙地注意最小化重量，他们可以最小化轮载。实现最小结构重量确实需要工程专业知识，但这种额外努力往往可以通过减少钢材成本和降低对码头的要求来收回成本。

在高地震区减少轮载的另一种方法是指定基础隔离系统，例如由 CPA 开发的起重机基础抗震隔离系统 (BASIS)。基于非线性时间历史分析 (NLTHA) 的 BASIS 中的阻尼系统在施加的横向载荷超过设计横向载荷时会滑动，从而将起重机与地震的地面运动隔离开来。

阻尼系统通过两种方式减少轮载：首先，通过限制传递到起重机的地震能量量，它降低了强度需求，这意味着起重机结构可以更轻，从而减少轮载；其次，阻尼系统限制了地震期间传递到起重机的横向载荷。当横向载荷施加到起重机结构时，一侧的轮载增加，另一侧的轮载减少。限制地震期间的横向载荷限制了这种影响，这意味着传递到码头的轮载减少。BASIS 系统吸引力的另一个因素是能够在重大地震后快速使起重机恢复服务。

为新起重机建立安全的轮载

为现有码头确定安全的轮载，第一步是基于新起重机所需的载荷、外伸距及其他物理要求，规定一个现实的允许轮载。业主往往在缺乏对可能使合规变得不可能的物理限制的理解的情况下，试图将问题转嫁给起重机制造商，而这种情况屡见不鲜。这通常导致起重机制造商拒绝投标，或交付的起重机无法满足轮载要求。起重机顾问可以估算不同起重机尺寸、风速及其他环境载荷条件下的现实轮载，从而帮助港口指定最大可行的起重机。

如果发现码头的强度处于临界状态，有时最经济的解决方案是加固码头，而不是优化起重机的重量。如果决定加固码头，请记住未来进行起重机起升高度提升或臂架延长以增加起重机使用寿命的可能性。此外，未来的起重机订单很可能针对更大尺寸的起重机，并要求更高的码头轮载能力。

如果业主必须限制轮载，则应要求制造商在完成起重机后通过测量实际轮载来证明其合规性。如果制造商未能履行其合同义务，业主应保留取消订单的权利。优秀的起重机顾问可以帮助业主避免争议性问题。此外，优秀的顾问会与业主合作，确保新起重机的选型适当，并避免因船舶尺寸不断增大而过早淘汰。

虽然像我们这样的公司主要支持通常与航运公司合作的终端运营商和起重机所有者，但我们通常不与造船厂直接互动，除非航运公司与终端运营商是同一家公司。因此，继续与终端运营商和所有者保持接触非常重要且恰当，因为他们很可能持续需要增加其岸桥集装箱起重机的尺寸。

关于 Casper, Phillips & Associates Inc.

Phillips & Associates Inc. (CPA) 提供多种服务，包括采购、规范制定、设计、制造审查、改造以及事故调查。