桥式起重机风荷载计算：风速、风压和设计极限的完整指南
桥式起重机风荷载计算是起重机结构设计和户外安全作业中最重要的方面之一。无论是设计还是 高架起重机, 龙门起重机对于轮胎式龙门起重机（RTG）、旋转式龙门起重机（RMG）或岸桥式集装箱起重机，工程师必须准确确定设计风速、风压和运行风速限制，以确保结构强度、稳定性和抗倾覆性能。风荷载计算错误会导致结构应力过大，起重机在强风或台风条件下脱轨、滑动、倾覆或严重损坏。
本指南根据 GB/T 3811-2008、GB/T 6067.1-2010、GB/T 28591-2012 和 GB/T 43237-2023，阐述了起重机风荷载计算背后的工程原理，涵盖了风压公式、风速换算、蒲福风力等级、台风等级以及不同类型起重机的运行风速限制。
表1 项目起重机规格的风速设计参数
1. 风速计和风速报警要求
- 对于室外高层起重机，应在起重机上迎风的高处安装风速计。（GB/T 6067.1，第9.6.1.1条）
- 户外高层起重机应配备风速报警装置，该装置应显示瞬时风速，并在风力超过运行设计风速阈值时发出报警信号。（第9.6.1.2条）
- 当风速超过制造商规定的最大工作风速时，禁止起重机作业。（第17.1条）
2. 设计风速和设计风压
在役设计风压分为两个等级：
- pⅠ — 正常工作条件下的设计风压，用于电机功率选择（电阻计算和热验证）
- pⅡ——最大在役设计风压，用于结构部件的强度、刚度和稳定性校核，驱动过载能力验证，以及在役防倾覆稳定性和防滑安全性。
pⅠ = 0.6 × pⅡ
停用设计风压 pⅢ 是起重机在非运行状态下必须承受的最大风压。它用于停用强度检查、防倾覆稳定性验证以及轨道夹具、锚固装置和防风暴连接件的设计。
基本风压-风速关系（适用于运行中和停用状态）：
p = 0.625 × Vs²
| 象征 | 意义 | 单元 |
|---|
| p | 设计风压 | 牛/平方米 |
| 对比 | 设计风速（3秒阵风） | 多发性硬化症 |
表2 服役设计风压和设计风速（来源：GB/T 3811-2008 表15）
关键转换关系设计风速 Vs 是在开阔地形中 10 米高度处测得的 3 秒阵风。在运行条件下，Vs = 10 分钟平均风速 × 1.5（见表 3）。在停用条件下，Vs = 10 分钟平均风速 × 1.4（见表 4）。10 分钟平均风速是气象风力标度的参考值。
表 3 设计风压 p、3 秒阵风速度 Vs、10 分钟平均风速 Vp 与风力标度之间的关系（来源：GB/T 3811-2008 表 E.1）
表4 停用设计风压和设计风速（来源：GB/T 3811-2008 表18）
核心推导
根据表2和表3，对于在正常风况下运行的起重机：
- 最大设计风压：250 N/m²
- 最大设计风速（阵风）：20 米/秒
- 对应风力：6级
这就是为什么风速警报必须在 6 级风速时触发——这是起重机结构和稳定性在正常使用中设计的极限阵风速度。
根据表4，内陆起重机在停用状态下的情况如下：
- 最小停用设计风压：500 N/m²
- 最低停用设计风速（阵风）：28.3 米/秒
- 对应风力：8级
这就是为什么起重机必须在 8 级力下进行锚固——这是内陆起重机的最低停用设计条件。
3. 风力等级分类
3.1 术语
- 风速：单位时间内空气水平移动的距离。常用单位：米/秒、千米/小时或节。（GB/T 28591-2012）
- 风力风力强度，通常以风力等级数值表示。蒲福风力等级是国际通用的等级。(GB/T 28591-2012)
3.2 风力等级
根据GB/T 28591-2012 风力等级风力分为 18 个等级：0 到 17。
表5 风力等级分类（来源：GB/T 28591-2012）
3.3 蒲福风力等级
蒲福风力等级由弗朗西斯·蒲福（1774–1857）于1805年制定，并于1946年进行了扩展。它将风力等级与可观测的地表特征联系起来。
表6 蒲福风力等级与地形特征（来源：GB/T 28591-2012）
4. 台风分类
台风分为五个强度等级：热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风。表7详细列出了台风中心附近的最大平均风速及相应的地表特征。
表 7 台风等级——中心附近及陆地特征的最大平均风速（来源：GB/T 43237-2023）
5. 各类起重机的作业风速限制
| # | 起重机类型 | 标准 | 在役限制 | 停运限制 |
|---|
| 1 | 通用龙门起重机 | GB/T 14406-2011 | 内陆≤150 Pa (F5)，沿海≤250 Pa (F6) | — |
| 2 | 电动葫芦龙门起重机 | JB/T 5663-2008 | 内陆≤150 Pa (F5)，沿海≤250 Pa (F6) | ≤800 Pa (F10) |
| 3 | RTG集装箱起重机 | GB/T 14783-2009 | ≤20 米/秒 (F6) | ≤44 米/秒 (F11) |
| 4 | RMG集装箱起重机 | GB/T 19683-2005 | ≤20 米/秒 (F6) | — |
| 5 | 岸桥式集装箱起重机 | GB/T 15361-2009 | ≤20 米/秒 (F6) | ≤50 米/秒 (F12) |
| 6 | 造船龙门起重机 | GB/T 27997-2011 | ≤250 Pa (F6) | ≤1,000 Pa (F11)；沿岸锚泊 ≥55 m/s (F13) |
| 7 | 桥式抓斗式卸船机 | GB/T 26475-2021 | ≤20 米/秒 (F6) | ≤49 米/秒（F12）；沿岸锚泊 ≥55 米/秒（F13） |
| 8 | 门式起重机 | GB/T 29560-2013 | 根据GB/T 3811表15 | 根据GB/T 3811表18 |
| 9 | 桥梁梁架架设机 | GB/T 26470-2011 | 横向移动≥150 Pa (F5)，竖立移动≥250 Pa (F6) | ≥1,200 Pa (F11) |
| 10 | 塔式起重机 | GB/T 5031-2019 | ≤20 米/秒（F6）；竖立 ≤12 米/秒（F5） | 参见表8 |
| 11 | 卡车起重机 | JB/T 9738-2015 | ≤14.1 米/秒（F5）；收起副臂速度≥15.5 米/秒；收起主臂速度≥20 米/秒（F6） | — |
| 12 | 水电站龙门起重机 | JB/T 6128-2008 | 参见表9 | 参见表9 |
表 8 水电站龙门起重机停用设计风压和风速（来源：JB/T 6128-2008）
笔记以上第1至12项所列风速均为设计风速，即3秒阵风风速，是气象风力等级参考值的1.5倍或1.4倍。对于未列出的起重机类型，请参阅适用的产品标准。
6. 桥式起重机风荷载计算概要
| 风力 | 阈值（10分钟平均值） | 3秒阵风对决 | 设计风压 | 所需操作 |
|---|
| 六号部队 | 10.8–13.8 米/秒 | 20 米/秒 | 250 牛/平方米 | 警报——起重机处于最大运行设计工况；提醒操作员监控工况并做好准备 |
| 七号力量 | 13.9–17.1 米/秒 | 约22–25米/秒 | — | 停机并锁定——风力已超过绝大多数起重机的设计工作极限；停止所有操作，防止手动操作。 |
| 8号力量 | 17.2–20.7 米/秒 | 28.3 米/秒 | ≥500 N/m² | 锚固——热带风暴级别的风力；启用所有轨道夹具、锚固装置和防风暴系固装置。 |
特殊情况，例如抗风港口起重机、军用起重机和救援起重机，可能适用不同的阈值。对于所有标准桥式起重机和门式起重机，均适用6/7/8级风力规则。7.桥式起重机风荷载计算：关键工程要点
精确计算桥式起重机风荷载是户外起重设备安全设计、运行和维护的基础。通过正确确定设计风速、风压、荷载组合和运行风限，工程师可以优化结构设计，提高抗倾覆稳定性，并选择合适的防风装置，例如风速计、轨道夹、锚固系统和防风暴拉索。了解气象风数据、设计风压和起重机运行条件之间的关系对于预防风相关故障和确保安全起重作业同样至关重要。
遵循GB/T 3811规定的计算方法和设计要求，结合GB/T 6067.1的安全规定和适用的起重机产品标准，制造商、设计人员和维护团队可以建立可靠的桥式起重机、门式起重机、轮胎式龙门起重机、轨道式龙门起重机、岸桥和其他户外起重设备的抗风荷载评估程序。正确的抗风荷载计算不仅能提高运行安全性，还能延长设备使用寿命，增强其在恶劣环境下的长期可靠性。
主要参考标准(查询中国起重机标准):
- GB/T 6067.1-2010 起重设备安全规则 — 第1部分：总则
- GB/T 3811-2008 起重机设计规则
- GB/T 43237-2023 公共气象灾害防治指南——台风
- GB/T 28591-2012 风速标尺
克里斯塔尔
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