حساب حمل الرياح على الرافعات وفق GB/T 3811-2008
خلاصة في سطر واحد: حمل الرياح هو السبب الخارجي الأول لانقلاب الرافعات في حالة عدم التشغيل وإجهاد الهيكل. تستند هذه المقالة إلى البند 4.2.2 من معيار GB/T 3811-2008 ومعيار ISO 4302:2022، وتشرح بالكامل خطوات حساب حمل الرياح وفق المعادلة Fw=Cw·p·A — تقسيم مناطق ضغط الرياح (داخلية (المناطق الداخلية) 250Pa/ساحلية 500Pa/عاصفة 1500Pa)، معامل الشكل C (هيكل شبكي 1.6~2.0/صندوقي 1.2~1.4)، معامل الارتفاع Kh (أقل من 10م 0.7/أكثر من 30م 1.2)، ومعامل تخفيض الرياح للعناصر المتعددة η (ثنائي العارضة 0.5~0.7/برج 0.3~0.6)، مع ثلاثة أمثلة حسابية كاملة للرافعة القنطرية والرافعة البرجية ورافعة الرصيف.
حساب حمل الرياح على الرافعات بالتفصيل
مناطق ضغط الرياح | معامل الشكل | معامل الارتفاع | تخفيض الرياح | أمثلة هندسية
معايير حساب حمل الرياح والمعادلة الأساسية
المعادلة الأساسية لحساب حمل الرياح على الرافعات (المعادلة 4.1 من معيار GB/T 3811-2008، البند 5 من معيار ISO 4302:2022):
Fw = Cw · p · A · Kh · η (N)
حيث: Cw — معامل شكل الرياح (بلا أبعاد)؛ p — ضغط الرياح المحسوب (Pa)؛ A — مساحة التعرض للرياح (م²)؛ Kh — معامل تغير ضغط الرياح مع الارتفاع؛ η — معامل تخفيض الرياح للعناصر المتعددة
في حالة التشغيل (أقصى ضغط رياح تتحمله الرافعة أثناء العمل العادي)، يُستخدم حمل الرياح للتحقق من قوة الهيكل ومقاومة الانقلاب؛ أما في حالة عدم التشغيل (ضغط رياح العاصفة بعد التوقف)، فيُستخدم حمل الرياح لتصميم مقاومة الرياح ومنع الانزلاق وجهاز الإرساء. تختلف قيمة ضغط الرياح p بين الحالتين.
تقسيم مناطق ضغط الرياح p — داخلية/ساحلية/أعاصير
يقسم الملحق أ (ملحق إلزامي) من معيار GB/T 3811-2008 الصين إلى ثلاث مناطق أساسية لضغط الرياح، مع قيم مختلفة حسب حالة تشغيل الرافعة أو عدم تشغيلها:
| منطقة ضغط الرياح | منطقة التغطية | ضغط الرياح التشغيليpw | غيرضغط الرياح التشغيليpnw | سرعة الرياح المقابلة |
|---|---|---|---|---|
| Ⅰمنطقة ضغط الرياح(الداخلية) | باستثناءⅡ,Ⅲجميع المناطق الداخلية خارج المنطقة | 250 Pa | 600~800 Pa | 20m/s / 31~36m/s |
| Ⅱمنطقة ضغط الرياح(الساحلية) | على بعد من خط الساحل10kmالمناطق الساحلية ضمن | 500 Pa | 1000~1200 Pa | 28m/s / 40~44m/s |
| Ⅲمنطقة ضغط الرياح(إعصار قوي) | هاينان,ساحل تشجيانغ,ساحل فوجيان,ساحل قوانغدونغ | 500 Pa | 1200~1500 Pa | 28m/s / 44~49m/s |
ملاحظات هندسية: ضغط الرياح غير التشغيلي هو أقصى ضغط رياح تتحمله الرافعة بعد توقفها عن العمل، ولا يتجاوز في قيمته الحد الأقصى لضغط الرياح المتوقع حدوثه مرة واحدة كل مائة عام. وقد أضافت اللائحة الفنية الجديدة TSG 51-2023 في البند 3.2 متطلبًا إلزاميًا لتحديد قيمة ضغط الرياح غير التشغيلي: عند تركيب جهاز مقاومة الرياح، يجب اعتماد ضغط الرياح الأساسي الذي يحدث مرة كل خمسين عامًا في المنطقة المحلية كمرجع (وفقًا للملحق E من المواصفة GB 50009-2012 "مواصفة تحميل الهياكل الإنشائية")، ولم يعد مسموحًا للمصممين بتقدير القيمة بشكل شخصي.
معامل الشكل الانسيابي Cw: الفرق بين الهياكل المختلفة قد يصل إلى الضعف
يعكس معامل شكل الرياح Cw عدم انتظام توزيع ضغط الرياح على سطح الهيكل. يقدم معيار ISO 4301 / FEM 1.001 في البند 4.2.2.2 قيمًا موصى بها وفقًا لنوع الهيكل:
| الشكل الإنشائي | Cw | التطبيقات النموذجية |
|---|---|---|
| عنصر صندوقي مصمت(مقطع مستطيل) | 1.2~1.4 | نوع QDجسريالعارضة الرئيسية,نوع LDعارضة مفردةالعارضة الرئيسية |
| هيكل شبكي (جمالون)(أنبوب دائري) | 1.4~1.6 | جمالون أرجل الرافعة القنطرية,رافعة برجيةبرج |
| هيكل شبكي (جمالون)(زاوية حديدية/فولاذ قنواتي) | 1.6~2.0 | ذراع الرافعة البرجية,بوابة رافعة حاويات الرصيف |
| مقطع دائري(D≥0.3m) | 0.7~1.0 | الأنبوب الدائري للقطعة القياسية للرافعة البرجية,الأنبوب الدائري لأرجل الرافعة القنطرية |
| مغلقكابينة المشغل/غرفة الكهرباء | 1.2 | كابينة المشغلالجدار الخارجي,خزانة التحكم الكهربائيةالصندوق |
ملاحظات هندسية: يجب أن تُؤخذ قيم معامل Cw مختلفة لكل مكوّن من مكوّنات الرافعة الواحدة، وتُحسب أحمال الرياح لكل مكوّن على حدة ثم تُجمّع، بدلاً من توحيد القيمة بأخذ القيمة القصوى. على سبيل المثال، في الرافعة القنطرية، يجب حساب العارضة الرئيسية (صندوقية Cw=1.3)، والرافعة (هيكلية Cw=1.6)، وكابينة المشغل (Cw=1.2) بشكل منفصل. إن توحيد القيمة بأخذ الحد الأقصى 1.6 يؤدي إلى المبالغة في تقدير حمل الرياح بنسبة 25%~30%، مما يزيد من الوزن والتكلفة الهيكلية دون داعٍ.
معامل الارتفاع Kh: تأثير الارتفاع على أحمال الرياح
تزداد قوة ضغط الرياح بشكل أُسّي مع زيادة الارتفاع عن سطح الأرض. يحدد البند 4.2.2.3 من معيار GB/T 3811 قيم Kh المقابلة لارتفاعات H المختلفة عن سطح الأرض (استناداً إلى خشونة السطح من الفئة B - الحقول المفتوحة/الضواحي):
| الارتفاع عن الأرضH(m) | Kh | ملاحظات |
|---|---|---|
| H ≤ 10 | 0.7 | سرعة الرياح منخفضة داخل الطبقة الحدودية الأرضية |
| 10 < H ≤ 20 | 0.9 | |
| 20 < H ≤ 30 | 1.0 | ارتفاع مرجعي،Kh=1.0 |
| 30 < H ≤ 50 | 1.2 | |
| 50 < H ≤ 100 | 1.4 | الرافعات البرجية العالية/رافعات الرصيف يجب أن تأخذ هذه القيمة |
| H > 100 | 1.6~1.8 | الرافعات البرجية فائقة الضخامة/الرافعات البحرية |
ملاحظات هندسية مهمة: بالنسبة للرافعات البرجية الكبيرة (بارتفاع مستقل يتراوح بين 50 و80 مترًا)، حيث يقع العارضة الرئيسية/البرج والذراع في نطاقات ارتفاع مختلفة، يجب تطبيق معامل Kh بشكلمقطعيي (على سبيل المثال، في الجزء السفلي من البرج حيث H≤30 يكون المعامل 1.0، وفي الجزء العلوي من 30 إلى 50 مترًا يكون 1.2، وفي الذراع من 50 إلى 80 مترًا يكون 1.4)، ثم يتم دمج النتائج لحساب عزم الانحناء الكلي الناتج عن الرياح.
خامسًا: معامل تخفيض حجب الرياح η — تأثير التظليل للعناصر المتعددة
عندما يتكون هيكل الرافعة من عناصر متوازية متعددة (مثل العارضتين الرئيسيتين المزدوجتين، أو الشبكات المتعددة للجمالون)، يتعرض العنصر الخلفي لتظليل العنصر الأمامي، مما يجعل حمل الرياح الفعلي أقل من القيمة المحسوبة بشكل مستقل. يقدم الملحق ب من معيار GB/T 3811 طريقة تحديد قيمة η:
η = f(a/b, φ)
حيث: a — المسافة بين العنصرين الأمامي والخلفي (م)؛ b — عرض العنصر الواحد (م)؛ φ — نسبة الحجب = مساحة السطح المعرض للرياح / مساحة المحيط الخارجي
قيم نموذجية (نسخة هندسية مبسطة):
رافعة جسرية ثنائية العارضة (a/b≈1.0، φ≈0.4): η = 0.5~0.6
برج الرافعة البرجية رباعي الأعمدة (a/b≈0.8، φ≈0.5): η = 0.4~0.5 (بعد الدمج لاتجاه الرياح القطري يُؤخذ 0.55~0.65)
جمالون أرجل الرافعة القنطرية (a/b≈1.2، φ≈0.35): η = 0.6~0.7
هيكل رافعة حاويات الرصيف (a/b≈0.6، φ≈0.3): η = 0.3~0.4
الأخطاء الشائعة: بعض المصممين يحسبون حمل الرياح لكل من العارضتين الرئيسيتين في الرافعة الجسرية ثنائية العارضة بشكل مستقل ثم يجمعونهما (متجاهلين تخفيض الحجب)، مما يؤدي إلى المبالغة في تقدير حمل الرياح بمقدار 1.5 إلى 2 مرة. الطريقة الصحيحة هي حساب حمل الرياح الكامل للعارضة الأولى أولاً، ثم ضرب حمل العارضة الثانية بمعامل التخفيض η قبل الجمع.
سادسًا: مثال حسابي — حساب حمل الرياح لرافعة قنطرية من نوع MH
باعتبار رافعة قنطرية من نوع MH بقدرة 32 طنًا مستخدمة في منطقة ساحلية (البحر L=26م، ارتفاع الرفع Hh=12م، ارتفاع العارضة الرئيسية 1.8م):
[المثال 1]رافعة قنطرية ساحلية MH32t — حمل الرياح في حالة التشغيل (pw=500Pa)
حمل الرياح على العارضة الرئيسية:A1=26×1.8=46.8م²، Cw=1.3 (صندوقية)، H≈8م Kh=0.7
Fw1=1.3×500×46.8×0.7=21,294 نيوتن
حمل الرياح على الأرجل (جمالون مزدوج، نأخذ η=0.6):
مساحة تعرض الرجل الواحدة A2=8×0.8=6.4م² (ارتفاع الرجل 8م، عرضها 0.8م)، Cw=1.6 (جمالون زوايا حديدية)، Hمتوسط=4م Kh=0.7
العنصر الأول Fw2a=1.6×500×6.4×0.7=3,584 نيوتن
العنصر الثاني Fw2b=3,584×0.6=2,150 نيوتن
إجمالي الأرجل Fw2=2×(3,584+2,150)=11,468 نيوتن (مجموعتا أرجل)
كابينة المشغل + غرفة الكهرباء:A3=6م²، Cw=1.2، H=10م Kh=0.7
Fw3=1.2×500×6×0.7=2,520 نيوتن
إجمالي حمل الرياح في حالة التشغيل Fw الإجمالي=21,294+11,468+2,520=35,282 نيوتن ≈ 35.3 كيلو نيوتن
يُستخدم حمل الرياح هذا في التحقق من مقاومة الانقلاب للرافعة القنطرية في حالة التشغيل (بالاشتراك مع حمل الرفع وغيرها). في حالة عدم التشغيل pnw=1000Pa (المنطقة الساحلية II)، وبالتعويض في نفس المعادلة نحصل على Fw الإجمالي=70.6 كيلو نيوتن، ويُستخدم في التحقق من تصميم جهاز تثبيت ضد الرياح — حيث يجب أن تكون قوة تثبيت مشبك السكة + مقاومة القص لمسمار الإرساء ≥ 70.6 كيلو نيوتن.
سابعًا: مثال حسابي — حساب حمل الرياح للرافعة البرجية QTZ80
[المثال 2]رافعة برجية داخلية QTZ80 — عاصفة في حالة عدم التشغيل (pnw=700Pa)
المعاملات:ارتفاع البرج H=40م، مقطع البرج 1.6×1.6م (أربعة أعمدة أنابيب دائرية φ159)، طول الذراع 55م (جمالون زوايا حديدية)
حمل الرياح على البرج (حسابمقطعيي لـ Kh):
الجزء 0~20م: At1=1.6×20=32م²، Cw=1.6، Kh=0.9 Fwt1=1.6×700×32×0.9=32,256 نيوتن
الجزء 20~40م: At2=1.6×20=32م²، Cw=1.6، Kh=1.1 (القيمة المتوسطة) Fwt2=1.6×700×32×1.1=39,424 نيوتن
إجمالي البرج Fwt=32,256+39,424=71,680 نيوتن (مع تخفيض الأعمدة الأربعة η=0.55)
بالنظر الفعلي إلى أن العمودين المواجهين للريح يتعرضان للرياح بالكامل + تخفيض العمودين في الجهة الخلفية 71,680×0.55≈39,424 نيوتن
حمل الرياح على الذراع (جمالون زوايا حديدية Cw=1.8):Ab=55×1.2=66م²، H=40م Kh=1.2
Fwb=1.8×700×66×1.2=99,792 نيوتن
حمل الرياح على ذراع الموازنة + الثقل الموازن:Acb=12م²، Cw=1.3 Fwcb=1.3×700×12×1.2=13,104 نيوتن
إجمالي حمل الرياح في حالة عدم التشغيل Fw الإجمالي=39,424+99,792+13,104=152,320 نيوتن ≈ 152.3 كيلو نيوتن
عزم الانقلاب الناتج عن الرياح في حالة عدم التشغيل Mw=حمل الرياح لكل قسم × ذراع القوة الخاص به ≈ 2,206 كيلو نيوتن·م (يتطلب K≥2.0)
تظهر النتيجة انحرافًا بنسبة 2.6% فقط مقارنةً بقيمة عزم الانقلاب في حالة عدم التشغيل (2,150 كيلو نيوتن·م) الواردة في دليل تشغيل الرافعة البرجية QTZ80، مما يؤكد دقة منهجية الحساب. تجدر الإشارة إلى أن الحمل الفعلي للرياح على جسم الرافعة يقل ليصل إلى 50% إلى 55% فقط من القيمة المحسوبة بشكل مستقل، وذلك بسبب تأثير تقليل مقاومة الرياح الناتج عن الهيكل الرباعي الأعمدة.
ستة عوامل هندسية حاسمة لدقة حساب حمل الرياح على الرافعات
كيلود للصناعات الثقيلة — مزايا خدماتنا
تمتلك شركة كيلود للصناعات الثقيلة قاعدة بيانات هندسية واسعة في مجال تحليل أحمال الرياح وتصميم أجهزة مقاومة الرياح للرافعات غير القياسية. تُرفق مع كل رافعة خارجية غير قياسية عند التسليم وثيقة حساب حمل الرياح وفقًا لمعيار GB/T 3811 وGB 50009، مع تحديد منطقة ضغط الرياح المحلية ومعامل الشكل الهيكلي وقوة تصميم جهاز مقاومة الرياح بوضوح. وقد قدمت الشركة حلولاً محسّنة لمقاومة الرياح لـ 28 مشروعًا ساحليًا، مما ساهم في خفض تكلفة هذه الأجهزة بمعدل 15%~25%.
