環(huán)保建筑防風(fēng)網(wǎng)工程鋼支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳建明 白景峰

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

0 引言

目前各大港口在解決煤炭散貨裝卸、儲(chǔ)存等各環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的煤粉塵對(duì)環(huán)境的污染，主要采用干法、濕法、干濕結(jié)合、或其他機(jī)械物理等方法［1］。從具體形式上分析，主要是設(shè)置各類風(fēng)障，降低作業(yè)區(qū)的風(fēng)速;灑水增濕，增加粉塵顆粒間的粘滯性和顆粒重量;起塵部位密封、半密封或者降低裝卸作業(yè)落差來(lái)消除或緩解外界起塵因素［2］。其中，防風(fēng)網(wǎng)工程屬于具有多孔屏障的機(jī)械物理法，將具有一定開(kāi)孔率的剛性或柔性網(wǎng)板固定在防風(fēng)網(wǎng)鋼支架上(見(jiàn)圖1)，通過(guò)網(wǎng)板上的開(kāi)孔改變風(fēng)場(chǎng)，使得進(jìn)入煤堆場(chǎng)的風(fēng)速降低至煤粉塵起塵風(fēng)速以下。根據(jù)有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，將防風(fēng)網(wǎng)與一定含水率的灑水措施相結(jié)合，抑塵效率能達(dá)到90%以上［3］。目前由我所設(shè)計(jì)的防風(fēng)網(wǎng)工程運(yùn)營(yíng)良好，抑塵效果直觀，并已得到了各港口公司的認(rèn)可。

防風(fēng)網(wǎng)工程在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要可分成三個(gè)環(huán)節(jié)，分別是總平面設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)(防風(fēng)網(wǎng)支架高度、網(wǎng)板材質(zhì)、開(kāi)孔率等參數(shù)的確定)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)、鋼支架、連接節(jié)點(diǎn))等。三個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)均與工程總投資密切相關(guān)。其中，總平面決定了工程長(zhǎng)度、規(guī)模;防風(fēng)網(wǎng)工藝決定了鋼支架的高度、網(wǎng)板單價(jià)等;當(dāng)前兩個(gè)環(huán)節(jié)確定后，防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)疑是決定整個(gè)工程投資的關(guān)鍵因素。因此，防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程對(duì)節(jié)省工程建設(shè)投資、提高設(shè)計(jì)技術(shù)含量、縮短施工工期等都是必要的。本文從防風(fēng)網(wǎng)的鋼支架結(jié)構(gòu)形式、間距等方面，闡述鋼支架優(yōu)化的基本思路。

圖1 整體計(jì)算模型（左）和單榀計(jì)算模型（右）

1 概述

1.1 工程概況

某大型煤炭港口為了減少大風(fēng)卷起的煤粉塵對(duì)環(huán)境的污染，提高當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量，決定在煤炭堆場(chǎng)周邊建設(shè)防風(fēng)網(wǎng)。該工程分一期、二期先后實(shí)施，現(xiàn)一期工程已竣工，二期工程已完成施工圖設(shè)計(jì)，尚未開(kāi)工。一期工程長(zhǎng)1 700 m，高度23 m。防風(fēng)網(wǎng)支架采，用普通人字架結(jié)構(gòu)，鋼支架間距4 m。工程總造價(jià)約8 500萬(wàn)元每延米造價(jià)約5.0萬(wàn)元，造價(jià)較高;二期工程長(zhǎng)1 098 m，高度23 m，防風(fēng)網(wǎng)支架采用了優(yōu)化后的帶斜支撐的人字架結(jié)構(gòu)，鋼支架間距6 m。工程總造價(jià)4 658萬(wàn)元，每延米造價(jià)約4.27萬(wàn)元，節(jié)省了 14.6%。

1.2 設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

防風(fēng)網(wǎng)工程屬于非常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)，沒(méi)有專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范作指導(dǎo)，設(shè)計(jì)者通常根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。該防風(fēng)網(wǎng)一期工程的高度及規(guī)模在國(guó)內(nèi)均屬罕見(jiàn)，其設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)為該領(lǐng)域的一次大膽探索，因此設(shè)計(jì)成果相對(duì)保守，防風(fēng)網(wǎng)鋼支架的用鋼量大，造價(jià)高。在一期工程竣工的基礎(chǔ)上，對(duì)后續(xù)工程的鋼支架結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化，是設(shè)計(jì)者亟需解決的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者反復(fù)對(duì)比研究，改進(jìn)防風(fēng)網(wǎng)支架的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整支架的間距，探索出優(yōu)化的思路，降低了二期工程的造價(jià)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2 計(jì)算理論及模型

2.1 計(jì)算理論

根據(jù) GBJ 135-90高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［5］、《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［6］的定義，防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以視為外露性的高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載起主要作用［5］。根據(jù) GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［7］，《港口工程荷載規(guī)范》［8］，作用在防風(fēng)網(wǎng)支架上的風(fēng)壓力可按式(1)，式(2)計(jì)算:

式中:βz——高度 z處的風(fēng)振系數(shù);

us——風(fēng)荷載體型系數(shù);

uz——風(fēng)壓高度變化系數(shù);

w0——基本風(fēng)壓;

ε——脈動(dòng)增大系數(shù);

v——脈動(dòng)影響系數(shù);

φz——振型影響系數(shù)。

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算防風(fēng)網(wǎng)支架結(jié)構(gòu)通常有整體計(jì)算模型、單榀計(jì)算模型兩種(見(jiàn)圖1)。整體計(jì)算模型可采用ANSYS等有限元軟件進(jìn)行分析，建模時(shí)考慮各支架間所有連接構(gòu)件的作用，計(jì)算相對(duì)繁瑣;單榀計(jì)算模型依托普通的鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件即可完成，不考慮系桿、柱間支撐對(duì)單榀支架的貢獻(xiàn)，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算精度能夠滿足工程建設(shè)的需要，適于設(shè)計(jì)工期短的要求。本文采用單榀計(jì)算模型加以分析。

3 鋼支架的優(yōu)化思路

在防風(fēng)網(wǎng)工程總平面布置、支架高度、網(wǎng)板材質(zhì)和開(kāi)孔率、計(jì)算風(fēng)壓等重要參數(shù)已經(jīng)確定的前提下，鋼支架的結(jié)構(gòu)形式、間距等參數(shù)的選擇和確定是決定其工程造價(jià)的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文重點(diǎn)對(duì)防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式、立柱間距進(jìn)行對(duì)比分析，得出二期工程的優(yōu)化方案。

4 結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化

一期工程將防風(fēng)網(wǎng)鋼支架設(shè)計(jì)成普通人字型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。該結(jié)構(gòu)形式的生產(chǎn)、制作過(guò)程簡(jiǎn)單，但各構(gòu)件受力不合理，體型笨重，用鋼量大。

二期工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多次建模試算，分析比較，發(fā)現(xiàn)在普通人字型結(jié)構(gòu)中，增加斜桿，使其與直立柱、斜立柱鉸接(見(jiàn)圖3)，單榀支架的用鋼量下降。分析其原因，是由于斜桿能夠有助于分解風(fēng)荷載，分擔(dān)了兩根立柱的受力，使得各桿件的性能充分被利用，明顯改善直立柱、斜立柱的應(yīng)力比，最終減少了用鋼量。

圖2 普通的人字型結(jié)構(gòu)

圖3 帶斜撐的人字型結(jié)構(gòu)

4.1 各構(gòu)件應(yīng)力比

以一、二期工程的23 m高防風(fēng)網(wǎng)為例，分別取立柱間距為3 m，4 m，6 m建模計(jì)算，各桿件的強(qiáng)度應(yīng)力比如表1所示。表1中數(shù)據(jù)表明，二期工程所采用的帶斜撐人字型結(jié)構(gòu)，增加的斜撐使得各桿件的強(qiáng)度應(yīng)力比有明顯的改善。

表1 防風(fēng)網(wǎng)桿件內(nèi)力表

表2 支架用鋼量(4 m柱距)

4.2 用鋼量的比較

計(jì)算結(jié)果顯示，增加斜撐后，相同柱距的鋼支架各桿件不僅是強(qiáng)度應(yīng)力比減小，而且截面積也相應(yīng)變小，使得用鋼量明顯減少。其中4 m柱距的普通人字架單榀凈重為4 300 kg，斜撐人字架單榀凈重為3 900 kg，后者比前者節(jié)省約9.3%，各桿件截面詳見(jiàn)表2。

5 鋼支架間距的優(yōu)化

根據(jù)市場(chǎng)上網(wǎng)板的生產(chǎn)工藝情況，防風(fēng)網(wǎng)支架的柱距通常采用3 m，4 m，6 m，超過(guò)6 m間距的防風(fēng)網(wǎng)板容易變形，質(zhì)量不易保證。以100 m長(zhǎng)度的防風(fēng)網(wǎng)支架為例，柱距為3 m，4 m，6 m的支架用鋼量如表3所示。從表3中可以看出，隨著柱距的增大，由于所承受的風(fēng)荷載面積增大，相同結(jié)構(gòu)形式的單榀用鋼量也增大。但與此同時(shí)，柱距增大使得相同長(zhǎng)度的防風(fēng)網(wǎng)支架數(shù)量減少，從而導(dǎo)致總用鋼量降低。經(jīng)計(jì)算，柱距分別為3 m，4 m，6 m的帶斜撐人字型結(jié)構(gòu)比普通人字型結(jié)構(gòu)用鋼量分別節(jié)省12.9%，9.2%，10.2%，如表3所示。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述分析，在普通人字架鋼支架中，通過(guò)增加斜桿，能夠有效調(diào)整各桿件的強(qiáng)度應(yīng)力比，從而使得某些桿件的截面變小，節(jié)約用鋼量，降低造價(jià)。柱距分別為3 m，4 m，6 m的帶斜撐人字型鋼支架比普通人字型鋼支架用鋼量分別節(jié)省12.9%，9.2%，10.2%。二期工程最終6 m間距的采用帶斜撐人字型鋼支架，每延米造價(jià)為4.27萬(wàn)元，比一期工程節(jié)省了14.6%，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 100 m長(zhǎng)支架用鋼量(4 m柱距)

此外，與普通人字型鋼支架相比，斜撐人字型鋼支架還有如下優(yōu)點(diǎn):1)普通人字型斜立柱的傾斜度較大，導(dǎo)致橫桿長(zhǎng)度較短，焊接的難度大，質(zhì)量不易保證;而斜撐人字型結(jié)構(gòu)橫桿長(zhǎng)度增大，可以在橫桿上鋪設(shè)臨時(shí)平臺(tái)，便于施工期間安裝防風(fēng)網(wǎng)板，以及后期的維修;2)帶斜撐的人字型支架由于增加了斜撐，使得支架穩(wěn)定性更好，能夠減少運(yùn)輸、安裝過(guò)程中的撓度及變形問(wèn)題;3)帶斜撐的人字型結(jié)構(gòu)在正常使用階段，具有更好的性能，其頂部在風(fēng)荷載的作用下，位移變形更小;4)結(jié)構(gòu)自重降低，減少了施工、吊裝、安裝等環(huán)節(jié)的難度;并降低了運(yùn)輸、安裝造價(jià)。

［1］呂慶新，洪寧寧，詹水芬，等.港口粉塵污染防治技術(shù)研究進(jìn)展［J］.水道港口，2008，29(6)：451-452.

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［5］GBJ 135-90，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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［7］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［8］JTJ 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范［S］.

［9］魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)［M］.第2版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.