碼頭散貨堆場防風(fēng)網(wǎng)設(shè)計方法

朱海霞 寧波鎮(zhèn)海港埠有限公司

1.工程概況

某綜合性港口在地區(qū)貨物運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用?其港口共計包含的港區(qū)數(shù)量為5個，占地面積能夠達(dá)到30km2以上，泊位的數(shù)量達(dá)到了70多個，包括1個20萬噸級的泊位和2個30萬噸級的泊位在其中，專業(yè)碼頭的數(shù)量達(dá)到了10多個，主要用于煤炭、汽車、礦石和集裝箱運(yùn)輸?shù)?境內(nèi)的河流數(shù)量比較多，氣候以暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候為主?東北向是港口強(qiáng)風(fēng)向，發(fā)生的頻率大約在12%左右，常向風(fēng)以南向為主，發(fā)生的頻率大約在19%左右，6級以上風(fēng)力出現(xiàn)的頻率大約為11%，7級以上風(fēng)力的發(fā)生頻率大約為4%?

2.自然條件

2.1 風(fēng)力、風(fēng)速關(guān)系轉(zhuǎn)換

在轉(zhuǎn)換風(fēng)力、風(fēng)速關(guān)系過程中，具體情況詳見表1?

表1 風(fēng)力與風(fēng)速的換算關(guān)系

2.2 總結(jié)港口自然情況

（1）風(fēng)向以西南風(fēng)、北風(fēng)和南風(fēng)為主，而強(qiáng)風(fēng)則以東北向為主?

（2）風(fēng)速設(shè)置為5-14m/s?

（3）占地面積能夠達(dá)到10 萬m2，長度設(shè)置為500m，寬度設(shè)置為200m?

（4）散料堆的高度要保持在6m左右?

（5）散料堆的角度范圍設(shè)置在40-45°之間?

（6）對于堆料場的基礎(chǔ)尺寸來說，寬度要保持在40m以內(nèi)，長度要保持在140m以內(nèi)，散堆料頂面的寬度要保持在10m以上?

3.設(shè)計防風(fēng)網(wǎng)

3.1 布置設(shè)計防風(fēng)網(wǎng)

以港口碼頭散貨的具體情況進(jìn)行分析，可以在一定程度上適當(dāng)?shù)膮⒖计渌愋偷母劭诠こ讨蟹里L(fēng)網(wǎng)的設(shè)計內(nèi)容，散貨港口防風(fēng)網(wǎng)的設(shè)計方案為：

（1）防風(fēng)網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)類型為“口”字形?

（2）防風(fēng)網(wǎng)的周長設(shè)置為1400m，短邊的長度設(shè)置為200m，長邊的長度設(shè)置為500m?

（3）防風(fēng)網(wǎng)的高度設(shè)置為15m?

（4）順著年度主風(fēng)向來完成防風(fēng)網(wǎng)距離的設(shè)置，取值為30m?

（5）防風(fēng)板的主要材質(zhì)為金屬蝶形?

整體而言，防風(fēng)板的設(shè)計方案可以概況為：選擇使用蝶形金屬板加工制作而成，防風(fēng)板的框架使用H型鋼制作而成，防風(fēng)板的基礎(chǔ)使用混凝土進(jìn)行澆筑，框架底座與混凝土底座之間需要進(jìn)行連接加固，每一個防風(fēng)板需要使用螺栓進(jìn)行固定處理?防風(fēng)網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計按照“口”型進(jìn)行布設(shè)，簡單而言就是需要進(jìn)行四面布網(wǎng)?框架結(jié)構(gòu)設(shè)計為直立式鋼結(jié)構(gòu)框架，使用H型鋼作為框架的支撐，型鋼的安裝間距設(shè)置為6m，不同跨間使用螺栓進(jìn)行連接；結(jié)合防風(fēng)網(wǎng)的材質(zhì)作進(jìn)一步的分析，該項目中使用的防風(fēng)板為鍍鋁鋅版，板體的厚度為1.5mm，防風(fēng)板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計為5690mm×600mm；防風(fēng)板的高度設(shè)計為3m?

3.2 確定防風(fēng)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)

防風(fēng)網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)主要包括三個部分的內(nèi)容，分別是防風(fēng)板、支撐框架結(jié)構(gòu)和地下基礎(chǔ)?混凝土結(jié)構(gòu)是地下基礎(chǔ)的主要類型，鋼材是支撐框架的主要材質(zhì)?最為普遍的框架結(jié)構(gòu)類型為鋼盤砼結(jié)構(gòu)、棚架式結(jié)構(gòu)和直立式鋼架結(jié)構(gòu)，每一種結(jié)構(gòu)都擁有著屬于自己與眾不同的優(yōu)勢和劣勢，在經(jīng)常綜合分析以后發(fā)現(xiàn)，直立式鋼架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢最為突出，外觀簡潔整齊、施工便利，最終選擇使用直立式鋼架結(jié)構(gòu)來當(dāng)做防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)[1]?

H型鋼是直立式鋼架的主要鋼材，使用螺栓將防風(fēng)板與工字鋼框架結(jié)構(gòu)連接在一起，使用混凝土直接澆筑的方式完成與底座的澆筑施工?選擇使用的H型鋼截面高度設(shè)置為15m，螺栓放置在H型鋼立柱上，使螺釘孔的排列方式得到最大程度的滿足?具體情況詳見圖1?

圖1 H型鋼螺栓孔位置圖（單位：mm）

3.3 設(shè)計防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)板

結(jié)合防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式，最終決定使用蝶形結(jié)構(gòu)防風(fēng)板，防風(fēng)板的主要材質(zhì)為鍍鋁鋅板?關(guān)于防風(fēng)網(wǎng)開孔率計算表達(dá)式，如下所示：

防風(fēng)網(wǎng)的面積為：S=(0.083×2+0.080)×(5.960-0.084×2)=1.4m2；

不涵蓋防風(fēng)板開孔面積情況下，防風(fēng)網(wǎng)的面積為：S剩=0.87-(0.083×4+0.08×2) ×0.084=0.83m2；

在計算防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)板的開孔率時，開孔率=(1.4-0.83)/1.4=40.7%?

4.分析防風(fēng)網(wǎng)框FEA風(fēng)載荷

4.1 Flow Simulation流動模擬分析結(jié)果導(dǎo)入Simulation

對運(yùn)行情況進(jìn)行全面的分析以后，在確定蝶形板表面風(fēng)速產(chǎn)生的作用力時，使用的主要方法為查看表面目標(biāo)法?具體情況詳見圖2?綜合分析流線圖以后發(fā)現(xiàn)，蝶形防風(fēng)網(wǎng)中經(jīng)過15m/s的風(fēng)速時，圖像中最大面積區(qū)域為黃色區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的流動速度控制在1m/s-4m/s間，可以輕易地發(fā)現(xiàn)風(fēng)速流線波動相對比較大?

圖2 蝶形板流速流線圖示

4.2 添加材料屬性、載荷信息、約束條件

添加材料屬性?通過對3D模型添加材料屬性的分析，使FEA分析取得最佳的效果，防風(fēng)網(wǎng)3D模型包含的零件分別為連接螺栓與螺母、H型鋼以及蝶形防風(fēng)板，添加材料的具體屬性詳見表2?

表2 材料屬性統(tǒng)計表

（2）載荷信息?使用Soli dworks Flow Simulation（三維軟件模擬）的分析結(jié)果來完成Solidworks Simulation載荷信息的導(dǎo)入?

（3）添加固定約束?使用螺栓連接的方式來處理基座與框架結(jié)構(gòu)，將完全固定約束添加到防風(fēng)網(wǎng)3D模型的H型鋼地面位置?

（4）生成網(wǎng)格?添加好所有屬性以后，點(diǎn)擊“生成網(wǎng)格”，防風(fēng)網(wǎng)3D模型在Solidworks Simulation模塊的作用下合理劃分網(wǎng)格?

4.3 分析結(jié)果總結(jié)

具體的模擬分析條件如下:

（1）長度設(shè)置為6m，固定時使用H型鋼，該項目中使用的防風(fēng)板大部分設(shè)計為單列形式，使用螺栓與H型鋼進(jìn)行連接加固，風(fēng)速設(shè)置為15m/s，達(dá)到8級風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)?

（2）長度設(shè)置為6m，固定時使用H型鋼，防風(fēng)板以雙列蝶形為主，使用螺栓將H型鋼框架與蝶形板連接起來，風(fēng)速設(shè)置為15m/s，達(dá)到8級風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)?

基于以上研究分析，當(dāng)防風(fēng)板相互之間安裝螺栓進(jìn)行加固以后，可以輕易的發(fā)現(xiàn)，防風(fēng)板的變形量明顯得到了緩解，同時防風(fēng)板的應(yīng)力也明顯降低?

經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，在最大自然風(fēng)的作用下，防風(fēng)網(wǎng)的最大應(yīng)力值保持在60MPa以內(nèi)，比蝶形材料的屈服極限要小很多，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[2]?進(jìn)一步來看，防風(fēng)板在極限風(fēng)速環(huán)境下，防風(fēng)板的變形量控制在0.005m以內(nèi)，該數(shù)據(jù)保持在材料合理變形范圍以內(nèi)?

5.分析防風(fēng)網(wǎng)抑制揚(yáng)塵效果

5.1 現(xiàn)場實(shí)測方法

與模擬研究法、實(shí)驗研究法進(jìn)行比較，現(xiàn)場實(shí)測法將人為因素造成的干擾降到了最低，其測量結(jié)果也更加的準(zhǔn)確?在現(xiàn)場試驗時，必然會出現(xiàn)諸多的不確定性影響因素，促使實(shí)際測量結(jié)果能夠?qū)Ψ里L(fēng)板的性能進(jìn)行了更加直觀的評價?在開展現(xiàn)場實(shí)測時，經(jīng)常會受到降水、天氣、風(fēng)速和道路揚(yáng)塵等復(fù)雜變化情況的影響，這就使得現(xiàn)場實(shí)測的難度系數(shù)逐年升高?使用現(xiàn)場實(shí)測的主要目的就是對防風(fēng)網(wǎng)抑制揚(yáng)塵的效果進(jìn)行定性檢驗，使其實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)塵的高效抑制?

5.2 仿真模擬

（1）3D模型?在創(chuàng)建3D模型時，包含的主要內(nèi)容有料堆模型、H型鋼模型和蝶形網(wǎng)板模型等，可以有效的實(shí)現(xiàn)對港口碼頭散貨場地整體布設(shè)，同時將具體的場景展現(xiàn)出來?3D模型的功能為對防風(fēng)板的揚(yáng)塵治理效果進(jìn)行分析，在創(chuàng)建模型過程中，可以將H型鋼忽略掉，相較之實(shí)際尺寸，小了50倍左右，需要對防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸和堆垛結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置?

（2）結(jié)果分析?對防風(fēng)板不同截面讀取防風(fēng)網(wǎng)流場情況進(jìn)行分析，在使用防風(fēng)網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)變了風(fēng)流動方向，改變風(fēng)力自身的動能，風(fēng)速從最初的15m/s降低到了3m/s，風(fēng)速出現(xiàn)明顯的降低?風(fēng)從防風(fēng)網(wǎng)經(jīng)過以后，整個堆垛區(qū)的流速保持在5m/s以內(nèi)，實(shí)際風(fēng)速與揚(yáng)塵風(fēng)速之差的高次方和散料靜態(tài)揚(yáng)塵量以正比的形式存在，通過降低風(fēng)速使揚(yáng)塵得到高效的抑制?風(fēng)從防風(fēng)網(wǎng)中經(jīng)過以后，風(fēng)的流線被改變，損耗了大量的流場動能，致使風(fēng)的攜帶能力降低，從而達(dá)到抑制揚(yáng)塵的目的?

6.結(jié)語

在對港口散貨碼頭防風(fēng)網(wǎng)工程進(jìn)行真實(shí)模擬以后，實(shí)現(xiàn)了對防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能和設(shè)計方案的綜合分析，具體情況為：

（1）以其他防風(fēng)網(wǎng)設(shè)計資料為依據(jù)，對其成功的經(jīng)驗進(jìn)行借鑒和學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了對防風(fēng)網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)的合理確認(rèn)?防風(fēng)網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)為H型鋼和蝶形金屬板，使用混凝土澆筑的方式處理基地，使用螺栓將混凝土底座與框架底座連接在一起，在H型鋼與螺栓連接位置上設(shè)置防風(fēng)板，使用螺栓將所有的防風(fēng)板固定好?防風(fēng)網(wǎng)的主要布置形式為“口”型，也就是采取四面布網(wǎng)的方式?

（2）在設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)時，高度設(shè)置為15m，寬度設(shè)置為200m，長度設(shè)置為500m，蝶形金屬板的開孔率設(shè)置為41%?

（3）在設(shè)計防風(fēng)網(wǎng)時，使用Solidworks軟件完成防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)3D模型的有效構(gòu)建，模型中包含的主要內(nèi)容為整體布局模型、整體結(jié)構(gòu)模型、H型鋼模型和防風(fēng)網(wǎng)蝶形板模型，使得不同的模型需求得到最大程度的滿足?

（4）模擬分析蝶形板的開孔率和結(jié)構(gòu)類型?對防風(fēng)板的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，使用先進(jìn)的分析軟件將其與流體研究模型融合在一起，在Solidworks軟件的FEA分析模塊中直接導(dǎo)入Solidworks軟件的流體模塊的分析結(jié)果，使風(fēng)載給蝶形板造成的影響得到高效的分析?通過對分析結(jié)論的綜合分析以后，發(fā)現(xiàn)防風(fēng)網(wǎng)在15m/s的條件下，防風(fēng)板受到的最大應(yīng)力值應(yīng)該控制在60MPa以內(nèi)，相較之蝶形板的屈服極限值206.8MPa小很多?在60m長的防風(fēng)板中間位置會集中出現(xiàn)蝶形板變形量，最大值保持在5mm以內(nèi)，使蝶形板的變形要求得到最大程度的滿足?

（5）在分析防風(fēng)網(wǎng)抑制揚(yáng)塵效果時，使用的主要模擬模型為3D模擬研究模型，通過模擬試驗以后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)流從防風(fēng)板表面經(jīng)過以后，防風(fēng)板自身會發(fā)生顯著的變化，風(fēng)能會損失一定的動能?風(fēng)從防風(fēng)網(wǎng)經(jīng)過以后，在沒有任何阻擋的情況下，風(fēng)速從15m/s降低到了3m/s，風(fēng)速降低以后，揚(yáng)塵得到了高效的抑制?所以，要采取積極的措施來設(shè)計物料堆放模式和防風(fēng)網(wǎng)，使散貨碼頭堆料的揚(yáng)塵問題被控制到最低?