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        環(huán)保構(gòu)筑物防風(fēng)網(wǎng)工程的主要可變荷載分析

        2015-06-05 09:36:56
        山西建筑 2015年9期
        關(guān)鍵詞:高聳防風(fēng)風(fēng)壓

        吳 建 明

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

        環(huán)保構(gòu)筑物防風(fēng)網(wǎng)工程的主要可變荷載分析

        吳 建 明

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

        以浙江省沿海某防風(fēng)網(wǎng)工程為例,分析了防風(fēng)網(wǎng)工程在使用過程中可能承受的可變荷載,包括風(fēng)荷載、地震荷載、裹冰荷載所引起的柱底彎矩,為今后的工程設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

        防風(fēng)網(wǎng),鋼支架,風(fēng)荷載,地震荷載,裹冰荷載

        為滿足抑制煤粉塵擴(kuò)散的環(huán)保要求,在煤炭堆場周邊實施環(huán)保構(gòu)筑物——防風(fēng)網(wǎng)工程,是目前廣泛采用的做法。防風(fēng)網(wǎng)工程是一種具有多孔屏障的防風(fēng)抑塵構(gòu)筑物,它通過在鋼立柱上安裝固定被人為開孔的網(wǎng)板(如圖1所示),并利用網(wǎng)板上的開孔梳理進(jìn)入散貨堆場內(nèi)的紊亂風(fēng)流場,使風(fēng)速降低至煤顆粒起塵風(fēng)速以下,從而達(dá)到防風(fēng)抑塵的效果。防風(fēng)網(wǎng)支架按一定高度和間距布置(需根據(jù)煤炭堆場的高度和平面情況),每榀鋼支架之間通過鋼系桿和柱間支撐加強連接,以保證其結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性[1]。

        根據(jù)GB 50135—2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2]、《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[3]的定義,本文探討的防風(fēng)網(wǎng)工程屬于高聳結(jié)構(gòu)(高聳結(jié)構(gòu)指有較高的高度,橫截面與高度比較相對較小,風(fēng)荷載起主要作用[3])。高聳結(jié)構(gòu)承受的荷載很多,例如結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、裹冰荷載、地震荷載、施工檢修荷載、溫度作用等。上述荷載中的可變荷載,尤其是側(cè)向作用的可變荷載將對高聳結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利的影響。同時,防風(fēng)網(wǎng)板在裹冰時,會因風(fēng)的存在而產(chǎn)生強烈的振動。因此,結(jié)合高聳結(jié)構(gòu)的受力特點,本文將分析防風(fēng)網(wǎng)工程在設(shè)計的過程中需考慮的可變荷載有:風(fēng)荷載、地震荷載、裹冰荷載等。本文旨在計算上述三種可變荷載所引起的柱底彎矩的基礎(chǔ)上,分析三種可變荷載中的主要荷載,為后續(xù)工程設(shè)計提供相關(guān)經(jīng)驗。

        1 計算參數(shù)及模型

        本文以浙江省沿海的某防風(fēng)網(wǎng)工程為例,工程要求整體結(jié)構(gòu)能夠抵御風(fēng)速為40 m/s的颶風(fēng)。相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

        表1 計算參數(shù)

        經(jīng)建模計算,防風(fēng)網(wǎng)支架各桿件編號及截面分別見圖1,表2。在計算的過程中,模型簡化成柱底與基礎(chǔ)頂面固結(jié),頂部自由的懸臂桿結(jié)構(gòu)。

        2 分析方法

        為了便于比較,本文根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)的特點,考慮其在承載能力極限狀態(tài)下,由風(fēng)荷載、地震荷載、裹冰荷載引起的柱底彎矩設(shè)計值,從而分析出防風(fēng)網(wǎng)設(shè)計的主要荷載所占比重,為后續(xù)工程設(shè)計提供經(jīng)驗。

        表2 桿件截面表

        3 風(fēng)荷載

        3.1 計算理論

        根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[4],JTS 144—1—2010港口工程荷載規(guī)范[5],風(fēng)荷載可按以下方法計算:wk=βzusuzw0。其中,βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù);us為風(fēng)荷載體型系數(shù);uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0為基本風(fēng)壓。為簡化計算模型,本文將風(fēng)荷載按均布線荷載分段施加在防風(fēng)網(wǎng)鋼結(jié)構(gòu)的直立柱側(cè)邊,頂部最大,底部最小,詳見圖2。

        《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第8.4.1條規(guī)定,對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋,以及基本自振周期T1>0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu),應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響。本文探討的防風(fēng)網(wǎng)工程自振周期經(jīng)估算,T1=0.234 s,可不考慮風(fēng)振系數(shù)的影響,因此,βz取1.0。其他參數(shù)取值如下:us=1.05(根據(jù)風(fēng)洞試驗得到),柱頂部uz=1.63,柱底部uz=1.17,w0=1.0。計算得到作用在豎向立柱上的平均風(fēng)壓線荷載wk=12.41 kN/m。風(fēng)荷載為可變荷載,其分項系數(shù)取1.4,計算風(fēng)壓設(shè)計值為:q=1.4×wk=1.4×12.41=17.37 kN/m。

        3.2 柱底彎矩分析

        上述計算得到的線性風(fēng)荷載為17.37 kN/m,考慮到防風(fēng)網(wǎng)立柱間距為4 m,平均風(fēng)壓線荷載wk的作用高度為9 m,則由風(fēng)荷載引起的防風(fēng)網(wǎng)柱底傾覆彎矩為:

        M風(fēng)=17.37 kN/m×4 m×9 m=625.32 kN·m。

        從上式計算結(jié)果可知,在其他相同條件下,迎風(fēng)面積是風(fēng)荷載大小的關(guān)鍵性因素。這里的迎風(fēng)面積即體現(xiàn)在防風(fēng)網(wǎng)立柱間距和風(fēng)壓線荷載的作用高度這兩個參數(shù)上。迎風(fēng)面積越大,風(fēng)荷載引起的防風(fēng)網(wǎng)柱底傾覆彎矩也越大。大的迎風(fēng)面積可產(chǎn)生很大的風(fēng)荷載,甚至造成局部破壞或倒塌。此外,結(jié)構(gòu)的高度越高,風(fēng)荷載高度變化系數(shù)uz也越大,計算得到的風(fēng)壓線荷載也越大。

        4 地震荷載

        本節(jié)根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[6]規(guī)定,分別考慮防風(fēng)網(wǎng)工程在使用的過程中,可能承受的地震荷載有水平地震荷載和豎向地震荷載兩種。水平地震荷載和豎向地震荷載將使原來處于靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)在各質(zhì)量處產(chǎn)生水平加速度和豎向加速度,從而產(chǎn)生水平慣性力和豎向慣性力。這些慣性力可使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破損、破壞或倒塌。

        4.1 水平地震荷載

        根據(jù)計算模型導(dǎo)出的結(jié)果,防風(fēng)網(wǎng)由水平地震荷載引起的柱底彎矩為M地=12.52kN·m。

        4.2 豎向地震荷載

        根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.1.1條第四款規(guī)定,8度,9度時的大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)及9度時的高層建筑,應(yīng)計算豎向地震作用。本工程位于7度設(shè)防烈度,且不屬于大跨度及高層建筑,因此可不考慮豎向地震作用。

        4.3 柱底彎矩分析

        由水平地震荷載引起的防風(fēng)網(wǎng)柱底傾覆彎矩M地僅為12.52kN·m,與風(fēng)荷載引起的柱底傾覆彎矩相比,數(shù)值較小。

        5 裹冰荷載

        5.1 計算理論

        考慮到防風(fēng)網(wǎng)板為開孔結(jié)構(gòu),其固定在防風(fēng)網(wǎng)支架上,在冬季時,可能會承受由于板眼開孔結(jié)冰而引起的裹冰荷載。裹冰荷載與結(jié)構(gòu)的截面形式以及裹冰厚度有關(guān),可按下式計算:

        q1=πbα1α2(d+bα1α2)γ×10-6。

        其中,α1為裹冰厚度的直徑修正系數(shù),可取0.92;α2為裹冰厚度的高度遞增系數(shù),可取1.12;b為基本裹冰厚度,可取8mm;d為結(jié)構(gòu)的圓截面直徑,取203mm;γ為裹冰重度,一般取9kN/m3。

        5.2 柱底彎矩分析

        經(jīng)計算,本工程的裹冰線荷載約為0.049kN/m,其引起的防風(fēng)網(wǎng)柱底傾覆彎矩為:M裹冰=0.049×4×9=1.764kN·m。由裹冰荷載引起的防風(fēng)網(wǎng)柱底傾覆彎矩M裹冰僅為1.764kN·m,與風(fēng)荷載、水平地震荷載引起的柱底傾覆彎矩相比,數(shù)值可以忽略不計。

        6 結(jié)語

        根據(jù)上述計算、分析,本文可得出以下結(jié)論:

        1)風(fēng)荷載、地震荷載、裹冰荷載雖是高聳結(jié)構(gòu)需考慮的可能承受的主要可變荷載,但由于防風(fēng)網(wǎng)工程有其特殊性,因此在其設(shè)計的過程中也有主次之分。其中以風(fēng)荷載為最大,地震荷載次之,裹冰荷載最小。

        2)地震荷載與建筑物、構(gòu)筑物所處地理位置的烈度、自身的重量、剛度等都有關(guān)系。由于防風(fēng)網(wǎng)屬于輕鋼結(jié)構(gòu),根據(jù)經(jīng)驗可得出結(jié)論其水平地震荷載亦非主要的可變荷載。

        根據(jù)工程所在地的地震烈度參數(shù),按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.1.1條第四款規(guī)定,通??蓛H考慮水平地震荷載,豎向地震荷載無需考慮。計算實踐表明,下列高聳結(jié)構(gòu)可不作抗震計算,一般均能滿足,僅需滿足抗震構(gòu)造要求即可。

        a.6度,任何類場地的高聳結(jié)構(gòu)及其地基基礎(chǔ);

        b.7度,Ⅰ類,Ⅱ類場地,基本風(fēng)壓w0≥0.4kN/m2;8度,Ⅲ類,Ⅳ類場地,基本風(fēng)壓w0≥0.7kN/m2;8度,Ⅰ類,Ⅱ類場地,基本風(fēng)壓w0≥0.7kN/m2;

        c.不大于8度Ⅰ類,Ⅱ類場地的不帶塔樓的鋼塔架、鋼桅桿及其地基基礎(chǔ)。

        3)裹冰荷載占比極小,需根據(jù)工程所在地的地理位置辯證的考慮。

        [1] 吳建明,白景峰.防風(fēng)網(wǎng)整體建模與單榀建模計算對比分析[J].水道港口,2014,35(6):95-97.

        [2]GB50135—2006,高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

        [3] 王肇民.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

        [4]GB50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

        [5]JTS144—1—2010,港口工程荷載規(guī)范[S].

        [6]GB50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

        Analysis on main variable load of environmental protection building windproof net

        Wu Jianming

        (TransportationDepartment,TianjinWaterwayEngineeringScientificResearchInstitute,Tianjin300456,China)

        Taking a windproof net engineering in Zhejiang coastal as an example, this paper analyzed the column bottom moment caused by variable load, including wind load, seismic load, ice load of windproof net engineering in using process, provided some reference for future engineering design.

        windproof net, steel bracket, wind load, seismic load, ice load

        2015-01-20

        吳建明(1982- ),男,工程師

        1009-6825(2015)09-0044-02

        TU318

        A

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