吳建明 陸謙成

(東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419)

1 概述

防風抑塵網(wǎng)是近二十年從歐美、日本等港區(qū)引進的一種解決粉塵污染的直立斜撐式鋼支架(見圖1)。主要包含以下幾部分構(gòu)件：與地面呈90°的直立柱、與地面呈一定角度ɑ的斜立柱，直立柱與斜立柱之間的水平腹桿和斜腹桿，以及懸掛在直立柱上帶開孔的鍍鋁鋅板(每個鋼支架的距離約為4 m，若干個鋼支架將煤炭堆場圍合起來。每個鋼支架之間懸掛帶開孔的鍍鋁鋅板，見圖2)。通過帶開孔的鍍鋁鋅板，進入港區(qū)散貨煤炭堆場的風速、風向被改變，從而能夠減少因大風卷起煤粉塵對環(huán)境的污染，達到降低作業(yè)區(qū)域風速的作用[1]。

防風抑塵網(wǎng)工程在我國各港口煤炭堆場雖已普及，但在設(shè)計時為了滿足支架的強度和剛度，存在桿件截面大、造價高等問題。為了優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)[2]，認為鋼支架的用鋼量在進行優(yōu)化時，與斜立柱、水平腹桿之間所形成的ɑ夾角有關(guān)，當ɑ達到某角度時可以使得鋼支架的用鋼量最省。

2 計算過程

現(xiàn)以某工程項目為例進行ɑ夾角的優(yōu)化。該項目鋼支架高度18 m，支架間距設(shè)定為4 m。設(shè)計使用年限為50年，當?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度為7度，抗震等級為三級，地面粗糙度為A類,50年一遇基本風壓0.50 kN/m2，風荷載體形系數(shù)為1.05，風荷載標準值計算公式為：

wk=βzμzμsw0

(1)

其中，w0為基本風壓，kN/m2；μz為風壓高度變化系數(shù)；μs為風荷載體形系數(shù)；βz為風振系數(shù)。

優(yōu)化設(shè)計采用2010-V32版本PKPM軟件的STS模塊進行建模計算，在模型中輸入直立柱所承受的風荷載以及懸掛在其上的鍍鋁鋅板所產(chǎn)生的恒荷載(見圖3)。以斜立柱與水平腹桿的夾角ɑ為變量，支架各節(jié)點相對于地面的高度不變，根據(jù)ɑ夾角的變化，進行試算，要求其應(yīng)力與變形應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。分析時，改變斜立柱的截面大小尺寸，分析斜立柱與水平腹桿之間的不同角度對桿件應(yīng)力和柱頂位移的變化。

3 計算結(jié)果

3.1 斜立柱柱用鋼量分析

斜立柱與水平腹桿之間的夾角ɑ不同，鋼支架各桿件的應(yīng)力會出現(xiàn)變化，控制的原則是桿件的應(yīng)力不能超出GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的應(yīng)力限值。也就意味著，隨著夾角ɑ不同，斜立柱與水平腹桿的截面尺寸可以變化。

從斜立柱、水平腹桿用量表(見表1)，鋼支架用鋼量變化圖(見圖4)，以及斜立柱、水平腹桿用鋼量變化圖(見圖5)中，我們不難發(fā)現(xiàn)，隨著ɑ夾角從80°開始減小時，斜立柱的用鋼量逐漸減少，但當ɑ夾角小于72°后，斜立柱用鋼量減少的幅度不明顯，圖5中鋼支架中的斜立柱用鋼量開始變得平緩。

例如，以67°與70°以及77°與80°做比較，斜立柱用鋼量相差485 kg(1 176-691=485 kg)；而67°與70°夾角的鋼支架，斜立柱用鋼量相差18 kg(385-367=18 kg)。對比兩者的用鋼量差值，兩者差值相差27倍。

通過計算，直立斜撐式支架的斜立柱、水平腹桿最優(yōu)夾角ɑ為72°左右。

表1 斜立柱、水平腹桿用量表 kg

3.2 柱頂位移分析

除了控制鋼支架各桿件的應(yīng)力，還需保證柱頂在水平風荷載的作用下，水平位移滿足規(guī)范要求。從柱頂位移表2可以看出，隨著ɑ夾角變小，柱頂水平位移也隨之減少，且水平位移值均滿足規(guī)范限值要求。

表2 柱頂位移表

夾角/(°)6769707172737780斜立柱截面?108×4?108×4?114×4?144×4?114×4?121×4.5?140×6?180×8柱頂位移dx/mm22.4525.5527.8730.0932.6435.0237.9540.15H/dx744654599555512477440416

3.3 水平腹桿用鋼量、總用鋼量

從斜立柱、水平腹桿用鋼量變化圖(如圖5所示)可以看出水平腹桿用鋼量的變化規(guī)律，ɑ夾角越小，水平腹桿的強度越不能發(fā)揮其優(yōu)勢，反而用鋼量越大，尤其是靠近地面的腹桿。

斜立柱與水平腹桿兩者的總用鋼量，隨著斜立柱與水平腹桿的ɑ夾角變化，隨著角度變小，總用鋼量先減少，后增加，呈現(xiàn)兩邊高中間低的趨勢；當斜立柱與水平腹桿的ɑ夾角在72°附加時，鋼支架的總用鋼量最省。

4 結(jié)語

根據(jù)上述分析，本次對防風抑塵網(wǎng)鋼支架的優(yōu)化設(shè)計可以總結(jié)出以下四點：

1)鋼柱截面尺寸相同的鋼支架，柱頂位移隨著夾角的減小而減??；

2)水平腹桿用鋼量隨著ɑ夾角的減小而增大；

3)斜立柱用鋼量隨著ɑ夾角的減小而減小，當ɑ夾角小于72°后，用鋼量變化不明顯；

4)本項目中，直立斜撐式支架的斜立柱、水平腹桿最優(yōu)ɑ夾角為72°。

綜上所述，對某工程項目的防風抑塵網(wǎng)鋼支架進行優(yōu)化，將其斜立柱與水平腹桿之間的ɑ夾角設(shè)定為72°，能夠使得鋼支架的總用鋼量最省，從而降低了工程造價，這也為后續(xù)的項目如何進行優(yōu)化提供了思路。