吳建明 陸謙成

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523419)

1 概述

防風(fēng)抑塵網(wǎng)是近二十年從歐美、日本等港區(qū)引進(jìn)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(gè)鋼支架的距離約為4 m，若干個(gè)鋼支架將煤炭堆場圍合起來。每個(gè)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(jìn)入港區(qū)散貨煤炭堆場的風(fēng)速、風(fēng)向被改變，從而能夠減少因大風(fēng)卷起煤粉塵對環(huán)境的污染，達(dá)到降低作業(yè)區(qū)域風(fēng)速的作用[1]。

防風(fēng)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(jì)時(shí)為了滿足支架的強(qiáng)度和剛度，存在桿件截面大、造價(jià)高等問題。為了優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)[2]，認(rèn)為鋼支架的用鋼量在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，與斜立柱、水平腹桿之間所形成的ɑ夾角有關(guān)，當(dāng)ɑ達(dá)到某角度時(shí)可以使得鋼支架的用鋼量最省。

2 計(jì)算過程

現(xiàn)以某工程項(xiàng)目為例進(jìn)行ɑ夾角的優(yōu)化。該項(xiàng)目鋼支架高度18 m，支架間距設(shè)定為4 m。設(shè)計(jì)使用年限為50年，當(dāng)?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(fēng)壓0.50 kN/m2，風(fēng)荷載體形系數(shù)為1.05，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

wk=βzμzμsw0

(1)

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

優(yōu)化設(shè)計(jì)采用2010-V32版本PKPM軟件的STS模塊進(jìn)行建模計(jì)算，在模型中輸入直立柱所承受的風(fēng)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(diǎn)相對于地面的高度不變，根據(jù)ɑ夾角的變化，進(jìn)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(shí)，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(jì)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(huì)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(jì)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(shí)，斜立柱的用鋼量逐漸減少，但當(dāng)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(jì)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(fēng)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(qiáng)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(dāng)斜立柱與水平腹桿的ɑ夾角在72°附加時(shí)，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(fēng)抑塵網(wǎng)鋼支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以總結(jié)出以下四點(diǎn)：

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?。?/p>

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(dāng)ɑ夾角小于72°后，用鋼量變化不明顯；

4)本項(xiàng)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(xiàng)目的防風(fēng)抑塵網(wǎng)鋼支架進(jìn)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(jià)，這也為后續(xù)的項(xiàng)目如何進(jìn)行優(yōu)化提供了思路。