某防風抑塵網結構ɑ夾角優化設計★

吳建明 陸謙成

(東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419)

1 概述

防風抑塵網是近二十年從歐美、日本等港區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境的污染，達到降低作業區域風速的作用[1]。

防風抑塵網工程在我國各港口煤炭堆場雖已普及，但在設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。為了優化支架結構[2]，認為鋼支架的用鋼量在進行優化時，與斜立柱、水平腹桿之間所形成的ɑ夾角有關，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

現以某工程項目為例進行ɑ夾角的優化。該項目鋼支架高度18 m，支架間距設定為4 m。設計使用年限為50年，當地的抗震設防烈度為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；μs為風荷載體形系數；βz為風振系數。

優化設計采用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，支架各節點相對于地面的高度不變，根據ɑ夾角的變化，進行試算，要求其應力與變形應符合相關規范要求。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力和柱頂位移的變化。

3 計算結果

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，鋼支架各桿件的應力會出現變化，控制的原則是桿件的應力不能超出GB 50017—2017鋼結構設計規范的應力限值。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，我們不難發現，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力，還需保證柱頂在水平風荷載的作用下，水平位移滿足規范要求。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律，ɑ夾角越小，水平腹桿的強度越不能發揮其優勢，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 結語

根據上述分析，本次對防風抑塵網鋼支架的優化設計可以總結出以下四點：

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小；

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ɑ夾角為72°。

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