环保建筑防风网工程钢支架的优化设计

吴建明 白景峰

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

0 引言

目前各大港口在解决煤炭散货装卸、储存等各环节中产生的煤粉尘对环境的污染，主要采用干法、湿法、干湿结合、或其他机械物理等方法［1］。从具体形式上分析，主要是设置各类风障，降低作业区的风速;洒水增湿，增加粉尘颗粒间的粘滞性和颗粒重量;起尘部位密封、半密封或者降低装卸作业落差来消除或缓解外界起尘因素［2］。其中，防风网工程属于具有多孔屏障的机械物理法，将具有一定开孔率的刚性或柔性网板固定在防风网钢支架上(见图1)，通过网板上的开孔改变风场，使得进入煤堆场的风速降低至煤粉尘起尘风速以下。根据有限元数值模拟计算结果，将防风网与一定含水率的洒水措施相结合，抑尘效率能达到90%以上［3］。目前由我所设计的防风网工程运营良好，抑尘效果直观，并已得到了各港口公司的认可。

防风网工程在整个设计过程中主要可分成三个环节，分别是总平面设计、工艺设计(防风网支架高度、网板材质、开孔率等参数的确定)、结构设计(基础、钢支架、连接节点)等。三个设计环节均与工程总投资密切相关。其中，总平面决定了工程长度、规模;防风网工艺决定了钢支架的高度、网板单价等;当前两个环节确定后，防风网结构设计无疑是决定整个工程投资的关键因素。因此，防风网结构的优化过程对节省工程建设投资、提高设计技术含量、缩短施工工期等都是必要的。本文从防风网的钢支架结构形式、间距等方面，阐述钢支架优化的基本思路。

图1 整体计算模型（左）和单榀计算模型（右）

1 概述

1.1 工程概况

某大型煤炭港口为了减少大风卷起的煤粉尘对环境的污染，提高当地空气质量，决定在煤炭堆场周边建设防风网。该工程分一期、二期先后实施，现一期工程已竣工，二期工程已完成施工图设计，尚未开工。一期工程长1 700 m，高度23 m。防风网支架采，用普通人字架结构，钢支架间距4 m。工程总造价约8 500万元每延米造价约5.0万元，造价较高;二期工程长1 098 m，高度23 m，防风网支架采用了优化后的带斜支撑的人字架结构，钢支架间距6 m。工程总造价4 658万元，每延米造价约4.27万元，节省了 14.6%。

1.2 设计存在的问题

防风网工程属于非常规钢结构，没有专门的结构设计规范作指导，设计者通常根据工程经验进行概念设计。该防风网一期工程的高度及规模在国内均属罕见，其设计过程实为该领域的一次大胆探索，因此设计成果相对保守，防风网钢支架的用钢量大，造价高。在一期工程竣工的基础上，对后续工程的钢支架结构如何优化，是设计者亟需解决的问题。在设计过程中，设计者反复对比研究，改进防风网支架的结构形式，调整支架的间距，探索出优化的思路，降低了二期工程的造价，取得了显著的经济效益。

2 计算理论及模型

2.1 计算理论

根据 GBJ 135-90高耸结构设计规范［5］、《高耸结构设计手册》［6］的定义，防风网结构可以视为外露性的高耸结构，风荷载起主要作用［5］。根据 GB 50009-2012 建筑结构荷载规范［7］，《港口工程荷载规范》［8］，作用在防风网支架上的风压力可按式(1)，式(2)计算:

式中:βz——高度 z处的风振系数;

us——风荷载体型系数;

uz——风压高度变化系数;

w0——基本风压;

ε——脉动增大系数;

v——脉动影响系数;

φz——振型影响系数。

2.2 计算模型

计算防风网支架结构通常有整体计算模型、单榀计算模型两种(见图1)。整体计算模型可采用ANSYS等有限元软件进行分析，建模时考虑各支架间所有连接构件的作用，计算相对繁琐;单榀计算模型依托普通的钢结构计算软件即可完成，不考虑系杆、柱间支撑对单榀支架的贡献，计算过程简单，计算精度能够满足工程建设的需要，适于设计工期短的要求。本文采用单榀计算模型加以分析。

3 钢支架的优化思路

在防风网工程总平面布置、支架高度、网板材质和开孔率、计算风压等重要参数已经确定的前提下，钢支架的结构形式、间距等参数的选择和确定是决定其工程造价的一个关键因素。本文重点对防风网的结构形式、立柱间距进行对比分析，得出二期工程的优化方案。

4 结构形式的优化

一期工程将防风网钢支架设计成普通人字型结构(见图2)。该结构形式的生产、制作过程简单，但各构件受力不合理，体型笨重，用钢量大。

二期工程在设计过程中，经过多次建模试算，分析比较，发现在普通人字型结构中，增加斜杆，使其与直立柱、斜立柱铰接(见图3)，单榀支架的用钢量下降。分析其原因，是由于斜杆能够有助于分解风荷载，分担了两根立柱的受力，使得各杆件的性能充分被利用，明显改善直立柱、斜立柱的应力比，最终减少了用钢量。

图2 普通的人字型结构

图3 带斜撑的人字型结构

4.1 各构件应力比

以一、二期工程的23 m高防风网为例，分别取立柱间距为3 m，4 m，6 m建模计算，各杆件的强度应力比如表1所示。表1中数据表明，二期工程所采用的带斜撑人字型结构，增加的斜撑使得各杆件的强度应力比有明显的改善。

表1 防风网杆件内力表

表2 支架用钢量(4 m柱距)

4.2 用钢量的比较

计算结果显示，增加斜撑后，相同柱距的钢支架各杆件不仅是强度应力比减小，而且截面积也相应变小，使得用钢量明显减少。其中4 m柱距的普通人字架单榀净重为4 300 kg，斜撑人字架单榀净重为3 900 kg，后者比前者节省约9.3%，各杆件截面详见表2。

5 钢支架间距的优化

根据市场上网板的生产工艺情况，防风网支架的柱距通常采用3 m，4 m，6 m，超过6 m间距的防风网板容易变形，质量不易保证。以100 m长度的防风网支架为例，柱距为3 m，4 m，6 m的支架用钢量如表3所示。从表3中可以看出，随着柱距的增大，由于所承受的风荷载面积增大，相同结构形式的单榀用钢量也增大。但与此同时，柱距增大使得相同长度的防风网支架数量减少，从而导致总用钢量降低。经计算，柱距分别为3 m，4 m，6 m的带斜撑人字型结构比普通人字型结构用钢量分别节省12.9%，9.2%，10.2%，如表3所示。

6 结语

根据上述分析，在普通人字架钢支架中，通过增加斜杆，能够有效调整各杆件的强度应力比，从而使得某些杆件的截面变小，节约用钢量，降低造价。柱距分别为3 m，4 m，6 m的带斜撑人字型钢支架比普通人字型钢支架用钢量分别节省12.9%，9.2%，10.2%。二期工程最终6 m间距的采用带斜撑人字型钢支架，每延米造价为4.27万元，比一期工程节省了14.6%，取得了显著的经济效益。

表3 100 m长支架用钢量(4 m柱距)

此外，与普通人字型钢支架相比，斜撑人字型钢支架还有如下优点:1)普通人字型斜立柱的倾斜度较大，导致横杆长度较短，焊接的难度大，质量不易保证;而斜撑人字型结构横杆长度增大，可以在横杆上铺设临时平台，便于施工期间安装防风网板，以及后期的维修;2)带斜撑的人字型支架由于增加了斜撑，使得支架稳定性更好，能够减少运输、安装过程中的挠度及变形问题;3)带斜撑的人字型结构在正常使用阶段，具有更好的性能，其顶部在风荷载的作用下，位移变形更小;4)结构自重降低，减少了施工、吊装、安装等环节的难度;并降低了运输、安装造价。

［1］吕庆新，洪宁宁，詹水芬，等.港口粉尘污染防治技术研究进展［J］.水道港口，2008，29(6)：451-452.

［2］郭 珊，詹水芬，张斌斌，等.煤炭港粉尘污染防治技术综述［J］.水道港口，2006，27(1)：40-44.

［3］张光玉，詹水芬，赵宏鑫，等.防风板抑尘效果数值模拟与风洞实验对比研究［J］.水道港口，2007，28(4)：286-288.

［4］王元战，孙熙平，詹水芬，等.防风网结构设计研究综述［J］.港工技术，2008，181(3)：16-19.

［5］GBJ 135-90，高耸结构设计规范［S］.

［6］王肇民.高耸结构设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1995.

［7］GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［8］JTJ 144-1-2010，港口工程荷载规范［S］.

［9］魏明钟.钢结构［M］.第2版.武汉：武汉理工大学出版社，2002.