防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素

1、2013 年 10 月第 10期 總第 484 期水運(yùn)工程Port & Waterway EngineeringOct. 2013No. 10 Serial No. 484 防風(fēng)網(wǎng)作為一門(mén)新興技術(shù),國(guó)內(nèi)研究時(shí)間較短,實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)有限。同時(shí)國(guó)內(nèi)外關(guān)于防風(fēng)網(wǎng)的研究,大多集中在流體動(dòng)力學(xué)方面,如防風(fēng)網(wǎng)形式、防風(fēng)網(wǎng)布置、防風(fēng)網(wǎng)高度、防風(fēng)網(wǎng)開(kāi)孔率等對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的影響和防塵效果。關(guān)于防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度和承載安全度分析方法等,尚未見(jiàn)系統(tǒng)研究成果資料1。防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全,特別是風(fēng)載作用下的安全是關(guān)鍵問(wèn)題。研究確定影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素,在保證安全的情況下進(jìn)行防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),并達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的

2、,是設(shè)計(jì)工作中亟待解決的問(wèn)題。1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素1.1 防風(fēng)網(wǎng)的布置與結(jié)構(gòu)形式防風(fēng)網(wǎng)布置與結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)主要包括:防風(fēng)網(wǎng)的軸線(xiàn)位置(防風(fēng)網(wǎng)與堆場(chǎng)堆垛的距離、長(zhǎng)防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素蔣小芳,丁美鳳(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200231摘要:防風(fēng)網(wǎng)在我國(guó)港口工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)缺乏。根據(jù)國(guó)內(nèi)外防風(fēng)網(wǎng)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀,對(duì)防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素進(jìn)行探討,通過(guò)工程實(shí)例的計(jì)算分析了各因素對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的影響,供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。關(guān)鍵詞:防風(fēng)網(wǎng);風(fēng)荷載;體型系數(shù);優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào):U 656.1+33;TU 391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1002-4972(

3、201310-0177-03度、高度、開(kāi)孔率、網(wǎng)孔的形狀、支架結(jié)構(gòu)及設(shè)網(wǎng)方式等。這些需根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況條件、堆場(chǎng)情況、防塵效果等要求,由經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算確定。對(duì)于大型、重要防風(fēng)網(wǎng)工程,防風(fēng)網(wǎng)總體布置方案與網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)形式要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或者數(shù)值風(fēng)洞模擬技術(shù)確定2-8。1.2 風(fēng)荷載的確定風(fēng)荷載是防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)承受的主要荷載,工程設(shè)計(jì)中主要參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(簡(jiǎn)稱(chēng)荷載規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)9。荷載規(guī)范(2009年版給出的風(fēng)壓計(jì)算公式如下:W k =z s z w 0 (11z zz =+b n y(2式中:z 為高度z 處的風(fēng)振系數(shù);s 為風(fēng)荷載體型系數(shù);z 為風(fēng)壓高度變化系數(shù);w 0為基本風(fēng)壓;為脈動(dòng)增大系數(shù);為脈動(dòng)

4、影響系數(shù);z 為振型影Influential factors for architectural design of windproof netJIANG Xiao-fang, DING Mei-feng(CCCC Third Harbor Consultants Co., Ltd., Shanghai 200032, ChinaAbstract: Although windproof nets are widely used in domestic port engineering, there is still a lack of designexperience for it. This

5、 paper discusses the influential factors for the architectural design of windproof net initially based on the application and current research situation of windproof net at home and abroad. The paper analyses theinfluences of all these factors, to provide reference for similar projects.Key words: wi

6、ndproof net; wind load; shape coefficient; optimization design收稿日期:2013-08-10作者簡(jiǎn)介:蔣小芳(1979,女,碩士,工程師,從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。178 水運(yùn)工程2013 年響系數(shù)。GB 500092012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范雖已對(duì)風(fēng)振系數(shù)的確定進(jìn)行了修訂,但規(guī)范仍未給出此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式的體型系數(shù)。因此,對(duì)于防風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)荷載體型系數(shù)研究,具有理論和工程實(shí)際意義,目前已有部分研究10。1.3 支架結(jié)構(gòu)形式及基礎(chǔ)形式防風(fēng)網(wǎng)支架一般采用鋼結(jié)構(gòu),一般結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。防風(fēng)網(wǎng)支架設(shè)計(jì)類(lèi)似于鋼屋架的設(shè)計(jì),同樣可以布置成三角形和梯形。上部結(jié)構(gòu)主

7、要由支架、水平撐桿以及支撐組成。支架結(jié)構(gòu)等效為懸臂結(jié)構(gòu),腹桿的布置方式對(duì)于風(fēng)荷載的合理傳遞是有影響的,因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式的確定根據(jù)場(chǎng)地空間條件、地質(zhì)條件確定,通常分為樁基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)兩 種形式。圖1 防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)2 工程實(shí)例1實(shí)例1。蘇州港太倉(cāng)港區(qū)華能煤炭碼頭工程,陸域部分煤堆場(chǎng)采用條形料場(chǎng)方案,共布置6條條形煤場(chǎng)。當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.55 kN/m2,地面粗糙度為A 類(lèi)。經(jīng)防風(fēng)網(wǎng)工程可行性研究推薦,沿堆場(chǎng)四周設(shè)防風(fēng)抑塵墻,防風(fēng)網(wǎng)高度為19 m,防風(fēng)網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)形式為網(wǎng)-墻結(jié)構(gòu),墻體高度不超過(guò)2 m,設(shè)計(jì)中采用1.5 m,支架間距4.5 m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本加速度為0

8、.10g。受場(chǎng)地限制,防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置寬度限定在5 m以?xún)?nèi),場(chǎng)地表層土為吹填砂,故設(shè)計(jì)采用樁基。2實(shí)例2。福州港可門(mén)作業(yè)區(qū)4#,5#泊位工程,經(jīng)數(shù)值模擬研究推薦,沿堆場(chǎng)四周設(shè)防風(fēng)抑塵墻,根據(jù)工程實(shí)施進(jìn)展,先在管理區(qū)與堆場(chǎng)之間的防風(fēng)林內(nèi)設(shè)置防風(fēng)網(wǎng),根據(jù)碼頭施工的進(jìn)行程度逐步將防風(fēng)網(wǎng)方案完整。防風(fēng)網(wǎng)高度為18 m或15 m,防風(fēng)網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)形式為網(wǎng)-墻結(jié)構(gòu),墻高為1 m,支架間距3 m?？拐鹪O(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g。網(wǎng)布置場(chǎng)地較大,場(chǎng)地下部巖基埋深淺,整個(gè)場(chǎng)地吹填后拋石形成,拋石厚度為68 m,故采用淺基礎(chǔ),巖基埋深淺處采用錨桿淺基礎(chǔ)。防風(fēng)板均采用開(kāi)孔率=40%,半徑R=6 mm圓型

9、開(kāi)孔,開(kāi)孔排列為錯(cuò)開(kāi)形,防風(fēng)板折角為140。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮正、反兩個(gè)風(fēng)向作用,同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重,由于結(jié)構(gòu)輕、質(zhì)量小,故地震作用很小,主要考慮風(fēng)載作用。同時(shí),考慮到空間結(jié)構(gòu)作用效果,取一個(gè)結(jié)構(gòu)段建模進(jìn)行整體計(jì)算。3 計(jì)算結(jié)果由于防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要受風(fēng)荷載控制,故而設(shè)計(jì)的各影響因素均從荷載規(guī)范中風(fēng)荷載計(jì)算公式出發(fā)進(jìn)行對(duì)比。3.1 體型系數(shù)荷載規(guī)范中沒(méi)有明確的體型系數(shù)的取值,本文取1.3進(jìn)行分析;按文獻(xiàn)10所給資料,以及綜合考慮實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中孔洞堵塞等因素,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取體型系數(shù)為1.05,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表1 實(shí)例1不同柱距與體型系數(shù)的工程用量體型系數(shù)柱距/m鋼結(jié)構(gòu)用量/(kgm-2網(wǎng)板厚度/mm5

10、00預(yù)制樁樁長(zhǎng)/m綜合造價(jià)/(萬(wàn)元m-1支架用鋼材1.3 4.528.6 1.234未核算Q2356.037.3 1.039未核算Q2351.05 4.522.8 1.231 2.0Q2356.033.6 1.033 2.3Q345根據(jù)荷載規(guī)范計(jì)算公式可知,在其它因素不變的情況下,風(fēng)荷載取值與體型系數(shù)成正比,亦即體型系數(shù)的取值直接影響工程的造價(jià),所以采用合理的體型系數(shù)是十分必要的。3.2 柱距網(wǎng)板的造價(jià)在上部結(jié)構(gòu)的造價(jià)中所占比例為20%30%,在特定的自然條件下,網(wǎng)板的選用直接和支架間距有關(guān)。水平支撐桿件是用于減小支架立柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度的桿件,主要由長(zhǎng)細(xì)比控制,同時(shí)桿件壁179 第 10 期蔣

11、小芳,丁美鳳:防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素厚尚應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范的構(gòu)造要求,對(duì)幾個(gè)工程實(shí)例每一支架間距范圍內(nèi)用鋼量對(duì)比計(jì)算見(jiàn)表2。從表2可以看出支架間距越小,輔助支撐系統(tǒng)用鋼量所占比例越小,亦即構(gòu)造選用用鋼量越少,從受力角度來(lái)看就越合理。因此合理的柱距對(duì)造價(jià)起到至關(guān)重要的影響。表2 不同工程主結(jié)構(gòu)桿件與支撐桿件用鋼量(標(biāo)準(zhǔn)段處工程柱距/m主支架/kg水平撐桿/kg撐桿用鋼量比例/%實(shí)例16.0 1 507 1 35847.0 4.5 1 133306.4521.3實(shí)例2 3.0 2 651165.6 5.93.3 周期脈動(dòng)增大系數(shù)和結(jié)構(gòu)的周期有關(guān),程序與規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表3。由于支架結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單

12、,剛度分布均勻,由表中結(jié)果可以看出,單榀支架模型計(jì)算周期與規(guī)范估算周期相近,但非典型高聳結(jié)構(gòu)空間模型計(jì)算結(jié)果較單榀支架周期要大很多,位于規(guī)范建議取值范圍內(nèi),故而在條件允許的情況下,建議進(jìn)行空間模型計(jì)算,以達(dá)到更安全合理的目的。表3 不同計(jì)算方法的結(jié)構(gòu)周期 s 工程規(guī)范附錄E估算單榀支架空間模型實(shí)例1(4.5 m柱距0.1330.2470.1370.216 5實(shí)例20.1260.2340.1380.312 03.4 結(jié)構(gòu)高度根據(jù)荷載規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式,隨著港口功能的增強(qiáng),防風(fēng)網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大,結(jié)構(gòu)總高度與其迎風(fēng)面寬度的比值都遠(yuǎn)小于0.5,因而防風(fēng)網(wǎng)的脈動(dòng)影響系數(shù)轉(zhuǎn)化為與結(jié)構(gòu)總高度密切相關(guān)。通

13、過(guò)工程實(shí)例的分析,防風(fēng)網(wǎng)的高度與受風(fēng)條件及堆場(chǎng)貨物堆放高度密切相關(guān),故而防風(fēng)網(wǎng)的高度一般都小于30 m,綜上所得,防風(fēng)網(wǎng)的高度僅僅影響風(fēng)荷載計(jì)算中高度系數(shù)的取值。3.5 地質(zhì)、地理?xiàng)l件防風(fēng)網(wǎng)的平面走向往往和擋風(fēng)效果密切相關(guān),是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所不能左右的。但基礎(chǔ)的布置形式對(duì)于造價(jià)來(lái)說(shuō)也有一定的影響。對(duì)于實(shí)例2高度為15 m高度防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行造價(jià)比較,防風(fēng)網(wǎng)基礎(chǔ)一部分坐落于中風(fēng)化巖石地基上,另一部分位于拋石地基上,在所有上部結(jié)構(gòu)相同的情況下,錨桿條形基礎(chǔ)造價(jià)2.804萬(wàn)元/m,條形基礎(chǔ)造價(jià)2.767 9萬(wàn)元/m。4 結(jié)論1體型系數(shù):風(fēng)荷載體型系數(shù)取值直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理的問(wèn)題,體型系數(shù)取值與結(jié)構(gòu)用鋼

14、量成正比關(guān)系。2支架間距:受防風(fēng)網(wǎng)板本身的截面特性以及現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的限制,合理的支架間距能夠達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益。3結(jié)構(gòu)自振周期:自振周期越大,結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)振的響應(yīng)效果會(huì)越大,結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面就越大。但無(wú)限增加結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)降低風(fēng)振的影響并不符合經(jīng)濟(jì)的目的,如何在兩者中尋求平衡是一個(gè)重要課題。4地質(zhì)、地理?xiàng)l件:受地基條件以及場(chǎng)地限制,基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于造價(jià)的影響是顯而易見(jiàn)的。參考文獻(xiàn):1 王元戰(zhàn), 孫熙平, 詹水芬, 等. 防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究綜述J. 港工技術(shù), 2008(3: 16-19.2 陳凱, 朱風(fēng)榮, 鈕珍南. 防風(fēng)網(wǎng)作用效果的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)評(píng)估口J. 北京大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006(5: 63

15、6-640.3 Park C, Lee S J. Experimental study on surface pressure and flow structure around a triangular prism located behind a porous fenceJ. J wind Eng Ind Aerodyn, 2003(9: 165-184.4 Yaragal S C, Ram H S G, Murthy K K. An experimental investigation of flow fields downstream of solid and porous fencesJ. J Wind Eng Ind Aerodyn, 1997, 66(2: 127-140.5 劉現(xiàn)鵬, 王元戰(zhàn), 洪寧寧, 等. 秦皇島港煤堆場(chǎng)防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析J. 港工技術(shù), 2008(5: 15-17. 6 張亞清, 張光玉, 詹水芬, 等.