環保構筑物防風網工程的主要可變荷載分析

吳 建 明

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

環保構筑物防風網工程的主要可變荷載分析

吳 建 明

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

以浙江省沿海某防風網工程為例，分析了防風網工程在使用過程中可能承受的可變荷載，包括風荷載、地震荷載、裹冰荷載所引起的柱底彎矩，為今后的工程設計提供了一定的參考依據。

防風網，鋼支架，風荷載，地震荷載，裹冰荷載

為滿足抑制煤粉塵擴散的環保要求，在煤炭堆場周邊實施環保構筑物——防風網工程,是目前廣泛采用的做法。防風網工程是一種具有多孔屏障的防風抑塵構筑物，它通過在鋼立柱上安裝固定被人為開孔的網板(如圖1所示)，并利用網板上的開孔梳理進入散貨堆場內的紊亂風流場，使風速降低至煤顆粒起塵風速以下，從而達到防風抑塵的效果。防風網支架按一定高度和間距布置(需根據煤炭堆場的高度和平面情況)，每榀鋼支架之間通過鋼系桿和柱間支撐加強連接，以保證其結構的側向穩定性[1]。

根據GB 50135—2006高聳結構設計規范[2]、《高聳結構設計手冊》[3]的定義，本文探討的防風網工程屬于高聳結構(高聳結構指有較高的高度，橫截面與高度比較相對較小，風荷載起主要作用[3])。高聳結構承受的荷載很多，例如結構自重、風荷載、裹冰荷載、地震荷載、施工檢修荷載、溫度作用等。上述荷載中的可變荷載，尤其是側向作用的可變荷載將對高聳結構產生最不利的影響。同時，防風網板在裹冰時，會因風的存在而產生強烈的振動。因此，結合高聳結構的受力特點，本文將分析防風網工程在設計的過程中需考慮的可變荷載有：風荷載、地震荷載、裹冰荷載等。本文旨在計算上述三種可變荷載所引起的柱底彎矩的基礎上，分析三種可變荷載中的主要荷載，為后續工程設計提供相關經驗。

1 計算參數及模型

本文以浙江省沿海的某防風網工程為例，工程要求整體結構能夠抵御風速為40 m/s的颶風。相關設計參數如表1所示。

表1 計算參數

經建模計算，防風網支架各桿件編號及截面分別見圖1,表2。在計算的過程中，模型簡化成柱底與基礎頂面固結，頂部自由的懸臂桿結構。

2 分析方法

為了便于比較，本文根據高聳結構的特點，考慮其在承載能力極限狀態下，由風荷載、地震荷載、裹冰荷載引起的柱底彎矩設計值，從而分析出防風網設計的主要荷載所占比重，為后續工程設計提供經驗。

表2 桿件截面表

3 風荷載

3.1 計算理論

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范[4]，JTS 144—1—2010港口工程荷載規范[5]，風荷載可按以下方法計算：wk=βzusuzw0。其中，βz為高度z處的風振系數；us為風荷載體型系數；uz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓。為簡化計算模型，本文將風荷載按均布線荷載分段施加在防風網鋼結構的直立柱側邊，頂部最大，底部最小，詳見圖2。

《建筑結構荷載規范》第8.4.1條規定，對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1>0.25 s的各種高聳結構，應考慮風壓脈動對結構產生順風向風振的影響。本文探討的防風網工程自振周期經估算，T1=0.234 s，可不考慮風振系數的影響，因此，βz取1.0。其他參數取值如下：us=1.05(根據風洞試驗得到)，柱頂部uz=1.63，柱底部uz=1.17，w0=1.0。計算得到作用在豎向立柱上的平均風壓線荷載wk=12.41 kN/m。風荷載為可變荷載，其分項系數取1.4，計算風壓設計值為：q=1.4×wk=1.4×12.41=17.37 kN/m。

3.2 柱底彎矩分析

上述計算得到的線性風荷載為17.37 kN/m，考慮到防風網立柱間距為4 m，平均風壓線荷載wk的作用高度為9 m，則由風荷載引起的防風網柱底傾覆彎矩為：

M風=17.37 kN/m×4 m×9 m=625.32 kN·m。

從上式計算結果可知，在其他相同條件下，迎風面積是風荷載大小的關鍵性因素。這里的迎風面積即體現在防風網立柱間距和風壓線荷載的作用高度這兩個參數上。迎風面積越大，風荷載引起的防風網柱底傾覆彎矩也越大。大的迎風面積可產生很大的風荷載，甚至造成局部破壞或倒塌。此外，結構的高度越高，風荷載高度變化系數uz也越大，計算得到的風壓線荷載也越大。

4 地震荷載

本節根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范[6]規定，分別考慮防風網工程在使用的過程中，可能承受的地震荷載有水平地震荷載和豎向地震荷載兩種。水平地震荷載和豎向地震荷載將使原來處于靜止狀態的結構在各質量處產生水平加速度和豎向加速度，從而產生水平慣性力和豎向慣性力。這些慣性力可使結構產生破損、破壞或倒塌。

4.1 水平地震荷載

根據計算模型導出的結果，防風網由水平地震荷載引起的柱底彎矩為M地=12.52kN·m。

4.2 豎向地震荷載

根據《建筑抗震設計規范》第5.1.1條第四款規定，8度，9度時的大跨度和長懸臂結構及9度時的高層建筑，應計算豎向地震作用。本工程位于7度設防烈度，且不屬于大跨度及高層建筑，因此可不考慮豎向地震作用。

4.3 柱底彎矩分析

由水平地震荷載引起的防風網柱底傾覆彎矩M地僅為12.52kN·m，與風荷載引起的柱底傾覆彎矩相比，數值較小。

5 裹冰荷載

5.1 計算理論

考慮到防風網板為開孔結構，其固定在防風網支架上，在冬季時，可能會承受由于板眼開孔結冰而引起的裹冰荷載。裹冰荷載與結構的截面形式以及裹冰厚度有關，可按下式計算：

q1=πbα1α2(d+bα1α2)γ×10-6。

其中，α1為裹冰厚度的直徑修正系數，可取0.92；α2為裹冰厚度的高度遞增系數，可取1.12；b為基本裹冰厚度，可取8mm；d為結構的圓截面直徑，取203mm；γ為裹冰重度，一般取9kN/m3。

5.2 柱底彎矩分析

經計算，本工程的裹冰線荷載約為0.049kN/m，其引起的防風網柱底傾覆彎矩為：M裹冰=0.049×4×9=1.764kN·m。由裹冰荷載引起的防風網柱底傾覆彎矩M裹冰僅為1.764kN·m，與風荷載、水平地震荷載引起的柱底傾覆彎矩相比，數值可以忽略不計。

6 結語

根據上述計算、分析，本文可得出以下結論：

1)風荷載、地震荷載、裹冰荷載雖是高聳結構需考慮的可能承受的主要可變荷載，但由于防風網工程有其特殊性，因此在其設計的過程中也有主次之分。其中以風荷載為最大，地震荷載次之，裹冰荷載最小。

2)地震荷載與建筑物、構筑物所處地理位置的烈度、自身的重量、剛度等都有關系。由于防風網屬于輕鋼結構，根據經驗可得出結論其水平地震荷載亦非主要的可變荷載。

根據工程所在地的地震烈度參數，按照《建筑抗震設計規范》第5.1.1條第四款規定，通常可僅考慮水平地震荷載，豎向地震荷載無需考慮。計算實踐表明，下列高聳結構可不作抗震計算，一般均能滿足，僅需滿足抗震構造要求即可。

a.6度，任何類場地的高聳結構及其地基基礎；

b.7度,Ⅰ類,Ⅱ類場地，基本風壓w0≥0.4kN/m2；8度,Ⅲ類,Ⅳ類場地，基本風壓w0≥0.7kN/m2；8度,Ⅰ類,Ⅱ類場地，基本風壓w0≥0.7kN/m2；

c.不大于8度Ⅰ類,Ⅱ類場地的不帶塔樓的鋼塔架、鋼桅桿及其地基基礎。

3)裹冰荷載占比極小，需根據工程所在地的地理位置辯證的考慮。

[1] 吳建明，白景峰.防風網整體建模與單榀建模計算對比分析[J].水道港口，2014，35(6):95-97.

[2]GB50135—2006，高聳結構設計規范[S].

[3] 王肇民.高聳結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1995.

[4]GB50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[5]JTS144—1—2010，港口工程荷載規范[S].

[6]GB50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

Analysis on main variable load of environmental protection building windproof net

Wu Jianming

(TransportationDepartment,TianjinWaterwayEngineeringScientificResearchInstitute,Tianjin300456,China)

Taking a windproof net engineering in Zhejiang coastal as an example, this paper analyzed the column bottom moment caused by variable load, including wind load, seismic load, ice load of windproof net engineering in using process, provided some reference for future engineering design.

windproof net, steel bracket, wind load, seismic load, ice load

2015-01-20

吳建明(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0044-02

TU318

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