大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究

朱華寶，杜　洋（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津　塘沽　300461）

?

大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究

朱華寶，杜洋
（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津塘沽300461）

摘要：以某港口煤堆場(chǎng)防風(fēng)網(wǎng)工程中多種類型大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為原型，基于非線性有限元理論，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立空間有限元模型，利用模態(tài)分析研究大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的自振周期及振型，并對(duì)基本自振周期數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，得出此類結(jié)構(gòu)的第1自振周期計(jì)算公式及簡(jiǎn)化估算公式，為此類及類似結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)參數(shù)取值提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大跨度墻架；防風(fēng)網(wǎng)；自振周期；振型；動(dòng)力特性

1　概述

防風(fēng)網(wǎng)是通過(guò)在大型堆料場(chǎng)周圍設(shè)置多孔透風(fēng)屏障,用來(lái)降低風(fēng)速并減弱大氣湍流中的旋渦結(jié)構(gòu)[1]。防風(fēng)網(wǎng)通過(guò)近幾年在各大港口堆料場(chǎng)的建設(shè)發(fā)展，已成為治理粉塵污染保護(hù)環(huán)境的重要手段之一[2]。防風(fēng)網(wǎng)主要由網(wǎng)板和支撐網(wǎng)板的支架組成，支架一般分為人字架（如圖1所示）和大跨度墻架結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。人字架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)按一定間距排列，組成了堆料場(chǎng)外的一道人工防風(fēng)屏障，但人字架防風(fēng)網(wǎng)的使用具有局限性，僅適合地上及地下無(wú)障礙物的場(chǎng)地區(qū)域，當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)沿線場(chǎng)地內(nèi)存在房屋建筑、大型管線、橋架等時(shí)，則需通過(guò)設(shè)計(jì)大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)（見(jiàn)圖2）來(lái)實(shí)現(xiàn)防風(fēng)網(wǎng)的連續(xù)性和整體性防風(fēng)抑塵效果，另外在跨越主干道路及轉(zhuǎn)角處也需要設(shè)置類似防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)處理。

圖1　人字架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式

圖2　大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式

目前對(duì)防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性研究?jī)H局限于對(duì)人字架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究，如文獻(xiàn)[3-6]都是對(duì)人字架防風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)洞試驗(yàn)、風(fēng)振響應(yīng)及周期振型進(jìn)行分析計(jì)算，而對(duì)大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的振型特點(diǎn)、周期影響參數(shù)、周期計(jì)算方法至今無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)記載，因此本文將對(duì)大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行研究探討。

2　大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

風(fēng)荷載是防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載，所以風(fēng)荷載的取值計(jì)算直接影響著防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]，垂直作用于防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:

式（1）中βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù),us為風(fēng)荷載體型系數(shù),uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù),w0為基本風(fēng)壓。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.4.1條明確指出基本自振周期大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)均需考慮風(fēng)振的影響，防風(fēng)網(wǎng)為高聳類鋼結(jié)構(gòu)，基本自振周期一般均大于0.25s，因此防風(fēng)網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮風(fēng)振影響，根據(jù)建筑荷載規(guī)范：

式（2）中g(shù)為峰值因子，可取2.5，I10為10m高名義湍流強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)A、B、C和D類地面粗糙度可分別取0.12、0.14、0.23和0.39，Bz為脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子，可通過(guò)結(jié)構(gòu)的高度、迎風(fēng)面寬度及振型系數(shù)計(jì)算得出，R為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子，結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率對(duì)R的取值起到?jīng)Q定性作用，因此結(jié)構(gòu)基本自振周期計(jì)算的正確與否，將決定風(fēng)荷載的取值是否合理。建筑荷載規(guī)范所給的結(jié)構(gòu)自振周期近似公式為：

上式中當(dāng)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)時(shí)可取高值，混凝土?xí)r可取低值。但（3）式所給的周期計(jì)算公式過(guò)于籠統(tǒng)，大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的第1自振周期計(jì)算系數(shù)究竟取何值更為精確及合理，將是本文需解決的課題。因此本文將以實(shí)際工程中10個(gè)大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為原型，利用有限元軟件ANSYS建立空間三維模型，計(jì)算出各個(gè)大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期及振型，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、擬合，從而給予大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性合理性評(píng)價(jià)，并得出給出第1自振周期計(jì)算公式及簡(jiǎn)化估算公式。

3　大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)空間模型動(dòng)力特性計(jì)算

大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為空間墻架結(jié)構(gòu)，本文采用有限元方法分析空間單元自振特性，體系無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程為[8]：

式中:[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣; {Y}為系統(tǒng)的位移向量。

其特征方程為：

利用子空間迭代法逐步迭代求解det(K-ω2M)= 0即可得出結(jié)構(gòu)所有的固有頻率值。

本文以10個(gè)防風(fēng)網(wǎng)工程中實(shí)際大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為原型(結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1)，利用ANSYS的beam188(三維空間梁?jiǎn)卧?組成三維空間模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，本文列出其中兩個(gè)高度分別為23m和17m，跨度為32m的大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)模型，詳見(jiàn)圖3、圖4所示，其余跨度的大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)以4m的跨度模數(shù)遞減。

圖3　32m跨23m高大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)（FBD5）

圖4　32m跨17m高大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)（FBD10）

根據(jù)建立的不同類型、不同高度的結(jié)構(gòu)空間模型，利用子空間迭代法，求解出結(jié)構(gòu)的前3階自振周期及前4階振型圖，各個(gè)大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及前3階自振周期詳見(jiàn)表1。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)DB1~FDB10前4階振型形態(tài)基本一致，第1振型均為平面外平動(dòng)，第2振型為平面內(nèi)平動(dòng)，第3振型為平面外整體扭轉(zhuǎn)，第4階振型為墻架梁的平動(dòng)，因此本文僅列出FBD5的前4階振型圖，如圖5~8所示。

圖5　FBD5第1振型

圖6　FBD5第2振型

圖7　FBD5第3振型

圖8　FBD5第4振型

表1　大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)前3階自振周期計(jì)算結(jié)果

4　大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

根據(jù)表1及圖5～8的計(jì)算結(jié)果，做如下幾點(diǎn)分析：

1)從表1可以看出，F(xiàn)BD1～FBD10的基本自振周期均大于0.25s，自振周期隨著高度H的增大而增大；其中FBD6周期很接近0.25s，因此，按照荷載規(guī)范，17m高度以上大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)必須考慮風(fēng)振影響，并根據(jù)第1自振周期的大小來(lái)計(jì)算風(fēng)振系數(shù)的大小；并且從表1中還可以看出結(jié)構(gòu)第1自振周期與第2自振周期差別不大，表明兩個(gè)方向的剛度基本相當(dāng)，結(jié)構(gòu)尺寸基本合理。

2)從圖5～圖8可以看出，結(jié)構(gòu)的平面外剛度最弱，格構(gòu)柱截面的高度h對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響較大，相同柱截面隨著跨度L的增大而剛度減小。

3)將以上兩點(diǎn)中影響防風(fēng)網(wǎng)基本自振周期的因素?cái)M合為基本周期T1的函數(shù)，可以得出第1自振周期計(jì)算公式：

其中n,m,k,p,為常數(shù)，H為防風(fēng)網(wǎng)高度，b為格構(gòu)柱高度，L為防風(fēng)網(wǎng)跨度。根據(jù)表1中23m高大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)FBD1～FBD5第1自振周期計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用MATLAB對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值擬合，可以得出：

其中，當(dāng)L＜28m時(shí)，n=0.056，當(dāng)n≥28m時(shí)，n=0.049。為驗(yàn)證式（7）正確與否，分別運(yùn)用式（7）及（3）式對(duì)FBD6～FBD10的進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　FBD6～FBD10采用式（7）及式（3）的計(jì)算結(jié)果

由表2可以得出，式（3）計(jì)算出的結(jié)構(gòu)基本自振周期普遍偏小，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)說(shuō)是偏不安全的，而且計(jì)算精度較差。本文給出的式（7）基本滿足精度要求，且比荷載規(guī)范給出的基本周期計(jì)算公式更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，用式（7）來(lái)計(jì)算大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基本自振周期是可行的。

式（7）中雖然計(jì)算精度較高，但是計(jì)算比較繁瑣，參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》式（3）的周期計(jì)算方法，(7)式中令

將表1中10個(gè)ANSYS基本周期計(jì)算結(jié)果帶入（8）式，可得出f(b,L)平均值=0.017，因此（8）式可簡(jiǎn)化為：

（10）式就是大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本自振周期的估算公式，根據(jù)估算公式計(jì)算得到的第1自振周期及相對(duì)誤差見(jiàn)表3：

表3　FBD1～FBD10采用式（3）及式（10）的計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，估算公式（10）要比荷載規(guī)范中的估算公式要精確的多，可以基本滿足荷載規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算精度要求，填補(bǔ)了對(duì)此類結(jié)構(gòu)基本自振周期估算的空白。

5　結(jié)論

大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)是防風(fēng)網(wǎng)工程中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)樣式，本文以10個(gè)實(shí)際工程中碰到的大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為原型建立空間有限元模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力特性分析，然后對(duì)基本周期數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合并對(duì)比《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中關(guān)于基本自振周期的計(jì)算公式，可以得到一下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）FDB1~FDB10前4階振型形態(tài)一致，第1振型均為平面外平動(dòng)，結(jié)構(gòu)平面外剛度最小；前兩階自振周期相差不大，兩個(gè)方向的剛度基本相當(dāng)，結(jié)構(gòu)尺寸基本合理；影響結(jié)構(gòu)基本自振周期的因素主要有格構(gòu)柱尺寸、結(jié)構(gòu)的高度及結(jié)構(gòu)的跨度。

2）根據(jù)空間有限元模型自振周期計(jì)算結(jié)果，本文得出了用于計(jì)算大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本自振周期的一般公式和較為簡(jiǎn)單的估算公式，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比，證明了兩個(gè)公式的可靠性，填補(bǔ)了對(duì)此類結(jié)構(gòu)基本自振周期計(jì)算的空白。

3）大跨度墻架防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是空間交叉桁架結(jié)構(gòu)，本文的分析結(jié)果可以為與之類似的其他工程提供參考，并對(duì)類似工程的合理性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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]沈熹.防風(fēng)網(wǎng)防塵技術(shù)在露天煤堆場(chǎng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)發(fā)展防風(fēng)網(wǎng)防塵技術(shù)的建議［J］.交通環(huán)保，1995，16（3）：22-25.

[3]張光玉，陳立，王奇志，等.秦皇島港煤堆場(chǎng)防風(fēng)網(wǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究［J］.交通環(huán)保，2003，24（1）：4-6.

[4]張亞青，詹水芬，彭士濤，等.秦皇島港防風(fēng)網(wǎng)風(fēng)洞試結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析研究［J］.水道港口，2008，29（4）：294-295.

[5] PARKCW,LEESJ.Experimentousfence[J].JWind Eng IndAerodyn,003,91:1652184.

[6]程健敏.擋風(fēng)網(wǎng)和它的庇護(hù)效應(yīng)［J］.交通環(huán)保，1998，19 （4）：32-35.

[7] GB50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

[8]黃本華.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

中圖分類號(hào)：TU391