雅丹地貌沙漠鐵路防風柵欄支護結構優化設計

張立群，許振海，董捷，隋孝民

（1.河北建筑工程學院土木工程學院，河北張家口075000；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251）

雅丹地貌沙漠鐵路防風柵欄支護結構優化設計

張立群1，許振海1，董捷1，隋孝民2

（1.河北建筑工程學院土木工程學院，河北張家口075000；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251）

依托青海魚卡至一里坪鐵路建設工程，對青海雅丹地貌區鐵路風沙防治進行研究。防風抑塵網應用于青海雅丹地貌沙漠鐵路的風沙防治，其中支護結構是防風沙工程的重要部分，支護結構的設計是否合理將直接影響整個防風沙工程的總成本。因此，有必要對防風沙支護結構進行比選和優化。本文從網板寬度和支護結構形式2個方面進行優化:首先分析網板開孔率、風速、網板寬度等因素對網板強度和位移的影響；其次設計3種不同形式的支護結構，優化支護結構的立柱形式和地錨結構，在保證結構整體穩定性的前提下節約成本。

沙漠鐵路；防風柵欄；支護結構；網板寬度；優化設計

青海雅丹地貌區沙漠鐵路風沙防治措施主要為PE網，由于當地氣候環境惡劣，紫外線直射強烈，導致PE網耐久性不足。PE網的損壞會導致固沙區逐漸失效，輕則路基風蝕，重則路基沙埋，給沙漠交通運輸帶來巨大的損失。鑒于此，本文擬采用蝶形鍍鋅金屬防風抑塵網應用于雅丹地貌區沙漠鐵路的風沙防治?？紤]到防風抑塵網經濟成本相對于PE網不能太高，因此，在實際工程中有必要對防風抑塵網支護結構進行比選和優化，確定最經濟合理的結構形式，以降低工程投資［1］。優化主要分為2部分：①基礎支護結構的優化；②網板間距的優化。前期，防風抑塵網的研究大多集中在對露天堆場的抑塵機理方面［2-5］，對應用于沙漠的風沙防治研究較少，尤其對防風抑塵網應用于沙漠鐵路的支護結構沒有理論上的研究。自此，許多學者開始就防風網支護結構在風荷載作用下力學特性方面進行研究。段振亞等［6］對直立平行式與直立斜支撐式2種類型的鋼構架進行力學特性分析。孫熙平［7］對防風網結構風振響應與疲勞特性進行了研究。雅丹地貌沙漠鐵路大風區支護結構所受的風荷載很大，如果支護結構和網板的強度與剛度不夠，則會出現較大的變形，容易產生疲勞破壞。本文針對網板截面寬度和支護結構形式的力學特性開展優化研究工作，得出最優的支護結構形式和截面寬度，以期為該特殊地理地貌條件下交通工程防風沙設計、工程投資成本的節約提供借鑒。

1　青海雅丹地貌區沙漠鐵路防風沙工程概況

本文主要依托青海魚卡（紅柳）至一里坪鐵路建設工程，對青海雅丹地貌區鐵路防風沙網板寬度和支護結構進行研究。雅丹地貌區沙漠鐵路模型如圖1所示。防風沙網板總體高度為1.5 m，防風網采用金屬材質的蝶形鍍鋅網板，設網方式為垂直風向布網。防風網設置在主導風向一側，距離網板一定距離是固沙區，緊鄰固沙區的是鐵路路基，路基高度是防風沙網板的2倍。

圖1　防風沙模型示意

2　網板極限寬度優化設計

防風網結構靜力有限元分析，按《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）計算等效靜風壓，將等效靜風壓作用在防風網上，對防風網結構的應力、位移進行靜力分析。網板截面形式如圖2所示，網板單峰高度為250mm，采用鍍鋅金屬網板，厚度為1mm，長度通過優化來確定。

2.1孔隙率的影響

在相同條件下，網板孔隙率為0.3～0.8，長度為3m，兩端固結，加載等效風壓為750Pa。經受力分析得，在網板中部峰谷位置變形達到最大，不同孔隙率下最大應力、位移如表1所示，不同孔隙率網板的最大位移和最大應力變化趨勢如圖3所示。

圖2　網板截面形式示意（單位：mm）

表1　不同孔隙率下網板應力及位移

圖3　不同孔隙率網板的力學特性

由圖3可知：隨著孔隙率由0增大到0.4，網板位移達到第1次極大值；孔隙率從0.4增大到0.6時，網板最大位移又開始減小，在0.6時達到極小值；之后最大位移再次增大，0.8時達到最大值。原因在于風速作用于低孔隙率網板時擋風效果大于滲風效果；風速作用于中度孔隙率網板時滲風效果大于擋風效果；隨著網板孔隙率增大，網板整體強度下降、抗風能力減弱，此時的網板穩定性較差。

2.2風速影響

風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。根據伯努利方程得出的風速-風壓關系，風的動壓為［8］

式中：ω為風壓標準值，kN/m2；γ為空氣重度，kN/m3；g重力加速度，9.8 m/s2；v為最大風速，m/s；γ/2g值在青海雅丹地貌區取1/2 600。

防風沙網板的寬度為3 m、孔隙率為0.3，在6種不同風速工況下，均勻作用于網板，隨著風速的增大，網板的最大應力和最大位移的變化如表2、圖4。

表2　不同風速下網板應力及位移變化

圖4　不同風速下網板的力學特性

不同風速同一網板產生的風壓隨風速變化。由公式（1）可知，風壓隨著風速不斷增大呈二次方增長。由表2、圖4可知：風速由最初的20 m/s增加到35 m/s過程中，網板最大位移由1.0815mm增加到3.2446mm，網板的最大應力由20.754 MPa增加到62.262MPa，整體為線性遞增趨勢。

2.3網板極限寬度確定

支護結構成本占防風沙工程造價的比例很大，在滿足強度要求的前提下，網板寬度越寬，需要的支護結構越少，工程造價越低。因此，對網板寬度的極限寬度設計十分必要。在相同風速（35m/s）和網板孔隙率（0.3）、不同網板寬度（3，4，5，6m）情況下，隨著網板寬度的增加，網板中部最大位移也在變大。當網板寬度達到6m時，最大應力未超過許用應力，最大位移亦未超過最大撓度允許值。不同網板寬度對網板應力、位移影響如表3所示。防風抑塵網板的制作長度不能超過6m。如果超過6m會給工程中運輸和施工造成許多不便。因此，網板極限寬度為6m。

表3　不同網板寬度對網板應力、位移影響

3　支護結構設計和優化

設計了3種防風沙網板支護結構應用于沙漠鐵路風沙防治，有鋼管斜支撐鋼架、鋼管立柱加斜拉地錨和棱柱鋼筋混凝土立柱加斜拉地錨，主副立柱支撐處、斜拉地錨均為固定約束，風載荷轉化為均布力分別施加在各梁上?？紤]到防風網是關于主立柱對稱安裝，故主立柱只受風荷載的作用，不考慮對立柱的扭矩。3種支護結構形式如圖5所示。

1）如圖5（a）所示，主立柱采用φ89鋼管，管壁厚4 mm，副立柱采用φ73鋼管，中間綴條采用角鋼組合結構，主、副立柱底部間距為800mm，結構整體高度為1.6m。

2）如圖5（b）所示，立柱采用φ89鋼管，直徑5 mm斜拉鋼絲繩，地錨采用C15鋼筋混凝土預制，結構整體高度為1.6m。

3）如圖5（c）所示，立柱采用鋼筋混凝土（C20）預制，截面邊長20cm，直徑5mm斜拉鋼絲繩，地錨采用C15鋼筋混凝土預制，結構整體高度為1.6m。

圖5　3種支護結構形式示意

3.1風荷載轉化

風荷載作用于防風網板是一個長期、往復的過程，不僅造成防風沙網片的破壞，而且還會導致支護結構的疲勞變形。本文采用蝶形的防風沙網板，風荷載作用于網板時，確定網板的受力狀態十分困難。本文根據圍護結構相關規定來確定網板所受風荷載，假設風荷載均勻分布于整個防風網板的未開孔部分，首先依據相關規定計算出對應風荷載，然后乘以分項系數和防風沙網板的迎風面積［9］。即

式中：wk為風荷載標準值，kN/m2；βgz為高度z處振風系數，當計算圍護結構時，高度1.5 m處βgz= 1.88［10］；μs1為風荷載局部體型系數，可取0.78；μz為風壓高度變化系數，沙漠地區高度1.6 m處μz=1.09；w0為基本風壓值，青海當地w0可取0.45 kN/m2。

經計算得：高度1.6 m處wk=0.719 269 2 kN/m2。由于不同開孔率網板的面積不同，作用于支護結構的荷載也不同，這里取孔隙率為0時的極限狀態，此時支護結構所受荷載P1最大，具有代表性。防風網板的長度為6 m，開孔率為0時，P1=4.32 kN/m。

3.23種支護結構強度位移變化

3種支護結構的最大位移均在主風方向，其他方向的位移很小。鋼管斜支撐鋼架的最大位移為0.113 8 mm，鋼管立柱加斜拉地錨最大位移為0.174 26 mm，棱柱鋼筋混凝土立柱加斜拉地錨最大位移為1.256 2 mm，均小于懸臂式抗風桁架在可變荷載標準值作用下的撓度允許值2L/1 000=12 mm［9］。因此，3種支護結構剛度均滿足要求。

支護結構最大應力發生在立柱支撐底部，鋼管斜支撐鋼架最大應力16.124 MPa；鋼管立柱加斜拉地錨最大應力17.824 MPa；棱柱鋼筋混凝土立柱加斜拉地錨最大應力23.532 MPa。三者均小于鋼管的許用應力163 MPa，防風網支護結構強度均滿足要求。

3.33種支護結構比選

需要根據各種支護結構的力學特性、經濟成本等因素進行綜合比較。在荷載條件相同的情況下，對3種支護結構形式防風沙網板進行比較，見表4。

表4　3種支護結構的分析比選

由表4綜合對比分析得出，在一般情況下棱柱鋼筋混凝土立柱加斜拉地錨是較為經濟、方便的防風沙網板支護結構形式，值得在工程應用中加以推薦。斜拉地錨的斜拉角度對支護結構的性價比非常重要，斜拉角度越小，支護結構越穩定，但是斜拉鋼絞線隨之加長，工程造價隨之提高。反之，斜拉角度越大，地錨對立柱的水平拉力越小，支護結構越不穩定，斜拉鋼絞線隨之減短，經濟成本隨之減少。通過對不同角度的模擬發現60°時為極限狀態，既能滿足穩定性要求又節約成本。

4　結語

1）網板的應力、位移不隨著孔隙率的增大而持續增大?？紫堵视?增大到0.4時，網板位移達到第1次極大值；孔隙率從0.4增大到0.6時，網板最大位移又開始減小，在0.6時達到極小值；之后最大位移再次增大，孔隙率為0.8時達到最大值。

2）風速與網板的應力變形關系為一次曲線，隨著風速的增大而增大。網板極限寬度為6 m。

3）3種支護結構形式強度都滿足要求，棱柱鋼筋混凝土立柱加斜拉地錨結構中斜拉地錨與地面夾角為60°時，在滿足安全使用前提下往往比其他2種結構形式在經濟成本上更節約，值得在青海雅丹地貌區鐵路風沙防治工程中加以推薦。

［1］陳廷國，馬高峰.防風抑塵網支護結構的比選和優化設計［J］.港工技術，2012，49（4）：27-30.

［2］宋翀芳，彭林，白慧玲，等.露天堆場防風抑塵網后湍流結構及抑塵效率的數值模擬［J］.中國環境科學，2014，7（34）：1690-1695.

［3］潘武軒，何鴻展，宋翀芳.露天堆場防風抑塵網臨界孔隙率的數值模擬［J］.中國環境科學，2015，6（35）：1638-1644.

［4］潘武軒，宋翀芳，何鴻展.露天堆場防風抑塵網遮蔽效果的數值模擬［J］.環境工程學報，2015，9（9）：4440-4446.

［5］陳光輝，白學花，李建隆.導流型防風網的力學特性分析［J］.化工學報，2015，66（9）：3685-3691.

［6］段振亞，黃文博，傅進.防風網支撐鋼構架結構設計與力學特性分析［J］.石油化工設備，2013，42（4）：27-30.

［7］孫熙平.防風網結構風振響應與疲勞特性研究［D］.天津：天津大學，2008.

［8］閆俊月，周磊，周長吉，等.塑料大棚設計中基本風壓取值方法［J］.農業工程學報，2014，30（12）：171-176.

［9］中華人民共和國建設部.GB 50009—2012建筑結構荷載規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［10］中華人民共和國建設部.GB 50017—2003鋼結構設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

（責任審編趙其文）

Optimization Design of Windbreak Fence Supporting Structure in Yardang Landform Desert Railway

ZHANG Liqun1，XU Zhenhai1，DONG Jie1，SUI Xiaomin2
（1.Department of Civil Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075000，China；2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）

Based on the railway construction project from Qinghai Yuka to Yiliping，the wind-sand prevention and treatment for Qinghai Yardang landform desert railway was studied.T he sand prevention and dust suppression porous fence was applied in wind-sand prevention and treatment.T he supporting structure is an important part of wind-sand prevention project，the design of which will directly affect the total cost of the wind-sand prevention project.T he wind-sand prevention supporting structure should be compared and optimized.T he two aspects including the porous fence width and supporting structure form were optimized.Firstly，the influences of such factors as porosity，wind speed，porous fence width on the strength and deformation displacement of porous fence were analyzed.Secondly，three different forms of supporting structure were designed，the column form and ground anchor structure of supporting structure were optimized.T he cost savings should be guaranteed under the premise of ensuring the overall structure stability.

Desert railway；W indbreak fence；Supporting structure；Porous fence width；Optimization design

U213.1+54

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.11

1003-1995（2016）10-0038-04

2016-05-16；

2016-07-18

河北省重點研發計劃項目（15275420）

張立群（1972—），男，教授，碩士。