环保构筑物防风网工程的主要可变荷载分析

吴 建 明

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

环保构筑物防风网工程的主要可变荷载分析

吴 建 明

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

以浙江省沿海某防风网工程为例，分析了防风网工程在使用过程中可能承受的可变荷载，包括风荷载、地震荷载、裹冰荷载所引起的柱底弯矩，为今后的工程设计提供了一定的参考依据。

防风网，钢支架，风荷载，地震荷载，裹冰荷载

为满足抑制煤粉尘扩散的环保要求，在煤炭堆场周边实施环保构筑物——防风网工程,是目前广泛采用的做法。防风网工程是一种具有多孔屏障的防风抑尘构筑物，它通过在钢立柱上安装固定被人为开孔的网板(如图1所示)，并利用网板上的开孔梳理进入散货堆场内的紊乱风流场，使风速降低至煤颗粒起尘风速以下，从而达到防风抑尘的效果。防风网支架按一定高度和间距布置(需根据煤炭堆场的高度和平面情况)，每榀钢支架之间通过钢系杆和柱间支撑加强连接，以保证其结构的侧向稳定性[1]。

根据GB 50135—2006高耸结构设计规范[2]、《高耸结构设计手册》[3]的定义，本文探讨的防风网工程属于高耸结构(高耸结构指有较高的高度，横截面与高度比较相对较小，风荷载起主要作用[3])。高耸结构承受的荷载很多，例如结构自重、风荷载、裹冰荷载、地震荷载、施工检修荷载、温度作用等。上述荷载中的可变荷载，尤其是侧向作用的可变荷载将对高耸结构产生最不利的影响。同时，防风网板在裹冰时，会因风的存在而产生强烈的振动。因此，结合高耸结构的受力特点，本文将分析防风网工程在设计的过程中需考虑的可变荷载有：风荷载、地震荷载、裹冰荷载等。本文旨在计算上述三种可变荷载所引起的柱底弯矩的基础上，分析三种可变荷载中的主要荷载，为后续工程设计提供相关经验。

1 计算参数及模型

本文以浙江省沿海的某防风网工程为例，工程要求整体结构能够抵御风速为40 m/s的飓风。相关设计参数如表1所示。

表1 计算参数

经建模计算，防风网支架各杆件编号及截面分别见图1,表2。在计算的过程中，模型简化成柱底与基础顶面固结，顶部自由的悬臂杆结构。

2 分析方法

为了便于比较，本文根据高耸结构的特点，考虑其在承载能力极限状态下，由风荷载、地震荷载、裹冰荷载引起的柱底弯矩设计值，从而分析出防风网设计的主要荷载所占比重，为后续工程设计提供经验。

表2 杆件截面表

3 风荷载

3.1 计算理论

根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范[4]，JTS 144—1—2010港口工程荷载规范[5]，风荷载可按以下方法计算：wk=βzusuzw0。其中，βz为高度z处的风振系数；us为风荷载体型系数；uz为风压高度变化系数；w0为基本风压。为简化计算模型，本文将风荷载按均布线荷载分段施加在防风网钢结构的直立柱侧边，顶部最大，底部最小，详见图2。

《建筑结构荷载规范》第8.4.1条规定，对于高度大于30 m且高宽比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1>0.25 s的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。本文探讨的防风网工程自振周期经估算，T1=0.234 s，可不考虑风振系数的影响，因此，βz取1.0。其他参数取值如下：us=1.05(根据风洞试验得到)，柱顶部uz=1.63，柱底部uz=1.17，w0=1.0。计算得到作用在竖向立柱上的平均风压线荷载wk=12.41 kN/m。风荷载为可变荷载，其分项系数取1.4，计算风压设计值为：q=1.4×wk=1.4×12.41=17.37 kN/m。

3.2 柱底弯矩分析

上述计算得到的线性风荷载为17.37 kN/m，考虑到防风网立柱间距为4 m，平均风压线荷载wk的作用高度为9 m，则由风荷载引起的防风网柱底倾覆弯矩为：

M风=17.37 kN/m×4 m×9 m=625.32 kN·m。

从上式计算结果可知，在其他相同条件下，迎风面积是风荷载大小的关键性因素。这里的迎风面积即体现在防风网立柱间距和风压线荷载的作用高度这两个参数上。迎风面积越大，风荷载引起的防风网柱底倾覆弯矩也越大。大的迎风面积可产生很大的风荷载，甚至造成局部破坏或倒塌。此外，结构的高度越高，风荷载高度变化系数uz也越大，计算得到的风压线荷载也越大。

4 地震荷载

本节根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范[6]规定，分别考虑防风网工程在使用的过程中，可能承受的地震荷载有水平地震荷载和竖向地震荷载两种。水平地震荷载和竖向地震荷载将使原来处于静止状态的结构在各质量处产生水平加速度和竖向加速度，从而产生水平惯性力和竖向惯性力。这些惯性力可使结构产生破损、破坏或倒塌。

4.1 水平地震荷载

根据计算模型导出的结果，防风网由水平地震荷载引起的柱底弯矩为M地=12.52kN·m。

4.2 竖向地震荷载

根据《建筑抗震设计规范》第5.1.1条第四款规定，8度，9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。本工程位于7度设防烈度，且不属于大跨度及高层建筑，因此可不考虑竖向地震作用。

4.3 柱底弯矩分析

由水平地震荷载引起的防风网柱底倾覆弯矩M地仅为12.52kN·m，与风荷载引起的柱底倾覆弯矩相比，数值较小。

5 裹冰荷载

5.1 计算理论

考虑到防风网板为开孔结构，其固定在防风网支架上，在冬季时，可能会承受由于板眼开孔结冰而引起的裹冰荷载。裹冰荷载与结构的截面形式以及裹冰厚度有关，可按下式计算：

q1=πbα1α2(d+bα1α2)γ×10-6。

其中，α1为裹冰厚度的直径修正系数，可取0.92；α2为裹冰厚度的高度递增系数，可取1.12；b为基本裹冰厚度，可取8mm；d为结构的圆截面直径，取203mm；γ为裹冰重度，一般取9kN/m3。

5.2 柱底弯矩分析

经计算，本工程的裹冰线荷载约为0.049kN/m，其引起的防风网柱底倾覆弯矩为：M裹冰=0.049×4×9=1.764kN·m。由裹冰荷载引起的防风网柱底倾覆弯矩M裹冰仅为1.764kN·m，与风荷载、水平地震荷载引起的柱底倾覆弯矩相比，数值可以忽略不计。

6 结语

根据上述计算、分析，本文可得出以下结论：

1)风荷载、地震荷载、裹冰荷载虽是高耸结构需考虑的可能承受的主要可变荷载，但由于防风网工程有其特殊性，因此在其设计的过程中也有主次之分。其中以风荷载为最大，地震荷载次之，裹冰荷载最小。

2)地震荷载与建筑物、构筑物所处地理位置的烈度、自身的重量、刚度等都有关系。由于防风网属于轻钢结构，根据经验可得出结论其水平地震荷载亦非主要的可变荷载。

根据工程所在地的地震烈度参数，按照《建筑抗震设计规范》第5.1.1条第四款规定，通常可仅考虑水平地震荷载，竖向地震荷载无需考虑。计算实践表明，下列高耸结构可不作抗震计算，一般均能满足，仅需满足抗震构造要求即可。

a.6度，任何类场地的高耸结构及其地基基础；

b.7度,Ⅰ类,Ⅱ类场地，基本风压w0≥0.4kN/m2；8度,Ⅲ类,Ⅳ类场地，基本风压w0≥0.7kN/m2；8度,Ⅰ类,Ⅱ类场地，基本风压w0≥0.7kN/m2；

c.不大于8度Ⅰ类,Ⅱ类场地的不带塔楼的钢塔架、钢桅杆及其地基基础。

3)裹冰荷载占比极小，需根据工程所在地的地理位置辩证的考虑。

[1] 吴建明，白景峰.防风网整体建模与单榀建模计算对比分析[J].水道港口，2014，35(6):95-97.

[2]GB50135—2006，高耸结构设计规范[S].

[3] 王肇民.高耸结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.

[4]GB50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[5]JTS144—1—2010，港口工程荷载规范[S].

[6]GB50011—2010，建筑抗震设计规范[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

吴建明(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)09-0044-02

TU318

A