雅丹地貌沙漠铁路防风栅栏支护结构优化设计

张立群，许振海，董捷，隋孝民

（1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口075000；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251）

雅丹地貌沙漠铁路防风栅栏支护结构优化设计

张立群1，许振海1，董捷1，隋孝民2

（1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口075000；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251）

依托青海鱼卡至一里坪铁路建设工程，对青海雅丹地貌区铁路风沙防治进行研究。防风抑尘网应用于青海雅丹地貌沙漠铁路的风沙防治，其中支护结构是防风沙工程的重要部分，支护结构的设计是否合理将直接影响整个防风沙工程的总成本。因此，有必要对防风沙支护结构进行比选和优化。本文从网板宽度和支护结构形式2个方面进行优化:首先分析网板开孔率、风速、网板宽度等因素对网板强度和位移的影响；其次设计3种不同形式的支护结构，优化支护结构的立柱形式和地锚结构，在保证结构整体稳定性的前提下节约成本。

沙漠铁路；防风栅栏；支护结构；网板宽度；优化设计

青海雅丹地貌区沙漠铁路风沙防治措施主要为PE网，由于当地气候环境恶劣，紫外线直射强烈，导致PE网耐久性不足。PE网的损坏会导致固沙区逐渐失效，轻则路基风蚀，重则路基沙埋，给沙漠交通运输带来巨大的损失。鉴于此，本文拟采用蝶形镀锌金属防风抑尘网应用于雅丹地貌区沙漠铁路的风沙防治。考虑到防风抑尘网经济成本相对于PE网不能太高，因此，在实际工程中有必要对防风抑尘网支护结构进行比选和优化，确定最经济合理的结构形式，以降低工程投资［1］。优化主要分为2部分：①基础支护结构的优化；②网板间距的优化。前期，防风抑尘网的研究大多集中在对露天堆场的抑尘机理方面［2-5］，对应用于沙漠的风沙防治研究较少，尤其对防风抑尘网应用于沙漠铁路的支护结构没有理论上的研究。自此，许多学者开始就防风网支护结构在风荷载作用下力学特性方面进行研究。段振亚等［6］对直立平行式与直立斜支撑式2种类型的钢构架进行力学特性分析。孙熙平［7］对防风网结构风振响应与疲劳特性进行了研究。雅丹地貌沙漠铁路大风区支护结构所受的风荷载很大，如果支护结构和网板的强度与刚度不够，则会出现较大的变形，容易产生疲劳破坏。本文针对网板截面宽度和支护结构形式的力学特性开展优化研究工作，得出最优的支护结构形式和截面宽度，以期为该特殊地理地貌条件下交通工程防风沙设计、工程投资成本的节约提供借鉴。

1　青海雅丹地貌区沙漠铁路防风沙工程概况

本文主要依托青海鱼卡（红柳）至一里坪铁路建设工程，对青海雅丹地貌区铁路防风沙网板宽度和支护结构进行研究。雅丹地貌区沙漠铁路模型如图1所示。防风沙网板总体高度为1.5 m，防风网采用金属材质的蝶形镀锌网板，设网方式为垂直风向布网。防风网设置在主导风向一侧，距离网板一定距离是固沙区，紧邻固沙区的是铁路路基，路基高度是防风沙网板的2倍。

图1　防风沙模型示意

2　网板极限宽度优化设计

防风网结构静力有限元分析，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）计算等效静风压，将等效静风压作用在防风网上，对防风网结构的应力、位移进行静力分析。网板截面形式如图2所示，网板单峰高度为250mm，采用镀锌金属网板，厚度为1mm，长度通过优化来确定。

2.1孔隙率的影响

在相同条件下，网板孔隙率为0.3～0.8，长度为3m，两端固结，加载等效风压为750Pa。经受力分析得，在网板中部峰谷位置变形达到最大，不同孔隙率下最大应力、位移如表1所示，不同孔隙率网板的最大位移和最大应力变化趋势如图3所示。

图2　网板截面形式示意（单位：mm）

表1　不同孔隙率下网板应力及位移

图3　不同孔隙率网板的力学特性

由图3可知：随着孔隙率由0增大到0.4，网板位移达到第1次极大值；孔隙率从0.4增大到0.6时，网板最大位移又开始减小，在0.6时达到极小值；之后最大位移再次增大，0.8时达到最大值。原因在于风速作用于低孔隙率网板时挡风效果大于渗风效果；风速作用于中度孔隙率网板时渗风效果大于挡风效果；随着网板孔隙率增大，网板整体强度下降、抗风能力减弱，此时的网板稳定性较差。

2.2风速影响

风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风速-风压关系，风的动压为［8］

式中：ω为风压标准值，kN/m2；γ为空气重度，kN/m3；g重力加速度，9.8 m/s2；v为最大风速，m/s；γ/2g值在青海雅丹地貌区取1/2 600。

防风沙网板的宽度为3 m、孔隙率为0.3，在6种不同风速工况下，均匀作用于网板，随着风速的增大，网板的最大应力和最大位移的变化如表2、图4。

表2　不同风速下网板应力及位移变化

图4　不同风速下网板的力学特性

不同风速同一网板产生的风压随风速变化。由公式（1）可知，风压随着风速不断增大呈二次方增长。由表2、图4可知：风速由最初的20 m/s增加到35 m/s过程中，网板最大位移由1.0815mm增加到3.2446mm，网板的最大应力由20.754 MPa增加到62.262MPa，整体为线性递增趋势。

2.3网板极限宽度确定

支护结构成本占防风沙工程造价的比例很大，在满足强度要求的前提下，网板宽度越宽，需要的支护结构越少，工程造价越低。因此，对网板宽度的极限宽度设计十分必要。在相同风速（35m/s）和网板孔隙率（0.3）、不同网板宽度（3，4，5，6m）情况下，随着网板宽度的增加，网板中部最大位移也在变大。当网板宽度达到6m时，最大应力未超过许用应力，最大位移亦未超过最大挠度允许值。不同网板宽度对网板应力、位移影响如表3所示。防风抑尘网板的制作长度不能超过6m。如果超过6m会给工程中运输和施工造成许多不便。因此，网板极限宽度为6m。

表3　不同网板宽度对网板应力、位移影响

3　支护结构设计和优化

设计了3种防风沙网板支护结构应用于沙漠铁路风沙防治，有钢管斜支撑钢架、钢管立柱加斜拉地锚和棱柱钢筋混凝土立柱加斜拉地锚，主副立柱支撑处、斜拉地锚均为固定约束，风载荷转化为均布力分别施加在各梁上。考虑到防风网是关于主立柱对称安装，故主立柱只受风荷载的作用，不考虑对立柱的扭矩。3种支护结构形式如图5所示。

1）如图5（a）所示，主立柱采用φ89钢管，管壁厚4 mm，副立柱采用φ73钢管，中间缀条采用角钢组合结构，主、副立柱底部间距为800mm，结构整体高度为1.6m。

2）如图5（b）所示，立柱采用φ89钢管，直径5 mm斜拉钢丝绳，地锚采用C15钢筋混凝土预制，结构整体高度为1.6m。

3）如图5（c）所示，立柱采用钢筋混凝土（C20）预制，截面边长20cm，直径5mm斜拉钢丝绳，地锚采用C15钢筋混凝土预制，结构整体高度为1.6m。

图5　3种支护结构形式示意

3.1风荷载转化

风荷载作用于防风网板是一个长期、往复的过程，不仅造成防风沙网片的破坏，而且还会导致支护结构的疲劳变形。本文采用蝶形的防风沙网板，风荷载作用于网板时，确定网板的受力状态十分困难。本文根据围护结构相关规定来确定网板所受风荷载，假设风荷载均匀分布于整个防风网板的未开孔部分，首先依据相关规定计算出对应风荷载，然后乘以分项系数和防风沙网板的迎风面积［9］。即

式中：wk为风荷载标准值，kN/m2；βgz为高度z处振风系数，当计算围护结构时，高度1.5 m处βgz= 1.88［10］；μs1为风荷载局部体型系数，可取0.78；μz为风压高度变化系数，沙漠地区高度1.6 m处μz=1.09；w0为基本风压值，青海当地w0可取0.45 kN/m2。

经计算得：高度1.6 m处wk=0.719 269 2 kN/m2。由于不同开孔率网板的面积不同，作用于支护结构的荷载也不同，这里取孔隙率为0时的极限状态，此时支护结构所受荷载P1最大，具有代表性。防风网板的长度为6 m，开孔率为0时，P1=4.32 kN/m。

3.23种支护结构强度位移变化

3种支护结构的最大位移均在主风方向，其他方向的位移很小。钢管斜支撑钢架的最大位移为0.113 8 mm，钢管立柱加斜拉地锚最大位移为0.174 26 mm，棱柱钢筋混凝土立柱加斜拉地锚最大位移为1.256 2 mm，均小于悬臂式抗风桁架在可变荷载标准值作用下的挠度允许值2L/1 000=12 mm［9］。因此，3种支护结构刚度均满足要求。

支护结构最大应力发生在立柱支撑底部，钢管斜支撑钢架最大应力16.124 MPa；钢管立柱加斜拉地锚最大应力17.824 MPa；棱柱钢筋混凝土立柱加斜拉地锚最大应力23.532 MPa。三者均小于钢管的许用应力163 MPa，防风网支护结构强度均满足要求。

3.33种支护结构比选

需要根据各种支护结构的力学特性、经济成本等因素进行综合比较。在荷载条件相同的情况下，对3种支护结构形式防风沙网板进行比较，见表4。

表4　3种支护结构的分析比选

由表4综合对比分析得出，在一般情况下棱柱钢筋混凝土立柱加斜拉地锚是较为经济、方便的防风沙网板支护结构形式，值得在工程应用中加以推荐。斜拉地锚的斜拉角度对支护结构的性价比非常重要，斜拉角度越小，支护结构越稳定，但是斜拉钢绞线随之加长，工程造价随之提高。反之，斜拉角度越大，地锚对立柱的水平拉力越小，支护结构越不稳定，斜拉钢绞线随之减短，经济成本随之减少。通过对不同角度的模拟发现60°时为极限状态，既能满足稳定性要求又节约成本。

4　结语

1）网板的应力、位移不随着孔隙率的增大而持续增大。孔隙率由0增大到0.4时，网板位移达到第1次极大值；孔隙率从0.4增大到0.6时，网板最大位移又开始减小，在0.6时达到极小值；之后最大位移再次增大，孔隙率为0.8时达到最大值。

2）风速与网板的应力变形关系为一次曲线，随着风速的增大而增大。网板极限宽度为6 m。

3）3种支护结构形式强度都满足要求，棱柱钢筋混凝土立柱加斜拉地锚结构中斜拉地锚与地面夹角为60°时，在满足安全使用前提下往往比其他2种结构形式在经济成本上更节约，值得在青海雅丹地貌区铁路风沙防治工程中加以推荐。

［1］陈廷国，马高峰.防风抑尘网支护结构的比选和优化设计［J］.港工技术，2012，49（4）：27-30.

［2］宋翀芳，彭林，白慧玲，等.露天堆场防风抑尘网后湍流结构及抑尘效率的数值模拟［J］.中国环境科学，2014，7（34）：1690-1695.

［3］潘武轩，何鸿展，宋翀芳.露天堆场防风抑尘网临界孔隙率的数值模拟［J］.中国环境科学，2015，6（35）：1638-1644.

［4］潘武轩，宋翀芳，何鸿展.露天堆场防风抑尘网遮蔽效果的数值模拟［J］.环境工程学报，2015，9（9）：4440-4446.

［5］陈光辉，白学花，李建隆.导流型防风网的力学特性分析［J］.化工学报，2015，66（9）：3685-3691.

［6］段振亚，黄文博，傅进.防风网支撑钢构架结构设计与力学特性分析［J］.石油化工设备，2013，42（4）：27-30.

［7］孙熙平.防风网结构风振响应与疲劳特性研究［D］.天津：天津大学，2008.

［8］闫俊月，周磊，周长吉，等.塑料大棚设计中基本风压取值方法［J］.农业工程学报，2014，30（12）：171-176.

［9］中华人民共和国建设部.GB 50009—2012建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［10］中华人民共和国建设部.GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

（责任审编赵其文）

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

河北省重点研发计划项目（15275420）

张立群（1972—），男，教授，硕士。