高密度聚乙烯(HDPE)近海养殖网箱框架抗弯刚度分析

魏盛军

(福建省水产研究所福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室，福建 厦门 361013)

网箱养殖是中国海水养殖的重要方式之一[1-3]。传统木质海水养殖网箱[4](以下简称木质网箱)最早出现在20世纪70年代，福建沿海传统网箱数量还有近50万口[5]。但传统海水养殖网箱抗风浪性能弱，易断裂破碎，只适用于内湾养殖[6-8]，无法适应风大、浪高、流急且无屏障保护的湾外海域；传统海水养殖网箱用的浮体为多为聚苯乙烯泡沫(EPS)，抗老化性能差，在海洋的高温、高湿、高辐射的环境下，短时间内就出现老化破碎[9-10]，碎粒化的泡沫形成大量的海漂垃圾及微塑料，给环境造成极大的影响[11-13]。此外，港湾内长期无序无度养殖，导致的水体、底质污染严重[14-16]，影响海水养殖业的健康发展，发展湾外养殖成为海水养殖业的新热点[17-19]。

高密度聚乙烯(HDPE)海水养殖网箱(简称HDPE网箱)相比于传统海水养殖网箱，具有柔韧性好[20]，抗风浪性能优、环保性好，易于回收利用、不易老化后微粒化，以及耐腐蚀、耐盐等特性，成为新一代海上养殖设施的最佳选择之一[21-22]。自2010年从韩国引进后，在国内多地开展HDPE网箱生产应用，中央和各地各级渔业主管部门也出台相关政策大力推广HDPE网箱[23-25]。然而目前HDPE网箱并没有得到广泛认可，没能实现替代传统木质网箱，实现大规模的应用，直到2018年12月福建省宁德市开展将全市传统木质网箱升级为HDPE近海养殖网箱。HDPE网箱刚性不足，柔弹性有余，抗流性能弱，易发生整体变形。一旦风浪稍大，人走在海水养殖网箱上，上下起伏幅度大，缺乏平稳性，左右摇晃，缺乏安全感，而养殖户习惯了稳定性好的木质网箱，难以适应。

针对HDPE网箱刚度不足的问题，本研究对HDPE网箱框架进行分析，研究HDPE网箱框架抗弯刚度，并与传统木质网箱进行比较，寻找HDPE网箱刚性不足的问题所在，为研发新型高刚度的HDPE网箱提供新的视角。

1 海水养殖网箱选择

HDPE网箱根据框架结构特点可分为两种类型：管式HDPE网箱(简称管式网箱)(图1a)和板式HDPE网箱(简称板式网箱)(图1b)[26]。管式网箱框架边由两条HDPE管构成，横向与纵向的HDPE管在交汇的节点通过专用“#”连接件连接，相连节点之间两根管互相独立，框架边下方捆绑浮球为网箱提供浮力，框架上方捆绑踏板作为人员行走走道[27]；板式网箱由横纵搭接框架板构成网箱的框架，因框架板为板状结构，自身即可作为人员行走走道，无需另外加装踏板，框架下方捆绑浮球为网箱提供浮力[28]。

图1 HDPE网箱

管式网箱框架边参数：HDPE管外径φ125 mm，壁厚11.4 mm，两根管中心距375 mm。设两根管轴心连线(与海平面平行)为X轴，Y轴垂直X轴方向(垂直海平面)且过两根管轴心连线中点，则该截面是对称图形，其形心位置位于横向与纵向对称轴的交点O，其框架边截面图见图2。

图2 管式网箱框架边截面

板式网箱框架边参数：框架板宽度400 mm，厚度75 mm，壁厚10 mm，内有6条竖直加强筋，厚度10 mm。设框架板厚度方向中心线为X轴(平行海平面)，Y轴垂直X轴(垂直海平面)且过宽度方向中线，则该截面为对称图形，形心即为其几何中心O，其框架边截面图见图3。

图3 板式网箱框架边截面

为探索HDPE网箱框架边结构对其抗弯刚度的影响，还设计一种带加强筋的HDPE管作为管式网箱框架边的主管，即在现有管内增加“Y”字型加强筋，3条加强筋均匀分布，加强筋厚度10 mm。设两根管轴心连线(平行海平面)为X轴，Y轴垂直X轴方向(垂直海平面)且过两根管轴心连线中点，则该截面属于对称图形，其形心在其几何中心位置O，称为“管式加强型HDPE网箱(简称：加强型网箱)”，其框架边截面图见图4。

图4 管式加强型网箱框架边截面

木质网箱取较为典型规格为研究对象，木质网箱框架板的参数为宽度300 mm，厚度80 mm，设厚度方向中心线为X轴(平行海平面)，Y轴垂直X轴(垂直海平面)且过宽度方向中心线，则该截面为矩形，形心即为其几何中心点O，其框架边截面图见图5，框架边所用木材为优质铁杉木。

图5 木质网箱框架边截面

2 海水养殖网箱抗弯刚度分析

2.1 海水养殖网箱框架刚度的求解方法

结构的抗弯刚度指物体抵抗其弯曲形状变化的能力，可以通过分析其截面的弯曲刚度来确定，它体现了截面抵抗弯曲变形的能力。材料力学中，截面弯曲刚度求解公式[29]是：

K=EI

(1)

式中：K表示截面的弯曲刚度(N·m2)；E是材料的弹性模量(MPa)，对于一种弹性均质材料而言，是个固定值；I是结构截面惯性矩(m4)，主要与截面的几何形状与边界条件有关。

同一种材料，不同结构截面的弯曲刚度与截面的几何形状有关；而同样的截面，其截面的弯曲刚度与材料有关。对于HDPE网箱而言，其框架结构的材质都是HDPE材料，因此不同类型HDPE网箱框架的抗弯刚度主要由截面的几何形状决定。HDPE网箱与木质网箱框架结构的抗弯刚度则与材料和截面的几何形状都有关系。

本研究对象为HDPE网箱和木质网箱结构的抗弯刚度，前者HDPE的弹性模量与铁杉木木材的弹性模量均为已知，通过查询相关资料可知，PE100级高密度聚乙烯(HDPE)的弹性模量在840～950 MPa之间，本研究取EHDPE=900 MPa。铁杉木纵纹的弹性模量在9 800～12 000 MPa之间[30]，本文取EW=1 100 MPa。只需计算出样本截面的截面惯性矩I，即可通过公式(1)求得对应截面的弯曲刚度。

2.2 海水养殖网箱框架截面惯性矩与抗弯刚度

根据4种海水养殖网箱框架截面参数，已知每个样本截面的几何形状以及尺寸，并用CAD软件计算[31]每个样本截面对其形心O点处X轴和Y轴的惯性矩IX和IY，将其与对应材料的弹性模量代入公式(1)，可求得各截面对其形心O点处X轴和Y轴的抗弯刚度KX和KY，详见表1。

表1 4种海水养殖网箱框架截面在X轴和Y轴的惯性矩及抗弯刚度

3 各类型海水养殖网箱框架抗弯刚度结果讨论

3.1 海水养殖网箱框架截面惯性矩

从表1可以看出，4种海水养殖网箱框架结构截面在X轴和Y轴惯性矩从大到小排序一致，均是：加强型网箱>管式网箱>木质网箱>板式网箱。即加强型网箱在X轴和Y轴惯性矩最佳，管式网箱次之，木质网箱第三，板式网箱最小。在X轴上，管式网箱是板式网箱的1.38倍；管式网箱与木质网箱框架横网箱接近；加强型网箱与管式网箱相比，主管内加入加强筋后，对X轴的惯性矩提高了9.77%。在Y轴上，管式网箱是板式网箱的1.71倍；板式网箱与木质网箱框架横网箱接近，加强型网箱与管式网箱相比，主管内加入加强筋后，对Y轴的惯性矩提高了35.45%。

从海水养殖网箱框架结构角度可以得出，同类型的两种HDPE网箱相比较，管式结构优于板式结构，因为管式网箱结构力学性能优于板式网箱结构，管式结构各向力学性能一致性好，不易出现应力集中问题。此外，管式网箱增加加强筋具有提升其各项惯性矩的作用，有利于改善网箱的抗弯刚度。

对于同一种海水养殖网箱，其框架结构网箱在Y轴的惯性矩远高于X轴，高出一个数量级。显然，4种海水养殖网箱框架结构在Y轴方向抗弯性能更好，X轴方向较弱，这与海水养殖网箱实际表现相符。实际生产应用中，很少见到海水养殖网箱框架结构绕Y轴发生扭曲变形(HDPE网箱除外，特别是系锚绳处有发生变形，偶尔有损坏的，主要是受材料性能影响，见下文分析)，变形损坏都是发生在绕X轴方向。用通俗的话讲就是海水养殖网箱框架结构沿X轴方向更“厚”，抗弯能力强，沿Y轴方向相对“薄”，抗弯能力弱。

3.2 海水养殖网箱框架网箱抗弯刚度讨论

分析表1，不难看出4种海水养殖网箱框架结构网箱在X轴和Y轴抗弯刚度从大到小排序一致，均是：木质网箱>加强型网箱>管式网箱>板式网箱。且木质网箱远高于其他3种，X轴方向上，管式网箱是其8.5%，板式网箱是其6.16%，加强筋型网箱是其9.33%，均不足木质网箱的10%。管式网箱高于板式网箱，是板式网箱的1.38倍，加强型网箱与管式网箱相比较，提高了9.8%。Y轴方向上，管式网箱是木质网箱的13.59%，板式网箱是木质网箱7.95%，加强型网箱是木质网箱18.41%，均不足木质网箱的20%。管式网箱是板式网箱的1.71倍；加强型网箱是管式网箱的1.35倍；

从网箱的惯性矩角度看，管式结构比板式结构更具优势。但实际抗弯刚度而言，两种管式结构的无论X轴还是Y轴的抗弯刚度都远逊色于木质网箱。这种现象主要因素在于HDPE与铁杉木弹性模量差异，PE100级HDPE弹性模量只有铁杉木的8.18%，虽然管式网箱框架边各轴惯性矩高于木质网箱，但即便是Y轴的实际抗弯刚度也不足木质网箱的20%。

对HDPE网箱而言，上述问题在实际中的表现为管式网箱抗变形能力优于板式网箱，发生扭曲、翻卷破坏的多见于板式网箱。对比HDPE网箱与木质网箱，人员行走在HDPE网箱框架上，海水养殖网箱上下起伏大，平稳性弱，不利于生产作业；涨落潮或极端天气引发急流下，网箱框架易变性，影响安全生产。而木质网箱抗弯刚度良好，行走在木质网箱上，平稳性高，安全感好，急流下网箱不易变形，稳定性好。目前部分用户通过沿HDPE网箱框架两侧捆绑竹竿或木棒的方式对其进行加固，一定程度上提高其整体刚性。

3.3 影响海水养殖网箱框架网箱抗弯刚度的其他因素

上文分析了HDPE网箱与木质网箱框架边的结构和材料对网箱刚度的影响。实际生产上，完整HDPE网箱还包括浮球、网衣或挂养殖笼的竹竿(木梁)、锚泊等组成，是个复杂的组合体，这些附属物对网箱整体刚度也有重要的影响。

无论HDPE网箱还是木质网箱，都需要在其框架边下方捆绑一定数量的浮球提供浮力，方可在海上开展养殖生产。作为网箱的一部分，浮球对网箱框架的刚度有较大的影响。首先，从局部上看，无论何种网箱，对框架边中捆绑了浮球的部分而言，该部分框架边与浮球构成了组合结构，相较于单独的框架边其结构性能有极大提升。例如 以图2管式网箱框架网箱为例，若在其下方放置一个专用浮球，浮球宽度550 mm，高度540 mm，长度为980 mm；浮球两肩部与两根管紧密贴合，浮球与管用绳索捆扎紧固。在有浮球的局部位置，浮球与海水养殖网箱框架边组合体截面如图6，计算该网箱对X轴和Y轴的惯性矩I组X和I组Y分取整后别是：I组X=1.22×10-2m4、I组Y=1.26×10-2m4。相较于没有浮球的情况，其X轴方向惯性矩提高了约917倍，Y轴方向提高了约42倍，且X轴与Y轴方向惯性非常接近，更为均衡。

图6 带浮球的管式网箱框架边截面

其次，从整体上看，网箱根据生产用途及位置布置浮球的密度，通常按(0.5～4.0 m)的跨距布置浮球。显然跨距小能够更好地提高网箱的刚性，但这要增加浮球的数量，造成网箱建设成本增加。另外，即便在框架边下方无间距的密布浮球，对网箱的刚性提升也是有局限性。因为，浮球是独立的个体，其对框架边刚性增强效果类似于“铁链”。对与框架边来说，浮球对框架边刚性增强范围有限，只局限与浮球所在范围，浮球与浮球之间缺乏连续性，如同铁链，每个链环刚性好，但链环与链环之间缺乏刚度的连续性，实际的表现是HDPE网箱框架在风浪流作用下，抵抗上凸变形能力提升较大，但抵抗下凹变形能力依旧不足。生产应用中HDPE网箱和木质网箱浮球的布置方式是一致的，因此，浮球布置对网箱整体刚度起到提升作用，但不是导致HDPE网箱与木质网箱刚性差距大的原因。

HDPE网箱框架针对不同的养殖对象配置不同的养殖附件，当挂上网衣则可以用于养殖鱼类，若等间隔布置竹竿(木梁)并吊挂养殖笼，用于养殖鲍、海参、牡蛎等。网衣及附着的污损生物在水中有一定的重量，相当于沿海水养殖网箱框架挂上等重量的悬坠，提高海水养殖网箱整体的质量，对海水养殖网箱的整体稳定性有一定的提升作用，但对海水养殖网箱的刚度没有显著影响。此外，网衣在海流作用下会对海水养殖网箱产生巨大的拉力，反而会加重海水养殖网箱的变形。在每口HDPE网箱上等间距布置竹竿(木梁)[32]，可以很好地提高HDPE网箱在竹竿(木梁)轴向的刚度。一是由于竹竿(木梁)具有更好的刚度，从整体上看，等价于复合上刚性更好的材料，达到提升刚性的作用；二是密布的竹竿(木梁)成为海水养殖网箱框架的一部分，提升了结构的性能，也可提升海水养殖网箱的刚性。

4 结论

对于HDPE网箱与木质网箱，受材料性能限制，HDPE网箱刚性弱于木质网箱。虽然HDPE网箱存在刚性不足，耐流性能弱，但整体性能优于木质网箱，特别是环保、抗风浪方面更具优势，是替代传统木质网箱的选择之一。建设HDPE网箱也必须解决其刚性不足的问题，提升安全性与可靠性。可以采用以下几种方式提升HDPE网箱刚性，如优化结构性能，提升整体刚性；对HDPE材料进行改性，提升材料性能满足刚性需求；采用复合结构，在现有网箱框架基础上，通过捆绑、内嵌等方式增加木梁、竹竿等刚性好的环保性材料，提升网箱整体刚性。对于两种不同的HDPE网箱，管式网箱的抗变形能力优于板式网箱，更适合于布置在水文环境恶劣的海域养殖。

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