某防风抑尘网结构ɑ夹角优化设计★

吴建明 陆谦成

(东莞理工学院城市学院，广东 东莞 523419)

1 概述

防风抑尘网是近二十年从欧美、日本等港区引进的一种解决粉尘污染的直立斜撑式钢支架(见图1)。主要包含以下几部分构件：与地面呈90°的直立柱、与地面呈一定角度ɑ的斜立柱，直立柱与斜立柱之间的水平腹杆和斜腹杆，以及悬挂在直立柱上带开孔的镀铝锌板(每个钢支架的距离约为4 m，若干个钢支架将煤炭堆场围合起来。每个钢支架之间悬挂带开孔的镀铝锌板，见图2)。通过带开孔的镀铝锌板，进入港区散货煤炭堆场的风速、风向被改变，从而能够减少因大风卷起煤粉尘对环境的污染，达到降低作业区域风速的作用[1]。

防风抑尘网工程在我国各港口煤炭堆场虽已普及，但在设计时为了满足支架的强度和刚度，存在杆件截面大、造价高等问题。为了优化支架结构[2]，认为钢支架的用钢量在进行优化时，与斜立柱、水平腹杆之间所形成的ɑ夹角有关，当ɑ达到某角度时可以使得钢支架的用钢量最省。

2 计算过程

现以某工程项目为例进行ɑ夹角的优化。该项目钢支架高度18 m，支架间距设定为4 m。设计使用年限为50年，当地的抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级，地面粗糙度为A类,50年一遇基本风压0.50 kN/m2，风荷载体形系数为1.05，风荷载标准值计算公式为：

wk=βzμzμsw0

(1)

其中，w0为基本风压，kN/m2；μz为风压高度变化系数；μs为风荷载体形系数；βz为风振系数。

优化设计采用2010-V32版本PKPM软件的STS模块进行建模计算，在模型中输入直立柱所承受的风荷载以及悬挂在其上的镀铝锌板所产生的恒荷载(见图3)。以斜立柱与水平腹杆的夹角ɑ为变量，支架各节点相对于地面的高度不变，根据ɑ夹角的变化，进行试算，要求其应力与变形应符合相关规范要求。分析时，改变斜立柱的截面大小尺寸，分析斜立柱与水平腹杆之间的不同角度对杆件应力和柱顶位移的变化。

3 计算结果

3.1 斜立柱柱用钢量分析

斜立柱与水平腹杆之间的夹角ɑ不同，钢支架各杆件的应力会出现变化，控制的原则是杆件的应力不能超出GB 50017—2017钢结构设计规范的应力限值。也就意味着，随着夹角ɑ不同，斜立柱与水平腹杆的截面尺寸可以变化。

从斜立柱、水平腹杆用量表(见表1)，钢支架用钢量变化图(见图4)，以及斜立柱、水平腹杆用钢量变化图(见图5)中，我们不难发现，随着ɑ夹角从80°开始减小时，斜立柱的用钢量逐渐减少，但当ɑ夹角小于72°后，斜立柱用钢量减少的幅度不明显，图5中钢支架中的斜立柱用钢量开始变得平缓。

例如，以67°与70°以及77°与80°做比较，斜立柱用钢量相差485 kg(1 176-691=485 kg)；而67°与70°夹角的钢支架，斜立柱用钢量相差18 kg(385-367=18 kg)。对比两者的用钢量差值，两者差值相差27倍。

通过计算，直立斜撑式支架的斜立柱、水平腹杆最优夹角ɑ为72°左右。

表1 斜立柱、水平腹杆用量表 kg

3.2 柱顶位移分析

除了控制钢支架各杆件的应力，还需保证柱顶在水平风荷载的作用下，水平位移满足规范要求。从柱顶位移表2可以看出，随着ɑ夹角变小，柱顶水平位移也随之减少，且水平位移值均满足规范限值要求。

表2 柱顶位移表

夹角/(°)6769707172737780斜立柱截面ϕ108×4ϕ108×4ϕ114×4ϕ144×4ϕ114×4ϕ121×4.5ϕ140×6ϕ180×8柱顶位移dx/mm22.4525.5527.8730.0932.6435.0237.9540.15H/dx744654599555512477440416

3.3 水平腹杆用钢量、总用钢量

从斜立柱、水平腹杆用钢量变化图(如图5所示)可以看出水平腹杆用钢量的变化规律，ɑ夹角越小，水平腹杆的强度越不能发挥其优势，反而用钢量越大，尤其是靠近地面的腹杆。

斜立柱与水平腹杆两者的总用钢量，随着斜立柱与水平腹杆的ɑ夹角变化，随着角度变小，总用钢量先减少，后增加，呈现两边高中间低的趋势；当斜立柱与水平腹杆的ɑ夹角在72°附加时，钢支架的总用钢量最省。

4 结语

根据上述分析，本次对防风抑尘网钢支架的优化设计可以总结出以下四点：

1)钢柱截面尺寸相同的钢支架，柱顶位移随着夹角的减小而减小；

2)水平腹杆用钢量随着ɑ夹角的减小而增大；

3)斜立柱用钢量随着ɑ夹角的减小而减小，当ɑ夹角小于72°后，用钢量变化不明显；

4)本项目中，直立斜撑式支架的斜立柱、水平腹杆最优ɑ夹角为72°。

综上所述，对某工程项目的防风抑尘网钢支架进行优化，将其斜立柱与水平腹杆之间的ɑ夹角设定为72°，能够使得钢支架的总用钢量最省，从而降低了工程造价，这也为后续的项目如何进行优化提供了思路。