雅丹地貌沙漠鐵路防風(fēng)柵欄支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張立群，許振海，董捷，隋孝民

（1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北張家口075000；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251）

雅丹地貌沙漠鐵路防風(fēng)柵欄支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張立群1，許振海1，董捷1，隋孝民2

（1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北張家口075000；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251）

依托青海魚卡至一里坪鐵路建設(shè)工程，對青海雅丹地貌區(qū)鐵路風(fēng)沙防治進(jìn)行研究。防風(fēng)抑塵網(wǎng)應(yīng)用于青海雅丹地貌沙漠鐵路的風(fēng)沙防治，其中支護(hù)結(jié)構(gòu)是防風(fēng)沙工程的重要部分，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響整個(gè)防風(fēng)沙工程的總成本。因此，有必要對防風(fēng)沙支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選和優(yōu)化。本文從網(wǎng)板寬度和支護(hù)結(jié)構(gòu)形式2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化:首先分析網(wǎng)板開孔率、風(fēng)速、網(wǎng)板寬度等因素對網(wǎng)板強(qiáng)度和位移的影響；其次設(shè)計(jì)3種不同形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的立柱形式和地錨結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的前提下節(jié)約成本。

沙漠鐵路；防風(fēng)柵欄；支護(hù)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)板寬度；優(yōu)化設(shè)計(jì)

青海雅丹地貌區(qū)沙漠鐵路風(fēng)沙防治措施主要為PE網(wǎng)，由于當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境惡劣，紫外線直射強(qiáng)烈，導(dǎo)致PE網(wǎng)耐久性不足。PE網(wǎng)的損壞會導(dǎo)致固沙區(qū)逐漸失效，輕則路基風(fēng)蝕，重則路基沙埋，給沙漠交通運(yùn)輸帶來巨大的損失。鑒于此，本文擬采用蝶形鍍鋅金屬防風(fēng)抑塵網(wǎng)應(yīng)用于雅丹地貌區(qū)沙漠鐵路的風(fēng)沙防治?？紤]到防風(fēng)抑塵網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本相對于PE網(wǎng)不能太高，因此，在實(shí)際工程中有必要對防風(fēng)抑塵網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選和優(yōu)化，確定最經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式，以降低工程投資［1］。優(yōu)化主要分為2部分：①基礎(chǔ)支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；②網(wǎng)板間距的優(yōu)化。前期，防風(fēng)抑塵網(wǎng)的研究大多集中在對露天堆場的抑塵機(jī)理方面［2-5］，對應(yīng)用于沙漠的風(fēng)沙防治研究較少，尤其對防風(fēng)抑塵網(wǎng)應(yīng)用于沙漠鐵路的支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有理論上的研究。自此，許多學(xué)者開始就防風(fēng)網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下力學(xué)特性方面進(jìn)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(gòu)架進(jìn)行力學(xué)特性分析。孫熙平［7］對防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)與疲勞特性進(jìn)行了研究。雅丹地貌沙漠鐵路大風(fēng)區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)荷載很大，如果支護(hù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)板的強(qiáng)度與剛度不夠，則會出現(xiàn)較大的變形，容易產(chǎn)生疲勞破壞。本文針對網(wǎng)板截面寬度和支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)特性開展優(yōu)化研究工作，得出最優(yōu)的支護(hù)結(jié)構(gòu)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(fēng)沙設(shè)計(jì)、工程投資成本的節(jié)約提供借鑒。

1　青海雅丹地貌區(qū)沙漠鐵路防風(fēng)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(shè)工程，對青海雅丹地貌區(qū)鐵路防風(fēng)沙網(wǎng)板寬度和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。雅丹地貌區(qū)沙漠鐵路模型如圖1所示。防風(fēng)沙網(wǎng)板總體高度為1.5 m，防風(fēng)網(wǎng)采用金屬材質(zhì)的蝶形鍍鋅網(wǎng)板，設(shè)網(wǎng)方式為垂直風(fēng)向布網(wǎng)。防風(fēng)網(wǎng)設(shè)置在主導(dǎo)風(fēng)向一側(cè)，距離網(wǎng)板一定距離是固沙區(qū)，緊鄰固沙區(qū)的是鐵路路基，路基高度是防風(fēng)沙網(wǎng)板的2倍。

圖1　防風(fēng)沙模型示意

2　網(wǎng)板極限寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)

防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)靜力有限元分析，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）計(jì)算等效靜風(fēng)壓，將等效靜風(fēng)壓作用在防風(fēng)網(wǎng)上，對防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移進(jìn)行靜力分析。網(wǎng)板截面形式如圖2所示，網(wǎng)板單峰高度為250mm，采用鍍鋅金屬網(wǎng)板，厚度為1mm，長度通過優(yōu)化來確定。

2.1孔隙率的影響

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

圖2　網(wǎng)板截面形式示意（單位：mm）

表1　不同孔隙率下網(wǎng)板應(yīng)力及位移

圖3　不同孔隙率網(wǎng)板的力學(xué)特性

由圖3可知：隨著孔隙率由0增大到0.4，網(wǎng)板位移達(dá)到第1次極大值；孔隙率從0.4增大到0.6時(shí)，網(wǎng)板最大位移又開始減小，在0.6時(shí)達(dá)到極小值；之后最大位移再次增大，0.8時(shí)達(dá)到最大值。原因在于風(fēng)速作用于低孔隙率網(wǎng)板時(shí)擋風(fēng)效果大于滲風(fēng)效果；風(fēng)速作用于中度孔隙率網(wǎng)板時(shí)滲風(fēng)效果大于擋風(fēng)效果；隨著網(wǎng)板孔隙率增大，網(wǎng)板整體強(qiáng)度下降、抗風(fēng)能力減弱，此時(shí)的網(wǎng)板穩(wěn)定性較差。

2.2風(fēng)速影響

風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)速-風(fēng)壓關(guān)系，風(fēng)的動(dòng)壓為［8］

式中：ω為風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)速，m/s；γ/2g值在青海雅丹地貌區(qū)取1/2 600。

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

表2　不同風(fēng)速下網(wǎng)板應(yīng)力及位移變化

圖4　不同風(fēng)速下網(wǎng)板的力學(xué)特性

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

2.3網(wǎng)板極限寬度確定

支護(hù)結(jié)構(gòu)成本占防風(fēng)沙工程造價(jià)的比例很大，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，網(wǎng)板寬度越寬，需要的支護(hù)結(jié)構(gòu)越少，工程造價(jià)越低。因此，對網(wǎng)板寬度的極限寬度設(shè)計(jì)十分必要。在相同風(fēng)速（35m/s）和網(wǎng)板孔隙率（0.3）、不同網(wǎng)板寬度（3，4，5，6m）情況下，隨著網(wǎng)板寬度的增加，網(wǎng)板中部最大位移也在變大。當(dāng)網(wǎng)板寬度達(dá)到6m時(shí)，最大應(yīng)力未超過許用應(yīng)力，最大位移亦未超過最大撓度允許值。不同網(wǎng)板寬度對網(wǎng)板應(yīng)力、位移影響如表3所示。防風(fēng)抑塵網(wǎng)板的制作長度不能超過6m。如果超過6m會給工程中運(yùn)輸和施工造成許多不便。因此，網(wǎng)板極限寬度為6m。

表3　不同網(wǎng)板寬度對網(wǎng)板應(yīng)力、位移影響

3　支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

設(shè)計(jì)了3種防風(fēng)沙網(wǎng)板支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于沙漠鐵路風(fēng)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(fēng)載荷轉(zhuǎn)化為均布力分別施加在各梁上?？紤]到防風(fēng)網(wǎng)是關(guān)于主立柱對稱安裝，故主立柱只受風(fēng)荷載的作用，不考慮對立柱的扭矩。3種支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，主、副立柱底部間距為800mm，結(jié)構(gòu)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(yù)制，結(jié)構(gòu)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(yù)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(yù)制，結(jié)構(gòu)整體高度為1.6m。

圖5　3種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式示意

3.1風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化

風(fēng)荷載作用于防風(fēng)網(wǎng)板是一個(gè)長期、往復(fù)的過程，不僅造成防風(fēng)沙網(wǎng)片的破壞，而且還會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的疲勞變形。本文采用蝶形的防風(fēng)沙網(wǎng)板，風(fēng)荷載作用于網(wǎng)板時(shí)，確定網(wǎng)板的受力狀態(tài)十分困難。本文根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)定來確定網(wǎng)板所受風(fēng)荷載，假設(shè)風(fēng)荷載均勻分布于整個(gè)防風(fēng)網(wǎng)板的未開孔部分，首先依據(jù)相關(guān)規(guī)定計(jì)算出對應(yīng)風(fēng)荷載，然后乘以分項(xiàng)系數(shù)和防風(fēng)沙網(wǎng)板的迎風(fēng)面積［9］。即

式中：wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βgz為高度z處振風(fēng)系數(shù)，當(dāng)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，高度1.5 m處βgz= 1.88［10］；μs1為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，可取0.78；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，沙漠地區(qū)高度1.6 m處μz=1.09；w0為基本風(fēng)壓值，青海當(dāng)?shù)豾0可取0.45 kN/m2。

經(jīng)計(jì)算得：高度1.6 m處wk=0.719 269 2 kN/m2。由于不同開孔率網(wǎng)板的面積不同，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載也不同，這里取孔隙率為0時(shí)的極限狀態(tài)，此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載P1最大，具有代表性。防風(fēng)網(wǎng)板的長度為6 m，開孔率為0時(shí)，P1=4.32 kN/m。

3.23種支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度位移變化

3種支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移均在主風(fēng)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(fēng)桁架在可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的撓度允許值2L/1 000=12 mm［9］。因此，3種支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度均滿足要求。

支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在立柱支撐底部，鋼管斜支撐鋼架最大應(yīng)力16.124 MPa；鋼管立柱加斜拉地錨最大應(yīng)力17.824 MPa；棱柱鋼筋混凝土立柱加斜拉地錨最大應(yīng)力23.532 MPa。三者均小于鋼管的許用應(yīng)力163 MPa，防風(fēng)網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

3.33種支護(hù)結(jié)構(gòu)比選

需要根據(jù)各種支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、經(jīng)濟(jì)成本等因素進(jìn)行綜合比較。在荷載條件相同的情況下，對3種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式防風(fēng)沙網(wǎng)板進(jìn)行比較，見表4。

表4　3種支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)、方便的防風(fēng)沙網(wǎng)板支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，值得在工程應(yīng)用中加以推薦。斜拉地錨的斜拉角度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的性價(jià)比非常重要，斜拉角度越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，但是斜拉鋼絞線隨之加長，工程造價(jià)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(hù)結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，斜拉鋼絞線隨之減短，經(jīng)濟(jì)成本隨之減少。通過對不同角度的模擬發(fā)現(xiàn)60°時(shí)為極限狀態(tài)，既能滿足穩(wěn)定性要求又節(jié)約成本。

4　結(jié)語

1）網(wǎng)板的應(yīng)力、位移不隨著孔隙率的增大而持續(xù)增大。孔隙率由0增大到0.4時(shí)，網(wǎng)板位移達(dá)到第1次極大值；孔隙率從0.4增大到0.6時(shí)，網(wǎng)板最大位移又開始減小，在0.6時(shí)達(dá)到極小值；之后最大位移再次增大，孔隙率為0.8時(shí)達(dá)到最大值。

2）風(fēng)速與網(wǎng)板的應(yīng)力變形關(guān)系為一次曲線，隨著風(fēng)速的增大而增大。網(wǎng)板極限寬度為6 m。

3）3種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)度都滿足要求，棱柱鋼筋混凝土立柱加斜拉地錨結(jié)構(gòu)中斜拉地錨與地面夾角為60°時(shí)，在滿足安全使用前提下往往比其他2種結(jié)構(gòu)形式在經(jīng)濟(jì)成本上更節(jié)約，值得在青海雅丹地貌區(qū)鐵路風(fēng)沙防治工程中加以推薦。

［1］陳廷國，馬高峰.防風(fēng)抑塵網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的比選和優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.港工技術(shù)，2012，49（4）：27-30.

［2］宋翀芳，彭林，白慧玲，等.露天堆場防風(fēng)抑塵網(wǎng)后湍流結(jié)構(gòu)及抑塵效率的數(shù)值模擬［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2014，7（34）：1690-1695.

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

［4］潘武軒，宋翀芳，何鴻展.露天堆場防風(fēng)抑塵網(wǎng)遮蔽效果的數(shù)值模擬［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9（9）：4440-4446.

［5］陳光輝，白學(xué)花，李建隆.導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)的力學(xué)特性分析［J］.化工學(xué)報(bào)，2015，66（9）：3685-3691.

［6］段振亞，黃文博，傅進(jìn).防風(fēng)網(wǎng)支撐鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)特性分析［J］.石油化工設(shè)備，2013，42（4）：27-30.

［7］孫熙平.防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)與疲勞特性研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［8］閆俊月，周磊，周長吉，等.塑料大棚設(shè)計(jì)中基本風(fēng)壓取值方法［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（12）：171-176.

［9］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［10］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

（責(zé)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（15275420）

張立群（1972—），男，教授，碩士。