高密度聚乙烯(HDPE)近海養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架抗彎剛度分析

魏盛軍

(福建省水產(chǎn)研究所福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013)

網(wǎng)箱養(yǎng)殖是中國海水養(yǎng)殖的重要方式之一[1-3]。傳統(tǒng)木質(zhì)海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱[4](以下簡稱木質(zhì)網(wǎng)箱)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，福建沿海傳統(tǒng)網(wǎng)箱數(shù)量還有近50萬口[5]。但傳統(tǒng)海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱抗風(fēng)浪性能弱，易斷裂破碎，只適用于內(nèi)灣養(yǎng)殖[6-8]，無法適應(yīng)風(fēng)大、浪高、流急且無屏障保護的灣外海域；傳統(tǒng)海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱用的浮體為多為聚苯乙烯泡沫(EPS)，抗老化性能差，在海洋的高溫、高濕、高輻射的環(huán)境下，短時間內(nèi)就出現(xiàn)老化破碎[9-10]，碎?；呐菽纬纱罅康暮Ｆ拔⑺芰?，給環(huán)境造成極大的影響[11-13]。此外，港灣內(nèi)長期無序無度養(yǎng)殖，導(dǎo)致的水體、底質(zhì)污染嚴(yán)重[14-16]，影響海水養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展，發(fā)展灣外養(yǎng)殖成為海水養(yǎng)殖業(yè)的新熱點[17-19]。

高密度聚乙烯(HDPE)海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱(簡稱HDPE網(wǎng)箱)相比于傳統(tǒng)海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱，具有柔韌性好[20]，抗風(fēng)浪性能優(yōu)、環(huán)保性好，易于回收利用、不易老化后微?；?，以及耐腐蝕、耐鹽等特性，成為新一代海上養(yǎng)殖設(shè)施的最佳選擇之一[21-22]。自2010年從韓國引進后，在國內(nèi)多地開展HDPE網(wǎng)箱生產(chǎn)應(yīng)用，中央和各地各級漁業(yè)主管部門也出臺相關(guān)政策大力推廣HDPE網(wǎng)箱[23-25]。然而目前HDPE網(wǎng)箱并沒有得到廣泛認(rèn)可，沒能實現(xiàn)替代傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)箱，實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，直到2018年12月福建省寧德市開展將全市傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)箱升級為HDPE近海養(yǎng)殖網(wǎng)箱。HDPE網(wǎng)箱剛性不足，柔彈性有余，抗流性能弱，易發(fā)生整體變形。一旦風(fēng)浪稍大，人走在海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱上，上下起伏幅度大，缺乏平穩(wěn)性，左右搖晃，缺乏安全感，而養(yǎng)殖戶習(xí)慣了穩(wěn)定性好的木質(zhì)網(wǎng)箱，難以適應(yīng)。

針對HDPE網(wǎng)箱剛度不足的問題，本研究對HDPE網(wǎng)箱框架進行分析，研究HDPE網(wǎng)箱框架抗彎剛度，并與傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)箱進行比較，尋找HDPE網(wǎng)箱剛性不足的問題所在，為研發(fā)新型高剛度的HDPE網(wǎng)箱提供新的視角。

1 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱選擇

HDPE網(wǎng)箱根據(jù)框架結(jié)構(gòu)特點可分為兩種類型：管式HDPE網(wǎng)箱(簡稱管式網(wǎng)箱)(圖1a)和板式HDPE網(wǎng)箱(簡稱板式網(wǎng)箱)(圖1b)[26]。管式網(wǎng)箱框架邊由兩條HDPE管構(gòu)成，橫向與縱向的HDPE管在交匯的節(jié)點通過專用“#”連接件連接，相連節(jié)點之間兩根管互相獨立，框架邊下方捆綁浮球為網(wǎng)箱提供浮力，框架上方捆綁踏板作為人員行走走道[27]；板式網(wǎng)箱由橫縱搭接框架板構(gòu)成網(wǎng)箱的框架，因框架板為板狀結(jié)構(gòu)，自身即可作為人員行走走道，無需另外加裝踏板，框架下方捆綁浮球為網(wǎng)箱提供浮力[28]。

圖1 HDPE網(wǎng)箱

管式網(wǎng)箱框架邊參數(shù)：HDPE管外徑φ125 mm，壁厚11.4 mm，兩根管中心距375 mm。設(shè)兩根管軸心連線(與海平面平行)為X軸，Y軸垂直X軸方向(垂直海平面)且過兩根管軸心連線中點，則該截面是對稱圖形，其形心位置位于橫向與縱向?qū)ΨQ軸的交點O，其框架邊截面圖見圖2。

圖2 管式網(wǎng)箱框架邊截面

板式網(wǎng)箱框架邊參數(shù)：框架板寬度400 mm，厚度75 mm，壁厚10 mm，內(nèi)有6條豎直加強筋，厚度10 mm。設(shè)框架板厚度方向中心線為X軸(平行海平面)，Y軸垂直X軸(垂直海平面)且過寬度方向中線，則該截面為對稱圖形，形心即為其幾何中心O，其框架邊截面圖見圖3。

圖3 板式網(wǎng)箱框架邊截面

為探索HDPE網(wǎng)箱框架邊結(jié)構(gòu)對其抗彎剛度的影響，還設(shè)計一種帶加強筋的HDPE管作為管式網(wǎng)箱框架邊的主管，即在現(xiàn)有管內(nèi)增加“Y”字型加強筋，3條加強筋均勻分布，加強筋厚度10 mm。設(shè)兩根管軸心連線(平行海平面)為X軸，Y軸垂直X軸方向(垂直海平面)且過兩根管軸心連線中點，則該截面屬于對稱圖形，其形心在其幾何中心位置O，稱為“管式加強型HDPE網(wǎng)箱(簡稱：加強型網(wǎng)箱)”，其框架邊截面圖見圖4。

圖4 管式加強型網(wǎng)箱框架邊截面

木質(zhì)網(wǎng)箱取較為典型規(guī)格為研究對象，木質(zhì)網(wǎng)箱框架板的參數(shù)為寬度300 mm，厚度80 mm，設(shè)厚度方向中心線為X軸(平行海平面)，Y軸垂直X軸(垂直海平面)且過寬度方向中心線，則該截面為矩形，形心即為其幾何中心點O，其框架邊截面圖見圖5，框架邊所用木材為優(yōu)質(zhì)鐵杉木。

圖5 木質(zhì)網(wǎng)箱框架邊截面

2 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱抗彎剛度分析

2.1 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架剛度的求解方法

結(jié)構(gòu)的抗彎剛度指物體抵抗其彎曲形狀變化的能力，可以通過分析其截面的彎曲剛度來確定，它體現(xiàn)了截面抵抗彎曲變形的能力。材料力學(xué)中，截面彎曲剛度求解公式[29]是：

K=EI

(1)

式中：K表示截面的彎曲剛度(N·m2)；E是材料的彈性模量(MPa)，對于一種彈性均質(zhì)材料而言，是個固定值；I是結(jié)構(gòu)截面慣性矩(m4)，主要與截面的幾何形狀與邊界條件有關(guān)。

同一種材料，不同結(jié)構(gòu)截面的彎曲剛度與截面的幾何形狀有關(guān)；而同樣的截面，其截面的彎曲剛度與材料有關(guān)。對于HDPE網(wǎng)箱而言，其框架結(jié)構(gòu)的材質(zhì)都是HDPE材料，因此不同類型HDPE網(wǎng)箱框架的抗彎剛度主要由截面的幾何形狀決定。HDPE網(wǎng)箱與木質(zhì)網(wǎng)箱框架結(jié)構(gòu)的抗彎剛度則與材料和截面的幾何形狀都有關(guān)系。

本研究對象為HDPE網(wǎng)箱和木質(zhì)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，前者HDPE的彈性模量與鐵杉木木材的彈性模量均為已知，通過查詢相關(guān)資料可知，PE100級高密度聚乙烯(HDPE)的彈性模量在840～950 MPa之間，本研究取EHDPE=900 MPa。鐵杉木縱紋的彈性模量在9 800～12 000 MPa之間[30]，本文取EW=1 100 MPa。只需計算出樣本截面的截面慣性矩I，即可通過公式(1)求得對應(yīng)截面的彎曲剛度。

2.2 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架截面慣性矩與抗彎剛度

根據(jù)4種海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架截面參數(shù)，已知每個樣本截面的幾何形狀以及尺寸，并用CAD軟件計算[31]每個樣本截面對其形心O點處X軸和Y軸的慣性矩IX和IY，將其與對應(yīng)材料的彈性模量代入公式(1)，可求得各截面對其形心O點處X軸和Y軸的抗彎剛度KX和KY，詳見表1。

表1 4種海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架截面在X軸和Y軸的慣性矩及抗彎剛度

3 各類型海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架抗彎剛度結(jié)果討論

3.1 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架截面慣性矩

從表1可以看出，4種海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架結(jié)構(gòu)截面在X軸和Y軸慣性矩從大到小排序一致，均是：加強型網(wǎng)箱>管式網(wǎng)箱>木質(zhì)網(wǎng)箱>板式網(wǎng)箱。即加強型網(wǎng)箱在X軸和Y軸慣性矩最佳，管式網(wǎng)箱次之，木質(zhì)網(wǎng)箱第三，板式網(wǎng)箱最小。在X軸上，管式網(wǎng)箱是板式網(wǎng)箱的1.38倍；管式網(wǎng)箱與木質(zhì)網(wǎng)箱框架橫網(wǎng)箱接近；加強型網(wǎng)箱與管式網(wǎng)箱相比，主管內(nèi)加入加強筋后，對X軸的慣性矩提高了9.77%。在Y軸上，管式網(wǎng)箱是板式網(wǎng)箱的1.71倍；板式網(wǎng)箱與木質(zhì)網(wǎng)箱框架橫網(wǎng)箱接近，加強型網(wǎng)箱與管式網(wǎng)箱相比，主管內(nèi)加入加強筋后，對Y軸的慣性矩提高了35.45%。

從海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架結(jié)構(gòu)角度可以得出，同類型的兩種HDPE網(wǎng)箱相比較，管式結(jié)構(gòu)優(yōu)于板式結(jié)構(gòu)，因為管式網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)于板式網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，管式結(jié)構(gòu)各向力學(xué)性能一致性好，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。此外，管式網(wǎng)箱增加加強筋具有提升其各項慣性矩的作用，有利于改善網(wǎng)箱的抗彎剛度。

對于同一種海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱，其框架結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱在Y軸的慣性矩遠(yuǎn)高于X軸，高出一個數(shù)量級。顯然，4種海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架結(jié)構(gòu)在Y軸方向抗彎性能更好，X軸方向較弱，這與海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱實際表現(xiàn)相符。實際生產(chǎn)應(yīng)用中，很少見到海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架結(jié)構(gòu)繞Y軸發(fā)生扭曲變形(HDPE網(wǎng)箱除外，特別是系錨繩處有發(fā)生變形，偶爾有損壞的，主要是受材料性能影響，見下文分析)，變形損壞都是發(fā)生在繞X軸方向。用通俗的話講就是海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架結(jié)構(gòu)沿X軸方向更“厚”，抗彎能力強，沿Y軸方向相對“薄”，抗彎能力弱。

3.2 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架網(wǎng)箱抗彎剛度討論

分析表1，不難看出4種海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱在X軸和Y軸抗彎剛度從大到小排序一致，均是：木質(zhì)網(wǎng)箱>加強型網(wǎng)箱>管式網(wǎng)箱>板式網(wǎng)箱。且木質(zhì)網(wǎng)箱遠(yuǎn)高于其他3種，X軸方向上，管式網(wǎng)箱是其8.5%，板式網(wǎng)箱是其6.16%，加強筋型網(wǎng)箱是其9.33%，均不足木質(zhì)網(wǎng)箱的10%。管式網(wǎng)箱高于板式網(wǎng)箱，是板式網(wǎng)箱的1.38倍，加強型網(wǎng)箱與管式網(wǎng)箱相比較，提高了9.8%。Y軸方向上，管式網(wǎng)箱是木質(zhì)網(wǎng)箱的13.59%，板式網(wǎng)箱是木質(zhì)網(wǎng)箱7.95%，加強型網(wǎng)箱是木質(zhì)網(wǎng)箱18.41%，均不足木質(zhì)網(wǎng)箱的20%。管式網(wǎng)箱是板式網(wǎng)箱的1.71倍；加強型網(wǎng)箱是管式網(wǎng)箱的1.35倍；

從網(wǎng)箱的慣性矩角度看，管式結(jié)構(gòu)比板式結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。但實際抗彎剛度而言，兩種管式結(jié)構(gòu)的無論X軸還是Y軸的抗彎剛度都遠(yuǎn)遜色于木質(zhì)網(wǎng)箱。這種現(xiàn)象主要因素在于HDPE與鐵杉木彈性模量差異，PE100級HDPE彈性模量只有鐵杉木的8.18%，雖然管式網(wǎng)箱框架邊各軸慣性矩高于木質(zhì)網(wǎng)箱，但即便是Y軸的實際抗彎剛度也不足木質(zhì)網(wǎng)箱的20%。

對HDPE網(wǎng)箱而言，上述問題在實際中的表現(xiàn)為管式網(wǎng)箱抗變形能力優(yōu)于板式網(wǎng)箱，發(fā)生扭曲、翻卷破壞的多見于板式網(wǎng)箱。對比HDPE網(wǎng)箱與木質(zhì)網(wǎng)箱，人員行走在HDPE網(wǎng)箱框架上，海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱上下起伏大，平穩(wěn)性弱，不利于生產(chǎn)作業(yè)；漲落潮或極端天氣引發(fā)急流下，網(wǎng)箱框架易變性，影響安全生產(chǎn)。而木質(zhì)網(wǎng)箱抗彎剛度良好，行走在木質(zhì)網(wǎng)箱上，平穩(wěn)性高，安全感好，急流下網(wǎng)箱不易變形，穩(wěn)定性好。目前部分用戶通過沿HDPE網(wǎng)箱框架兩側(cè)捆綁竹竿或木棒的方式對其進行加固，一定程度上提高其整體剛性。

3.3 影響海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架網(wǎng)箱抗彎剛度的其他因素

上文分析了HDPE網(wǎng)箱與木質(zhì)網(wǎng)箱框架邊的結(jié)構(gòu)和材料對網(wǎng)箱剛度的影響。實際生產(chǎn)上，完整HDPE網(wǎng)箱還包括浮球、網(wǎng)衣或掛養(yǎng)殖籠的竹竿(木梁)、錨泊等組成，是個復(fù)雜的組合體，這些附屬物對網(wǎng)箱整體剛度也有重要的影響。

無論HDPE網(wǎng)箱還是木質(zhì)網(wǎng)箱，都需要在其框架邊下方捆綁一定數(shù)量的浮球提供浮力，方可在海上開展養(yǎng)殖生產(chǎn)。作為網(wǎng)箱的一部分，浮球?qū)W(wǎng)箱框架的剛度有較大的影響。首先，從局部上看，無論何種網(wǎng)箱，對框架邊中捆綁了浮球的部分而言，該部分框架邊與浮球構(gòu)成了組合結(jié)構(gòu)，相較于單獨的框架邊其結(jié)構(gòu)性能有極大提升。例如 以圖2管式網(wǎng)箱框架網(wǎng)箱為例，若在其下方放置一個專用浮球，浮球?qū)挾?50 mm，高度540 mm，長度為980 mm；浮球兩肩部與兩根管緊密貼合，浮球與管用繩索捆扎緊固。在有浮球的局部位置，浮球與海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架邊組合體截面如圖6，計算該網(wǎng)箱對X軸和Y軸的慣性矩I組X和I組Y分取整后別是：I組X=1.22×10-2m4、I組Y=1.26×10-2m4。相較于沒有浮球的情況，其X軸方向慣性矩提高了約917倍，Y軸方向提高了約42倍，且X軸與Y軸方向慣性非常接近，更為均衡。

圖6 帶浮球的管式網(wǎng)箱框架邊截面

其次，從整體上看，網(wǎng)箱根據(jù)生產(chǎn)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。顯然跨距小能夠更好地提高網(wǎng)箱的剛性，但這要增加浮球的數(shù)量，造成網(wǎng)箱建設(shè)成本增加。另外，即便在框架邊下方無間距的密布浮球，對網(wǎng)箱的剛性提升也是有局限性。因為，浮球是獨立的個體，其對框架邊剛性增強效果類似于“鐵鏈”。對與框架邊來說，浮球?qū)蚣苓厔傂栽鰪姺秶邢?，只局限與浮球所在范圍，浮球與浮球之間缺乏連續(xù)性，如同鐵鏈，每個鏈環(huán)剛性好，但鏈環(huán)與鏈環(huán)之間缺乏剛度的連續(xù)性，實際的表現(xiàn)是HDPE網(wǎng)箱框架在風(fēng)浪流作用下，抵抗上凸變形能力提升較大，但抵抗下凹變形能力依舊不足。生產(chǎn)應(yīng)用中HDPE網(wǎng)箱和木質(zhì)網(wǎng)箱浮球的布置方式是一致的，因此，浮球布置對網(wǎng)箱整體剛度起到提升作用，但不是導(dǎo)致HDPE網(wǎng)箱與木質(zhì)網(wǎng)箱剛性差距大的原因。

HDPE網(wǎng)箱框架針對不同的養(yǎng)殖對象配置不同的養(yǎng)殖附件，當(dāng)掛上網(wǎng)衣則可以用于養(yǎng)殖魚類，若等間隔布置竹竿(木梁)并吊掛養(yǎng)殖籠，用于養(yǎng)殖鮑、海參、牡蠣等。網(wǎng)衣及附著的污損生物在水中有一定的重量，相當(dāng)于沿海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架掛上等重量的懸墜，提高海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱整體的質(zhì)量，對海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的整體穩(wěn)定性有一定的提升作用，但對海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的剛度沒有顯著影響。此外，網(wǎng)衣在海流作用下會對海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱產(chǎn)生巨大的拉力，反而會加重海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的變形。在每口HDPE網(wǎng)箱上等間距布置竹竿(木梁)[32]，可以很好地提高HDPE網(wǎng)箱在竹竿(木梁)軸向的剛度。一是由于竹竿(木梁)具有更好的剛度，從整體上看，等價于復(fù)合上剛性更好的材料，達到提升剛性的作用；二是密布的竹竿(木梁)成為海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱框架的一部分，提升了結(jié)構(gòu)的性能，也可提升海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的剛性。

4 結(jié)論

對于HDPE網(wǎng)箱與木質(zhì)網(wǎng)箱，受材料性能限制，HDPE網(wǎng)箱剛性弱于木質(zhì)網(wǎng)箱。雖然HDPE網(wǎng)箱存在剛性不足，耐流性能弱，但整體性能優(yōu)于木質(zhì)網(wǎng)箱，特別是環(huán)保、抗風(fēng)浪方面更具優(yōu)勢，是替代傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)箱的選擇之一。建設(shè)HDPE網(wǎng)箱也必須解決其剛性不足的問題，提升安全性與可靠性?？梢圆捎靡韵聨追N方式提升HDPE網(wǎng)箱剛性，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，提升整體剛性；對HDPE材料進行改性，提升材料性能滿足剛性需求；采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有網(wǎng)箱框架基礎(chǔ)上，通過捆綁、內(nèi)嵌等方式增加木梁、竹竿等剛性好的環(huán)保性材料，提升網(wǎng)箱整體剛性。對于兩種不同的HDPE網(wǎng)箱，管式網(wǎng)箱的抗變形能力優(yōu)于板式網(wǎng)箱，更適合于布置在水文環(huán)境惡劣的海域養(yǎng)殖。

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