朱海霞 宁波镇海港埠有限公司

1.工程概况

某综合性港口在地区货物运输中发挥着重要的作用｡其港口共计包含的港区数量为5个，占地面积能够达到30km2以上，泊位的数量达到了70多个，包括1个20万吨级的泊位和2个30万吨级的泊位在其中，专业码头的数量达到了10多个，主要用于煤炭、汽车、矿石和集装箱运输等｡境内的河流数量比较多，气候以暖温带大陆性季风气候为主｡东北向是港口强风向，发生的频率大约在12%左右，常向风以南向为主，发生的频率大约在19%左右，6级以上风力出现的频率大约为11%，7级以上风力的发生频率大约为4%｡

2.自然条件

2.1 风力、风速关系转换

在转换风力、风速关系过程中，具体情况详见表1｡

表1 风力与风速的换算关系

2.2 总结港口自然情况

（1）风向以西南风、北风和南风为主，而强风则以东北向为主｡

（2）风速设置为5-14m/s｡

（3）占地面积能够达到10 万m2，长度设置为500m，宽度设置为200m｡

（4）散料堆的高度要保持在6m左右｡

（5）散料堆的角度范围设置在40-45°之间｡

（6）对于堆料场的基础尺寸来说，宽度要保持在40m以内，长度要保持在140m以内，散堆料顶面的宽度要保持在10m以上｡

3.设计防风网

3.1 布置设计防风网

以港口码头散货的具体情况进行分析，可以在一定程度上适当的参考其他类型的港口工程中防风网的设计内容，散货港口防风网的设计方案为：

（1）防风网的主要结构类型为“口”字形｡

（2）防风网的周长设置为1400m，短边的长度设置为200m，长边的长度设置为500m｡

（3）防风网的高度设置为15m｡

（4）顺着年度主风向来完成防风网距离的设置，取值为30m｡

（5）防风板的主要材质为金属蝶形｡

整体而言，防风板的设计方案可以概况为：选择使用蝶形金属板加工制作而成，防风板的框架使用H型钢制作而成，防风板的基础使用混凝土进行浇筑，框架底座与混凝土底座之间需要进行连接加固，每一个防风板需要使用螺栓进行固定处理｡防风网应该设计按照“口”型进行布设，简单而言就是需要进行四面布网｡框架结构设计为直立式钢结构框架，使用H型钢作为框架的支撑，型钢的安装间距设置为6m，不同跨间使用螺栓进行连接；结合防风网的材质作进一步的分析，该项目中使用的防风板为镀铝锌版，板体的厚度为1.5mm，防风板的结构尺寸设计为5690mm×600mm；防风板的高度设计为3m｡

3.2 确定防风网框架结构

防风网的整体结构主要包括三个部分的内容，分别是防风板、支撑框架结构和地下基础｡混凝土结构是地下基础的主要类型，钢材是支撑框架的主要材质｡最为普遍的框架结构类型为钢盘砼结构、棚架式结构和直立式钢架结构，每一种结构都拥有着属于自己与众不同的优势和劣势，在经常综合分析以后发现，直立式钢架结构的优势最为突出，外观简洁整齐、施工便利，最终选择使用直立式钢架结构来当做防风网的结构[1]｡

H型钢是直立式钢架的主要钢材，使用螺栓将防风板与工字钢框架结构连接在一起，使用混凝土直接浇筑的方式完成与底座的浇筑施工｡选择使用的H型钢截面高度设置为15m，螺栓放置在H型钢立柱上，使螺钉孔的排列方式得到最大程度的满足｡具体情况详见图1｡

图1 H型钢螺栓孔位置图（单位：mm）

3.3 设计防风网网板

结合防风网网板的材质和结构形式，最终决定使用蝶形结构防风板，防风板的主要材质为镀铝锌板｡关于防风网开孔率计算表达式，如下所示：

防风网的面积为：S=(0.083×2+0.080)×(5.960-0.084×2)=1.4m2；

不涵盖防风板开孔面积情况下，防风网的面积为：S剩=0.87-(0.083×4+0.08×2) ×0.084=0.83m2；

在计算防风网网板的开孔率时，开孔率=(1.4-0.83)/1.4=40.7%｡

4.分析防风网框FEA风载荷

4.1 Flow Simulation流动模拟分析结果导入Simulation

对运行情况进行全面的分析以后，在确定蝶形板表面风速产生的作用力时，使用的主要方法为查看表面目标法｡具体情况详见图2｡综合分析流线图以后发现，蝶形防风网中经过15m/s的风速时，图像中最大面积区域为黄色区域，该区域内的流动速度控制在1m/s-4m/s间，可以轻易地发现风速流线波动相对比较大｡

图2 蝶形板流速流线图示

4.2 添加材料属性、载荷信息、约束条件

添加材料属性｡通过对3D模型添加材料属性的分析，使FEA分析取得最佳的效果，防风网3D模型包含的零件分别为连接螺栓与螺母、H型钢以及蝶形防风板，添加材料的具体属性详见表2｡

表2 材料属性统计表

（2）载荷信息｡使用Soli dworks Flow Simulation（三维软件模拟）的分析结果来完成Solidworks Simulation载荷信息的导入｡

（3）添加固定约束｡使用螺栓连接的方式来处理基座与框架结构，将完全固定约束添加到防风网3D模型的H型钢地面位置｡

（4）生成网格｡添加好所有属性以后，点击“生成网格”，防风网3D模型在Solidworks Simulation模块的作用下合理划分网格｡

4.3 分析结果总结

具体的模拟分析条件如下:

（1）长度设置为6m，固定时使用H型钢，该项目中使用的防风板大部分设计为单列形式，使用螺栓与H型钢进行连接加固，风速设置为15m/s，达到8级风的标准｡

（2）长度设置为6m，固定时使用H型钢，防风板以双列蝶形为主，使用螺栓将H型钢框架与蝶形板连接起来，风速设置为15m/s，达到8级风的标准｡

基于以上研究分析，当防风板相互之间安装螺栓进行加固以后，可以轻易的发现，防风板的变形量明显得到了缓解，同时防风板的应力也明显降低｡

经过大量研究发现，在最大自然风的作用下，防风网的最大应力值保持在60MPa以内，比蝶形材料的屈服极限要小很多，结构设计满足相关的标准[2]｡进一步来看，防风板在极限风速环境下，防风板的变形量控制在0.005m以内，该数据保持在材料合理变形范围以内｡

5.分析防风网抑制扬尘效果

5.1 现场实测方法

与模拟研究法、实验研究法进行比较，现场实测法将人为因素造成的干扰降到了最低，其测量结果也更加的准确｡在现场试验时，必然会出现诸多的不确定性影响因素，促使实际测量结果能够对防风板的性能进行了更加直观的评价｡在开展现场实测时，经常会受到降水、天气、风速和道路扬尘等复杂变化情况的影响，这就使得现场实测的难度系数逐年升高｡使用现场实测的主要目的就是对防风网抑制扬尘的效果进行定性检验，使其实现对扬尘的高效抑制｡

5.2 仿真模拟

（1）3D模型｡在创建3D模型时，包含的主要内容有料堆模型、H型钢模型和蝶形网板模型等，可以有效的实现对港口码头散货场地整体布设，同时将具体的场景展现出来｡3D模型的功能为对防风板的扬尘治理效果进行分析，在创建模型过程中，可以将H型钢忽略掉，相较之实际尺寸，小了50倍左右，需要对防风网结构尺寸和堆垛结构尺寸进行科学合理的设置｡

（2）结果分析｡对防风板不同截面读取防风网流场情况进行分析，在使用防风网以后，转变了风流动方向，改变风力自身的动能，风速从最初的15m/s降低到了3m/s，风速出现明显的降低｡风从防风网经过以后，整个堆垛区的流速保持在5m/s以内，实际风速与扬尘风速之差的高次方和散料静态扬尘量以正比的形式存在，通过降低风速使扬尘得到高效的抑制｡风从防风网中经过以后，风的流线被改变，损耗了大量的流场动能，致使风的携带能力降低，从而达到抑制扬尘的目的｡

6.结语

在对港口散货码头防风网工程进行真实模拟以后，实现了对防风网结构性能和设计方案的综合分析，具体情况为：

（1）以其他防风网设计资料为依据，对其成功的经验进行借鉴和学习，实现了对防风网基本结构的合理确认｡防风网的框架结构为H型钢和蝶形金属板，使用混凝土浇筑的方式处理基地，使用螺栓将混凝土底座与框架底座连接在一起，在H型钢与螺栓连接位置上设置防风板，使用螺栓将所有的防风板固定好｡防风网的主要布置形式为“口”型，也就是采取四面布网的方式｡

（2）在设置防风网整体结构时，高度设置为15m，宽度设置为200m，长度设置为500m，蝶形金属板的开孔率设置为41%｡

（3）在设计防风网时，使用Solidworks软件完成防风网结构3D模型的有效构建，模型中包含的主要内容为整体布局模型、整体结构模型、H型钢模型和防风网蝶形板模型，使得不同的模型需求得到最大程度的满足｡

（4）模拟分析蝶形板的开孔率和结构类型｡对防风板的强度进行有限元分析，使用先进的分析软件将其与流体研究模型融合在一起，在Solidworks软件的FEA分析模块中直接导入Solidworks软件的流体模块的分析结果，使风载给蝶形板造成的影响得到高效的分析｡通过对分析结论的综合分析以后，发现防风网在15m/s的条件下，防风板受到的最大应力值应该控制在60MPa以内，相较之蝶形板的屈服极限值206.8MPa小很多｡在60m长的防风板中间位置会集中出现蝶形板变形量，最大值保持在5mm以内，使蝶形板的变形要求得到最大程度的满足｡

（5）在分析防风网抑制扬尘效果时，使用的主要模拟模型为3D模拟研究模型，通过模拟试验以后发现，当风流从防风板表面经过以后，防风板自身会发生显著的变化，风能会损失一定的动能｡风从防风网经过以后，在没有任何阻挡的情况下，风速从15m/s降低到了3m/s，风速降低以后，扬尘得到了高效的抑制｡所以，要采取积极的措施来设计物料堆放模式和防风网，使散货码头堆料的扬尘问题被控制到最低｡