唐中祺，劉麗霞，王瑞東，呂劍，馮致，頡建明，郁繼華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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兩種日光溫室鋼骨架結(jié)構(gòu)安全性能分析

唐中祺，劉麗霞，王瑞東，呂劍，馮致，頡建明，郁繼華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

【目的】 對(duì)兩種傳統(tǒng)日光溫室骨架結(jié)構(gòu)(鋼拱架結(jié)構(gòu)和鋼桁架結(jié)構(gòu)骨架)的安全性進(jìn)行力學(xué)分析.【方法】 以甘肅省酒泉市的氣象條件為例，利用建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算理論及ANSYS計(jì)算軟件，兩種溫室骨架均采用Q235鋼，鋼拱架拱桿為壁厚3.25 mm的DN25鍍鋅鋼管；鋼桁架上弦桿為壁厚3.25 mm的 DN25鍍鋅鋼管，下弦桿為φ12圓鋼，腹桿為φ10圓鋼；溫室結(jié)構(gòu)跨度8 m，脊高4 m，骨架間距1.0 m；前屋面形式為二折式，即前半部分為弧長(zhǎng)約為5 m的拱形結(jié)構(gòu)，后半部分為長(zhǎng)度約為3 m的直桿，采光前屋面角66°，直桿與水平面夾角15°，后屋面仰角45°.【結(jié)果】 在荷載作用的兩種工況下(工況1：恒載+使用活荷載+屋面集中活荷載+雪載；工況2：恒載+使用活荷載+屋面集中活荷載+風(fēng)載)，鋼拱架結(jié)構(gòu)應(yīng)力薄弱部位的實(shí)際最大應(yīng)力均超過了材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力值215 MPa，骨架多處部位受力不安全，故該鋼拱架存在安全隱患；鋼桁架結(jié)構(gòu)骨架所有截面處的應(yīng)力均小于材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力值，受力安全，該結(jié)構(gòu)安全可用.【結(jié)論】 鋼桁架結(jié)構(gòu)的日光溫室，適合大面積推廣應(yīng)用.

溫室骨架；ANSYS軟件；鋼拱架；鋼桁架；安全性能

日光溫室是由中國農(nóng)業(yè)科技工作者與農(nóng)民群眾共同創(chuàng)造的、具有中國特色的農(nóng)業(yè)設(shè)施[1]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、投入少，在中國北方地區(qū)的嚴(yán)寒季節(jié)不用其他加熱設(shè)施，僅依靠太陽能就能實(shí)現(xiàn)喜溫性、甚至耐熱性作物的生產(chǎn)[2]，是世界一大奇跡.目前，全國日光溫室已達(dá)到69.66萬hm2以上，其中甘肅省已發(fā)展5.34萬hm2，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[3].在我國溫室規(guī)模迅速發(fā)展的同時(shí)，關(guān)于日光溫室蔬菜栽培生理、栽培技術(shù)方面的研究較多，但對(duì)溫室結(jié)構(gòu)安全性方面的研究較少，使得很多已建或在建的溫室存在很多安全隱患.近年來多起由于大風(fēng)或大雪導(dǎo)致溫室結(jié)構(gòu)倒塌的工程事故，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失.2000年云南昆明和浙江杭州的雪災(zāi)對(duì)溫室結(jié)構(gòu)的破壞就造成3000多萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失，昆明花卉大棚的倒塌直接導(dǎo)致全國花卉價(jià)格上漲一倍，社會(huì)影響也很大[4].本研究以甘肅省酒泉市的氣象條件為例，利用建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算理論及ANSYS計(jì)算軟件，對(duì)兩種傳統(tǒng)日光溫室骨架結(jié)構(gòu)(鋼拱架結(jié)構(gòu)和鋼桁架結(jié)構(gòu)骨架)的安全性進(jìn)行了力學(xué)分析，以期對(duì)日光溫室骨架設(shè)計(jì)、桿件截面選擇及安全建造提供參考.

1 日光溫室結(jié)構(gòu)方案

1.1 骨架形式及溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

以甘肅省酒泉市典型的兩種溫室結(jié)構(gòu)形式——鋼拱桿和鋼桁架為研究對(duì)象，對(duì)其安全性進(jìn)行力學(xué)分析.溫室跨度L=8 m，脊高H=4 m，溫室骨架間距B=1.0 m，前屋面角66°.前屋面為二折式，即前半部分為弧長(zhǎng)約為5 m的拱形結(jié)構(gòu)，后半部分為長(zhǎng)度約為3 m的直桿.直桿與水平面夾角15°，后屋面仰角45°；后屋面下層鋪30 mm厚秸稈，中層80 mm厚土壤，外層抹10 mm厚草泥，其他參數(shù)取值如圖1、圖2所示.

圖1 鋼拱架骨架側(cè)視圖Fig.1 Side view of steel arch frame

圖2 鋼絎架骨架側(cè)視圖Fig.2 Side view of steel supporting

1.2 骨架材料及截面選擇

兩種溫室骨架均采用Q235鋼，骨架截面選擇如下：鋼拱架截面：拱桿為DN25鍍鋅鋼管，其外徑33.5 mm，壁厚3.25 mm；鋼桁架結(jié)構(gòu)是由上弦桿為DN25的鍍鋅鋼管，其外徑33.5 mm，壁厚3.25 mm，下弦桿為Φ12圓鋼，腹桿為Φ10圓鋼.

2 骨架荷載統(tǒng)計(jì)

2.1 恒載設(shè)計(jì)值

恒載設(shè)計(jì)值g=γG·gk[5]，其中γG=1.2；g由3部分組成，分別是溫室鋼骨架自質(zhì)量g1、后屋面土自質(zhì)量g2、保溫被自質(zhì)量g3；且g=g1+g2+g3.

2.2 使用活荷載設(shè)計(jì)值

使用活荷載指作物吊質(zhì)量，取qk′=15 kg/m2.使用活荷載設(shè)計(jì)值q1=γQ·qk，其中γQ=1.4，qk=qk′·B

2.3 雪荷載設(shè)計(jì)值

雪荷載設(shè)計(jì)值S=γQ·Sk，其中γQ=1.4，Sk=μr·S0·B，μr指屋面積雪分布系數(shù)，S0指當(dāng)?shù)鼗狙?，均可由建筑荷載規(guī)范查得.雪荷載根據(jù)骨架設(shè)計(jì)方案，沿骨架跨度方向包括3部分，分別是前拱桿處S1、前直桿處S2、后屋面處S3.

2.4 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值

風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值w=γQ·ωk，其中γQ=1.4，wk=βzμsμzω0B，βz指高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，μs指風(fēng)荷載體型系數(shù)，μz指風(fēng)壓高度變化系數(shù)，ω0指當(dāng)?shù)鼗狙?，均可由建筑荷載規(guī)范查得.沿骨架跨度方向包括4部分，分別是前下拱桿處w1、前上拱桿處w2、前直桿處w3、后屋面處w4，且分別需要考慮左、右風(fēng)的作用.

2.5 屋面集中活荷載設(shè)計(jì)值

屋面集中活荷載設(shè)計(jì)值F指卷簾機(jī)自身質(zhì)量及保溫被自身質(zhì)量.其計(jì)算簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)圖3，具體荷載計(jì)算結(jié)果見表1.

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Calculation diagram

表1 骨架荷載計(jì)算Tab.1 Calculation results of skeleton load

3 有限元建模

3.1 實(shí)體模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在SolidWorks軟件中分別對(duì)不同管徑的拱架和鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D實(shí)體模型的建立.考慮到分析模型的網(wǎng)格劃分情況，在實(shí)體模型中，忽略倒角、土墻等不影響強(qiáng)度計(jì)算的因素.簡(jiǎn)化完成的分析模型如圖4所示.

圖4 實(shí)體模型Fig.4 Entity model

3.2 工況分析與材料參數(shù)

由于溫室大棚受到風(fēng)載、雪載、活荷載及后屋面填充物自身質(zhì)量等多種載荷作用，所以溫室骨架受到的載荷形式比較復(fù)雜，為了安全計(jì)算和設(shè)計(jì)的需要，將上述載荷組合成兩種工況，工況1：恒載+使用活荷載+屋面集中活荷載+雪載；工況2：恒載+使用活荷載+屋面集中活荷載+風(fēng)載.仿真分析中采用的鋼架材料參數(shù)見表2.

表2 鋼架材料參數(shù)

Tab.2 Material Parameters

材料彈性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-1)設(shè)計(jì)強(qiáng)度/MPaQ2352110.37850215

4 應(yīng)力計(jì)算與結(jié)果分析

依據(jù)有限元的建模，利用ANSYS計(jì)算軟件對(duì)溫室骨架的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算.鋼拱架工況1、工況2及鋼桁架工況1、工況2荷載下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖5、6.可以得到兩種骨架在不同工況荷載作用下，在應(yīng)力薄弱的6個(gè)位點(diǎn)的最大應(yīng)力值如表3、表4所示.

圖5 鋼拱架應(yīng)力計(jì)算Fig.5 Working condition of steel arch stress calculation

圖6 鋼絎架應(yīng)力計(jì)算Fig.6 Working condition of steel arch stress calculation

表3 鋼拱架薄弱部位應(yīng)力值Tab.3 Stress value of steel arch weak positions MPa

表4 鋼桁架薄弱部位應(yīng)力值Tab.4 Stress value of steel supporting weak positions MPa

鋼骨架的材料選用Q235鋼，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值σ=215 MPa，由表3可見，鋼拱架結(jié)構(gòu)在荷載作用兩種工況下(工況1考慮當(dāng)?shù)?0 a一遇最大雪荷載；工況2考慮當(dāng)?shù)?0 a一遇最大風(fēng)荷載)，在應(yīng)力薄弱的6個(gè)位點(diǎn)中，其中5個(gè)位點(diǎn)的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力值，只在三角架位點(diǎn)的受力是安全的，故該鋼拱架不可用.由表4可見，針對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)，在荷載作用兩種工況下(工況1考慮當(dāng)?shù)?0 a一遇最大雪荷載；工況2考慮當(dāng)?shù)?0 a一遇最大風(fēng)荷載)，骨架所有截面處的應(yīng)力均小于材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力值，因此鋼桁架結(jié)構(gòu)受力是安全的，故該鋼桁架可大面積推廣應(yīng)用.

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(責(zé)任編輯 趙曉倩)

Safety performance of two steel frames of solar greenhouse

TANG Zhong-qi,LIU Li-xia,WANG Rui-dong,LYU Jian,FENG Zhi,XIE Jian-ming,YU Ji-hua

(College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 The mechanics analysis was performed on skeleton structure safety of two traditional solar greenhouse (steel arch structure and steel truss structure).【Method】 Taking the meteorologic condition of Jiuquan city in Gansu Province as an example,the two types of skeleton structure of traditional solar greenhouse were estimated by building structure calculation theory and ANSYS software.Q235 steel was used in the two greenhouse skeleton.The arch bar of the steel arch was DN25 galvanized steel pipe with 3.25 mm thickness.The upper chord of steel truss was DN25 galvanized steel pipe and its wall thickness was 3.25 mm,the lower chord was φ12 round bar steel,and the web member was φ10 round bar steel.The span of the greenhouse structure was 8.0 m and the ridge height was 4.0 m,the space between skeletons was 1.0 m.The front roof of greenhouses was sectional type its first half was 5.0 m arch framing and the second half was 3.0 m straight rod of.The lighting surface angle was 66°,the included angle between straight rod and horizontal plane was 15° and the elevation angle of back-roof was 45°.【Result】 The results showed that,under the two loading working conditions (1.dead loads+ dynamic loads+ roofing loads+ snow loads;2.dead loads+ dynamic loads+ roofing loads+ wind loads),actual maximum stress of the weak position in steel arch structure was beyond the maximum stress value of material strength,and the stress in many position of skeleton was not safe,so there was potential safety hazard in the steel arch.Actual maximum stress on all sections of steel truss structure was less than the design stress of material strength,so the stress of skeleton was safe and the structure could be used safely.【Conclusion】 The solar greenhouse with steel truss structure is suitable for extension in large area.

greenhouse skeleton;ANSYS software;steel arch;steel truss;safety performance

唐中祺(1988-)，男，博士研究生，主要從事設(shè)施設(shè)計(jì)與環(huán)境調(diào)控研究.E-mail：184481739@qq.com

馮致，男，副研究員，主要從事設(shè)施蔬菜栽培生理與生長(zhǎng)調(diào)控方面的研究.E-mail：gsau23@126.com

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))專項(xiàng)(201203002).

2016-10-12；

2016-11-17

TU 261

A

1003-4315(2016)06-0053-05