日光溫室鋼架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)

化關(guān)瑞，吳堅勇，劉中華*，劉振宇

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西 太谷 030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

溫室的結(jié)構(gòu)類型受到地域、環(huán)境和氣候條件等因素的影響[1]。目前，我國常用的溫室類型有塑料溫室、玻璃溫室和日光溫室等[2～4]。其中日光溫室具有節(jié)能環(huán)保、投資低、受環(huán)境因素制約小等優(yōu)點，已逐漸成為了當代溫室的主流[5]。

日光溫室的骨架結(jié)構(gòu)通常由竹子、木頭、鋼材和玻璃絲等材料制作而成[6]。在我國北方地區(qū)，溫室骨架多采用鋼結(jié)構(gòu)制作，由小截面鋼構(gòu)件組成，作為薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性和安全性是構(gòu)件設(shè)計的關(guān)鍵[7]。但是由于某些構(gòu)件的長細比經(jīng)常達不到現(xiàn)行規(guī)劃的要求，在外部荷載的影響下，溫室被風吹塌或被雪壓塌的情況經(jīng)常發(fā)生，這就對溫室的材料和截面面積提出要求，需盡量減少截面面積以保證在外力荷載條件下，結(jié)構(gòu)能足以承受而不至于倒塌[8]。

近幾年，國內(nèi)外對溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化極為重視，并進行了相關(guān)研究。Castellano S等[9]對歐洲斜屋頂鋼溫室的結(jié)構(gòu)特性進行了全尺度荷載試驗，并對溫室結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析。Morcous, G等[10]根據(jù)ASCE 7-05標準，建立了一個普通溫室設(shè)計的全尺寸模型，并在風荷載和雪荷載作用下對其性能進行了分析優(yōu)化。張鷹等[11]對日光溫室鋼桁架在最不利荷載作用下進行了受力試驗，得出了鋼桁架的實際應(yīng)力值，為設(shè)計安全經(jīng)濟的溫室鋼桁架提供了依據(jù)。宋丹等[12]提出了一種適于日光溫室的新型鋼架組合墻體結(jié)構(gòu)，分析并優(yōu)化了該墻體的結(jié)構(gòu)承力和穩(wěn)定性分析方法。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文針對當前日光溫室安全性和穩(wěn)定性低的情況，對日光溫室的鋼骨架結(jié)構(gòu)的材料、尺寸、受力、骨架的弧度等進行了優(yōu)化分析規(guī)范了建造技術(shù)的要求，達到了節(jié)約能源、節(jié)省材料和提高溫室安全穩(wěn)定的目的，增加了經(jīng)濟效益，成為了繼續(xù)推進溫室發(fā)展的基本理論支撐。

1 日光溫室的基本數(shù)據(jù)及力學(xué)分析建模

1.1 基本數(shù)據(jù)

太谷縣位于山西省中部，境內(nèi)四季分明，交通便利，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好，是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)縣。該地區(qū)的溫室大棚上方鋪的太空棉重量為2 kg·m-2，建造時間為2013年，主梁的材料為鍍鋅鋼管，壁厚為2.75 mm，桁架材料為實心圓管。太谷溫室全景圖如圖1所示。從高度跨度長度入手，對太谷縣當?shù)毓羌茌^為完整的一個鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)溫室大棚的基本參數(shù)進行了統(tǒng)計，實地調(diào)研的溫室具體情況如表1所示(因施工過程中存在不合理施工行為以及使用過程中的變形，測得數(shù)據(jù)有一定誤差)。

表1 太谷縣鋼結(jié)構(gòu)溫室基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of steel structure greenhouse in Taigu County

圖1 太谷溫室全景圖Fig.1 Panoramic view of greenhouse in Taigu

本文取太谷縣地區(qū)荷載。在太谷縣風荷載和雪荷載的條件下計算日光溫室一榀鋼骨架的受力情況。表2為太谷地區(qū)風荷載和雪荷載的基本參數(shù)。

表2 太谷地區(qū)風荷載、雪荷載Table 2 Wind load and snow load in taigu area

由表2可知，太谷地區(qū)十年一遇的雪荷載和風荷載分別為0.2 kN·m-2和0.2 kN·m-2，五十年一遇的雪荷載和風荷載分別為0.3 kN·m-2和0.3 kN·m-2，一百年一遇的雪荷載和風荷載分別為0.35 kN·m-2和0.35 kN·m-2。由此可以得出，太谷地區(qū)的風、雪荷載量隨著時間的累積在逐漸增加。因此，對于日光溫室每平方米的荷載承受能力需要進一步加強，并要保證日光溫室的耐久性、完整性和安全性，同時也要減少建造成本。

圓管截面剖面圖和圓形截面直徑示意圖如圖2所示，圖3為溫室骨架節(jié)點號與單元號的仿真圖，呈圓弧形。主梁的材料為鍍鋅鋼管，桁架材料為空芯圓管。

由圖2所知，日光溫室的圓管截面剖面圖和圓形截面直徑示意圖的直徑為2.5 cm。由圖3a中可知，有57個節(jié)點號，各節(jié)點均采用焊接，各節(jié)點編號從桁架前底腳至后坡依次排列(上弦節(jié)點至下弦節(jié)點依次排列)，由圖3b可知，有109個單元號。

圖2 圓管截面剖面圖和圓形截面直徑示意圖Fig.2 Pipe section and diameters of circular section

圖3 節(jié)點號與單元號圖Fig.3 Node number and cell number diagrams

1.2 鋼架材料參數(shù)

該工程只使用一種Q235B材料：彈性模量是2.06×105 Gpa，泊松比0.30，線膨脹系數(shù)是1.20×10-5，質(zhì)量密度是7 850 kg·m-3。

1.3 結(jié)構(gòu)荷載分析基本理論

鋼結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)，需要按照荷載組合進行計算分析[13]，在各種組合情況下，可以進一步得到不同因素對鋼承載能力的影響效果，其表達式如下：

γ0Sd≤Rd

(1)

式中：γ0-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按規(guī)定采用；Sd-荷載組合的效應(yīng)設(shè)計值；Rd-結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計值。

其中Rd的取值，需要從荷載組合值中取用最不利的效應(yīng)設(shè)計值確定[14]：

可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值：

(2)

式中：γGi-第j個永久荷載的分項系數(shù)；γQi-第i個可變荷載的分項系數(shù)；γLi-第i個可變荷載考慮設(shè)計使用年限的調(diào)整系數(shù)；SGjK-按第j個永久荷載標準值GjK計算的荷載效應(yīng)值；SGiK按第i個可變荷載標準值GiK計算的荷載效應(yīng)值；ψci第i個可變荷載Qi的組合值系數(shù)；m-參與組合的永久荷載數(shù)；n-參與組合的可變荷載[15]。

2 溫室結(jié)構(gòu)荷載分析

2.1 荷載大小組合

由表3可知，共有4荷載類型，其工況號0、1、22、3分別對應(yīng)的荷載類型為恒、活、風、雪。而且結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0.90。

在不考慮地震作用、溫度作用的情況下，荷載組合情況如下所示：

(1)1.20×0+1.40×0.2

(2)1.20×0+1.40×0.2

(3)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(4)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(5)1.00×0+1.40×0.2

(6)1.20×0

(7)1.20×0+1.40×0.2

(8)1.20×0+1.40×0.70×0.2

(9)1.20×0+1.40×0.60×0.2

(10)1.20×0+1.40×0.2

(11)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(12)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(13)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.60×0.2

(14)1.20×0+1.40×0.2

(15)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(16)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(17)1.20×0+1.40×0.60×0.2

(18)1.20×0+1.40×0.2

(19)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(20)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(21)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.60×0.2

(22)1.00×0+1.40×0.2

表3 輸入荷載庫中的荷載Table 3 load in the input load cell

2.2 節(jié)點荷載

由表3可知，其荷載數(shù)值的確定是根據(jù)荷載庫中的數(shù)值按照組合情況確定的，其中，工況0節(jié)點中Px、Py、Pz的壓力和Mx、My、Mz的彎矩力均為0，說明在工況0情況下，溫室所受到的荷載壓力為自己本身；工況1節(jié)點中Px、Py的壓力和Mx、My、Mz的彎矩力均為0，Pz壓力為-0.2kN，說明溫室的自然荷載為垂直方向上的-0.2kN；工況3節(jié)點中Px、Py的壓力和Mx、My、Mz的彎矩力均為0，Pz壓力為-0.1kN，說明溫室受到的雪壓為-0.1kN；工況22節(jié)點中Px、Pz的壓力和Mx、My、Mz的彎矩力均為0，Py的壓力為-0.1kN，說明溫室水平方向上受到的荷載壓力為-0.1kN。

2.3 荷載組合分析

根據(jù)規(guī)范[16]：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)使用過程中的結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載(效應(yīng))組合，并取各自的最不利的效應(yīng)組合進行設(shè)計。

2.4 應(yīng)力比

應(yīng)力比是指對試件最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比(或試件的最小荷載與最大載荷之比)。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)計算分析模型，驗算，應(yīng)力比最大值是106.01。圖4為一榀鋼骨架總體應(yīng)力比分布圖。

圖4 桿件應(yīng)力比分布圖Fig.4 Bar stress ratio layout

由圖4可知，在輸入相關(guān)參數(shù)后，得到了溫室在受到荷載情況下的最大應(yīng)力比為106.01 MPa，說明在單元號108處溫室承受的應(yīng)力值最大，設(shè)計結(jié)構(gòu)時應(yīng)該進行加固改進。在所有的單元號中，桿件應(yīng)力比集中分布在單元號28～37和51附近的范圍內(nèi)且數(shù)值較大，說明單元號的應(yīng)力值不滿足安全荷載承受應(yīng)力，需要對其進行優(yōu)化。

通過圖5～圖9，表4～表8可得：在最不利荷載組合工況下(即組合19，恒荷載+雪荷載+風荷載)，需要計算整體鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和長細比的幾何變形，進一步分析溫室受到荷載情況下鋼結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布和鋼管的變形狀況。構(gòu)件的強度應(yīng)力比集中范圍在0.50～0.01之間，占比95.4%，說明結(jié)構(gòu)基本處于安全情況下；繞y方向整體穩(wěn)定應(yīng)力比范圍集中在0.50～0.00之間，占比65.1%，在106.01～1.00之間，占比達到了24.8%，說明在垂直方向的荷載情況下，鋼結(jié)構(gòu)整體受力不均勻，24.8%的單元號受到應(yīng)力值較大，對骨架的整體穩(wěn)定性造成了影響；繞z方向整體穩(wěn)定應(yīng)力比范圍集中在0.50～0.00之間，占比78.9%，在2.49～1.00之間，占比達到了13.8%，說明大部分單元處于安全范圍內(nèi)，但是有13.8%的單元號需要進行優(yōu)化改進；繞y方向細比范圍集中在1091～180與150～120之間，分別占比45.0%與42.2%，繞z方向細比范圍集中在209～180，占比43.1%，且范圍180～150、150～120和80～50的占比分別為12.8%、17.4%和24.8%差別不大，說明鋼管在受到荷載的情況下，發(fā)生了較大的形變，其大部分的形變超出了安全范圍，對骨架的安全造成了影響。因此，溫室結(jié)構(gòu)在荷載組合工況下，按照上述占比要求，進行驗算分析，得到的設(shè)計驗算表(表9)。

圖5 以“強度應(yīng)力比”顯示構(gòu)件不同顏色Fig.5 Shows the different colors of the members in terms of “strength to stress ratio”

表4 “強度應(yīng)力比”統(tǒng)計結(jié)果Table 4 statistical results of "intensity stress ratio

表9驗算結(jié)果得出了各個單元號是否處于安全荷載承受應(yīng)力范圍內(nèi)的分析結(jié)果，進而計算出了日光溫室承載荷載應(yīng)力的最低控制標準，為骨架的設(shè)計提供了有效的參考標準。最嚴控制表見表10，通過對不滿足結(jié)果進行強度應(yīng)力比、整體穩(wěn)定應(yīng)力比以及繞x和y方向的應(yīng)力比進行優(yōu)化，使溫室鋼結(jié)構(gòu)達到理想效果。

圖6 繞y方向顯示構(gòu)件不同顏色Fig.6 Display components in different colors around the y direction

表5統(tǒng)計結(jié)果為“繞y方向整體穩(wěn)定應(yīng)力比”

Table5 The statistical result is“overall stable stress ratio around y direction”.

范圍Range106.01～1.001.00～0.900.90～0.700.70～0.500.50～0.01單元數(shù)2714671百分比24.8%0.9%3.7%5.5%65.1%

圖7 按z方向顯示構(gòu)件不同顏色Fig.7 Display component colors in the z direction

表6按“繞z方向整體穩(wěn)定應(yīng)力比”統(tǒng)計結(jié)果

Table6 According to the statistical result of“overall stable stress ratio around z direction”

范圍Range2.49～1.001.00～0.900.90～0.700.70～0.500.50～0.01單元數(shù)1524286百分比13.8%1.8%3.7%1.8%78.9%

圖8 以“繞y方向長細比”顯示構(gòu)件不同顏色Fig.8 Display components in different colors with "length-to-fineness ratio around y direction“2”

表7以“繞y方向長細比”統(tǒng)計結(jié)果

Table7 Statistical results were obtained by"length-fineness ratio around y direction"

范圍Range1091～180180～150150～120120～80<80單元數(shù)49144600百分比45.0%12.8%42.2%0.0%0.0%

圖9 按“繞z方向軸長細比”顯示構(gòu)件顏色Fig.9 Press "length-fineness ratio around z-axis" to display component color

表8按“繞z方向軸長細比”統(tǒng)計結(jié)果表

Table8 According to the statistical result table of"length-fineness ratio around z-axis"

范圍Range1091～180180～150150～120120～8080～50單元數(shù)471419227百分比43.1%12.8%17.4%1.8%24.8%

表9 設(shè)計驗算結(jié)果表Table 9 Design Check Results Table

表10 最嚴控制表 (強度和整體穩(wěn)定為(應(yīng)力/設(shè)計強度))Table 10 The most tightly controlled TAB (strength and overall stability is (stress/design strength))

在表10中，從109個單元中選取了7有代表性的單元進行優(yōu)化(選取依據(jù)為單元號的首位兩側(cè)，中間及1/3和2/3處)，在7個單元中將鋼架與地面接觸的單元0設(shè)置為參考點，其應(yīng)力數(shù)值為0，并對其它6個單元形成剛性約束。因此，在太谷地區(qū)荷載條件下，按照表10中各單元的統(tǒng)計結(jié)果，以及表10中的計算結(jié)果，將下弦桿的截面改成與上弦桿一樣，使用的材料不變?yōu)镼235B，腹桿直徑改成12 mm，增加下弦桿側(cè)向支撐間隔為1.5 m。優(yōu)化后，鋼骨架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值均勻分布在各個單元號上，使得骨架的整體承受能力達到了設(shè)計標準。該優(yōu)化方案滿足了溫室鋼骨架結(jié)構(gòu)在風雪荷載下的承受能力。

4 結(jié)論

(1)本試驗對太谷地區(qū)傳統(tǒng)的日光溫室鋼結(jié)構(gòu)進行了分析，分析結(jié)果表明，在109個單元中，有52個單元號的應(yīng)力值不滿足安全荷載承受應(yīng)力，且各個單元號受到的應(yīng)力分布不均勻，影響了溫室的安全性和穩(wěn)定性。

(2)在太谷地區(qū)荷載條件下，使用材料Q235B，將下弦桿的在直徑改為33 mm，腹桿直徑改成12 mm，下弦桿側(cè)向支撐間隔為1.5 m，該優(yōu)化方案滿足了日光溫室在10年、50年和100年期間風雪氣候條件下的荷載承受能力。