日光溫室結(jié)構(gòu)極限承載力及熱負(fù)荷分析

劉麗霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近年來我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，其中日光溫室結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)上有非常普遍的應(yīng)用，但其既不屬于民用建筑，也不屬于工業(yè)建筑，因此設(shè)計(jì)及施工沒有合理的土木工程行業(yè)規(guī)范?，F(xiàn)行溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范重點(diǎn)是溫室形狀及尺寸規(guī)劃，在設(shè)計(jì)方面通常模仿他人或依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。由于缺乏有力的理論計(jì)算依據(jù)，忽略溫室結(jié)構(gòu)可靠性方面研究，導(dǎo)致我國很多已建或在建的溫室存在一定的安全隱患，近年來發(fā)生多起由于大風(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)損失和社會影響[1-3]。因此，日光溫室建設(shè)必須正規(guī)系列化、嚴(yán)密科學(xué)化、經(jīng)濟(jì)實(shí)用化、使用安全化，只有這樣才能廣泛推廣大棚工程。

針對溫室結(jié)構(gòu)安全性能的研究，近年來國內(nèi)外學(xué)者也開始有所關(guān)注。梁宗敏[4]對連棟溫室結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠度進(jìn)行了理論研究，王永宏等[5]對一種日光節(jié)能溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)，白義奎等[6]探討了影響日光溫室鋼骨架結(jié)構(gòu)安全及耐久性能的因素，尹素杰等[7]針對新型農(nóng)業(yè)大棚骨架的受力性能進(jìn)行分析，俞永華等[8]對塑料大棚結(jié)構(gòu)承載特性進(jìn)行研究，解恒燕等[9]對鋼拱單棟塑料大棚的平面內(nèi)極限承載力進(jìn)行了分析。從以上研究可以獲得溫室結(jié)構(gòu)承載能力的一般規(guī)律，但目前針對承載能力影響因素的研究不足，掌握溫室結(jié)構(gòu)承載能力影響因素，可在設(shè)計(jì)中對各參數(shù)進(jìn)行更有效的設(shè)置，把握結(jié)構(gòu)承載基本規(guī)律，為溫室結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)提供理論支撐。

此外，我國溫室大棚采暖一般都是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，基本沒有溫室大棚采暖熱負(fù)荷的計(jì)算，對溫室結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷的計(jì)算及其影響因素的量化，可為溫室選擇安裝采暖裝置時提供依據(jù)。

本文為確定塑料溫室結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載特性及熱負(fù)荷能力，結(jié)合實(shí)際工程作為研究背景，基于非線性靜力推覆分析方法得到日光溫室結(jié)構(gòu)極限承載能力，模擬結(jié)構(gòu)失去抵抗力的全過程，對結(jié)構(gòu)極限承載能力影響因素進(jìn)行分析，并對日光溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了采暖熱負(fù)荷計(jì)算。

1 分析方法

1.1 極限承載力分析

為得到溫室結(jié)構(gòu)在豎向均布荷載和側(cè)向均布荷載作用下的極限承載力，可采用非線性靜力推覆分析方法。具體方法如下：①沿高度施加豎向和側(cè)向均布作用荷載；②逐級施加豎向和側(cè)向荷載，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆分析；③以結(jié)構(gòu)失穩(wěn)作為控制標(biāo)準(zhǔn)，并記錄極限承載力。該過程使結(jié)構(gòu)由彈性工作狀態(tài)逐步進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，最終達(dá)到并超過規(guī)定的彈塑性位移，同時可按順序計(jì)算結(jié)構(gòu)反應(yīng)并記錄結(jié)構(gòu)在每級荷載下的開裂、屈服直至破壞等性能，并據(jù)此找到結(jié)構(gòu)極限承載能力[10-16]。加載示意圖如1圖所示。

圖1 加載示意圖

1.2 采暖熱負(fù)荷計(jì)算

溫室大棚的總熱負(fù)荷Q：

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

式中：Q1為圍護(hù)材料的傳熱損失；Q2為滲透熱損失；Q3為地面熱損失。

(1)圍護(hù)材料的傳熱損失Q1：

Q1=∑kj·Fj·(tn-tw)

(2)

式中：kj為第j種圍護(hù)物的傳熱系數(shù)；Fj為該面圍護(hù)物的散熱面積；tn為室內(nèi)空氣計(jì)算溫度；tw為供暖室外計(jì)算溫度。

(2)滲透熱損失Q2：

Q2=0.5KVN(tn-tw)

(3)

式中：K為風(fēng)力因子，可取1.0；V為溫室空氣體積；N為每小時換氣次數(shù)，可取1.2。

(3)地面熱損失Q3：

Q3=∑ui·Ai·(tn-tw)

(4)

式中：ui為第i區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；Ai為第i區(qū)面積。

1.3 分析流程

首先采用非線性靜力推覆分析方法，對結(jié)構(gòu)在不同跨度、長細(xì)比、構(gòu)件銹蝕程度的情況下進(jìn)行極限承載能力計(jì)算，量化日光溫室結(jié)構(gòu)的承載能力影響因素，然后對日光溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行采暖熱負(fù)荷計(jì)算，為日光溫室結(jié)構(gòu)安裝采暖裝置提供理論依據(jù)。分析流程如圖2所示。

圖2 分析流程

2 算例信息

2.1 溫室結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

本文以溫室大棚實(shí)際工程為例，該結(jié)構(gòu)跨度為8 m，脊高為4 m，溫室骨架間距為1 m；考慮到溫室內(nèi)部作業(yè)時的可操作性及采光性，前屋面角66°，直桿與水平面夾角15°，后屋面仰角45°；前屋面形式為二折式，即前半部分為弧長約為5 m的拱形結(jié)構(gòu)，后半部分為長度約為3 m的直桿；溫室骨架均采用Q235鋼，設(shè)定兩種不同的截面形式，鋼拱架截面及鋼桁架截面用于對比分析。鋼拱架截面拱桿為DN25(1吋)，鍍鋅鋼管(外徑33.5 mm，壁厚3.25 mm)；鋼桁架截面上弦桿為DN25(1吋)，鍍鋅鋼管(外徑33.5 mm，壁厚3.25 mm)，下弦桿為￠12圓鋼，腹桿為￠10圓鋼。兩種溫室骨架如圖3所示，荷載統(tǒng)計(jì)依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，見表1。

圖3 鋼拱架骨架側(cè)視圖

表1 骨架荷載統(tǒng)計(jì)

2.2 有限元模型建立

利用SAP2000建立模型，將實(shí)體模型中的倒角、土墻等對分析影響不大的特征去掉。試驗(yàn)溫室大棚結(jié)構(gòu)桿件采用梁單元模擬，截面形式為管狀。兩種溫室結(jié)構(gòu)的頂部支撐采用桁架單元，截面形式為圓管形，半徑 0.03 m，厚度 4 mm。 對于桁架結(jié)構(gòu)，每根桿件作為一個單元。在該研究中，柱底部固結(jié)，不考慮土和基礎(chǔ)的相互作用。鋼拱架有限元模型圖如圖4所示。

圖4 鋼拱架有限元模型

3 極限承載力分析

利用豎向及側(cè)向非線性靜力推覆分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆分析，獲得溫室結(jié)構(gòu)極限承載力。分別以結(jié)構(gòu)形式、跨度、長細(xì)比、構(gòu)件銹蝕程度作為變量，分析不同變量對溫室結(jié)構(gòu)承載能力的影響規(guī)律。

3.1 不同結(jié)構(gòu)形式對承載力的影響

基于非線性靜力推覆分析理論，對溫室結(jié)構(gòu)在豎向均布荷載和側(cè)向均布荷載作用下平面內(nèi)極限承載力進(jìn)行分析。采用位移控制，得到結(jié)構(gòu)均布荷載與定點(diǎn)位移(P-Δ)曲線，如圖5所示。其中結(jié)構(gòu)跨度選擇為L=8 m。

由圖5可見，隨荷載逐漸增加，結(jié)構(gòu)豎向位移逐漸增加；超過極限位移時，荷載不再增大，且有一定下降趨勢；在相同的矢跨比和長細(xì)比情況下，鋼桁架結(jié)構(gòu)的極限承載力高于鋼拱架結(jié)構(gòu)的極限承載力，豎向極限荷載高出33.3%，側(cè)向極限荷載高出8.8%。這是由于拱架僅是起到支撐作用的弧形支架，而桁架結(jié)構(gòu)由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成，主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度較大時可比實(shí)腹梁節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度。

3.2 跨度對承載力的影響

分析跨度對鋼結(jié)構(gòu)極限承載力的影響時，分別選取跨度為4 m、6 m、8 m、10 m及12 m的鋼拱結(jié)構(gòu)及鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，加載方式為豎向均布加載及側(cè)向均布加載。不同溫室結(jié)構(gòu)極限荷載與跨度關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 結(jié)構(gòu)P-Δ曲線

圖6 極限承載力-跨度曲線

從圖6可以看出，隨跨度增大，結(jié)構(gòu)豎向及側(cè)向極限承載能力均有所下降；豎向荷載受跨度影響更大，其最大和最小下降幅度分別為14.3%和12.5%；而側(cè)向極限承載力受跨度影響低于豎向，其最大和最小下降幅度分別為8.6%和3.3%?？梢姡趯厥医Y(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)選擇合理跨度，否則影響其承載能力，以避免承載能力不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

3.3 長細(xì)比對承載力的影響

長細(xì)比λ：

(5)

式中：μ為計(jì)算長度系數(shù)，當(dāng)拱為兩端固結(jié)時，μ= 0.5；i為截面的回轉(zhuǎn)半徑。

分析長細(xì)比對鋼結(jié)構(gòu)極限承載力的影響時，分別選取跨度為L=8 m的鋼拱結(jié)構(gòu)及鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，加載方式為豎向均布加載及側(cè)向均布加載。通過改變截面尺寸來改變截面的回轉(zhuǎn)半徑i，從而改變結(jié)構(gòu)的長細(xì)比λ。不同溫室結(jié)構(gòu)極限荷載與長細(xì)比關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可見，鋼結(jié)構(gòu)在長細(xì)比變化時，承載力隨著長細(xì)比的增加而減小。這是由于隨著構(gòu)件的截面增大，結(jié)構(gòu)的抗彎剛度隨之增加，極限承載力也相應(yīng)增加。但在實(shí)際工程中，應(yīng)采用合理長細(xì)比，保證結(jié)構(gòu)承載能力的同時不造成過多材料浪費(fèi)。

3.4 鋼材銹蝕對承載力的影響

銹蝕會降低鋼材性能，從而影響溫室結(jié)構(gòu)極限承載能力。本文采用Lee等試驗(yàn)研究，鋼筋隨銹蝕模型對溫室鋼材的銹蝕進(jìn)行模擬。材料性能如式(6)～(9)所示：

fyc=(1-1.98ηm)fy

(6)

fuc=(1-1.57ηm)fu

(7)

Esc=(1-1.15ηm)Ess

(8)

δc=(1-2.59ηm)δs

(9)

式中：fy、fu、Ess、δs分別為原始鋼材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和極限應(yīng)變；fyc、fuc、Esc、δc分別為銹蝕后鋼材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和極限應(yīng)變；ηm為鋼筋的質(zhì)量銹蝕率。

分析銹蝕對鋼拱結(jié)構(gòu)極限承載力的影響時，分別選擇銹蝕率ηm為10%、20%、30%、40%的鋼拱結(jié)構(gòu)及鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，加載方式為豎向均布加載及側(cè)向均布加載。不同溫室結(jié)構(gòu)極限荷載與鋼材致銹率關(guān)系曲線如圖8所示。

圖7 極限承載力-長細(xì)比曲線

圖8 極限承載力-銹蝕率曲線

由圖8可見，在鋼材致銹率變化時，結(jié)構(gòu)的承載力隨著致銹率的增加而減小。拱架結(jié)構(gòu)豎向荷載最大和最小下降幅度分別為18.86%和5.63%，桁架結(jié)構(gòu)豎向荷載最大和最小下降幅度分別為17.46%和5.56%；而側(cè)向極限承載力受跨度影響低于豎向，拱架結(jié)構(gòu)側(cè)向荷載最大和最小下降幅度分別為6.25%和2.91%，桁架結(jié)構(gòu)豎向荷載最大和最小下降幅度分別為6.25%和1.43%；當(dāng)致銹率為10%時，結(jié)構(gòu)極限承載力下降不大，低于5%，致銹率增大至30%～40%時，結(jié)構(gòu)的極限承載力下降近35%，致銹率增大至50%時，結(jié)構(gòu)承載力下降超過50%，此時結(jié)構(gòu)十分危險(xiǎn)。隨著結(jié)構(gòu)材料致銹率的增大，材料性能衰減，極限承載力也相應(yīng)減小。溫室結(jié)構(gòu)在使用過程中會遭遇干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、風(fēng)雪等災(zāi)害，導(dǎo)致鋼材易銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)安全性。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)注意對材料的保護(hù)，增大其耐久性，延長溫室結(jié)構(gòu)使用壽命。

4 采暖熱負(fù)荷分析

通常溫室內(nèi)最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在冬季最寒冷的夜間，不同的作物、不同品種、不同生長階段，對溫度有不同的要求。設(shè)置本溫室結(jié)構(gòu)室內(nèi)溫度為10 ℃，取室外溫度為-20 ℃。提取圍護(hù)材料傳熱系數(shù)及溫室空間為變量，量化溫室采暖熱負(fù)荷影響規(guī)律。

4.1 圍護(hù)材料的影響

外圍護(hù)材是結(jié)構(gòu)與外界直接接觸的主要部位，直接與外界進(jìn)行熱量傳遞。由于圍護(hù)材料的傳熱系數(shù)在一定程度上決定了外墻熱工性能的優(yōu)劣，所以本文以圍護(hù)材料傳熱系數(shù)為變量，分析其對溫室熱負(fù)荷的影響。

常用的溫室圍護(hù)材料為單層聚乙烯膜，其傳熱系數(shù)K為6.8 W/(m2·K)，厚度為0.03 m覆棉氈的導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.04。通過改變材料形式、厚度等方式設(shè)置3.0 ～10 W/(m2·K)8種不同圍護(hù)傳熱系數(shù)程度計(jì)算模擬負(fù)荷，得到建筑冷熱負(fù)荷與外墻傳熱系數(shù)的關(guān)系如圖9所示。

圖9 熱負(fù)荷-傳熱系數(shù)曲線

從圖9可以看出，建筑的冷、熱及總負(fù)荷均隨外墻傳熱系數(shù)的增大而增大，呈現(xiàn)一定的線性增長，擬合總負(fù)荷關(guān)系式為y=3.7381x+ 33.202，R2=0.998；熱負(fù)荷的最大及最小增長幅度分別為5.09%和11.53%?？梢?，當(dāng)滿足日照、采光及作物生長需求的條件下，應(yīng)盡可能選擇傳熱系數(shù)較小的圍護(hù)材料，使溫室能耗降低。

4.2 溫室空間的影響

溫室屬于封閉且具有一定蓄熱能力的建筑物，溫室空間的大小在一定程度上影響熱能滲透及地面熱損失，所以本文以溫室空間為變量，分析其對溫室熱負(fù)荷的影響。在進(jìn)行溫室空間影響分析時，設(shè)置溫室為一個區(qū)，其余條件均不變，僅設(shè)置500 ～3 000 m36種不同溫室空間計(jì)算模擬負(fù)荷，得到建筑冷、熱負(fù)荷與溫室空間關(guān)系如圖10所示。

圖10 熱負(fù)荷-溫室空間曲線

從圖10可以看出，建筑的冷、熱及總負(fù)荷均隨外墻傳熱系數(shù)的增大而增大，擬合線性關(guān)系式為y=0.9141x+ 31.333，R2=0.6941；熱負(fù)荷的最大及最小增長幅度分別為5.2%和11.7%?？梢?，在滿足作物生長及產(chǎn)量需求的條件下，應(yīng)盡可能控制溫室空間的大小，使溫室更加節(jié)能。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際工程，基于非線性靜力推覆分析方法得到日光溫室結(jié)構(gòu)極限承載能力，并對其影響因素進(jìn)行分析。計(jì)算了溫室結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，為日光溫室安裝采暖裝置提供理論依據(jù)。

(1)非線性靜力推覆方法可用于日光溫室大棚的極限承載能力分析，鋼桁架溫室結(jié)構(gòu)極限承載能力高于鋼拱架結(jié)構(gòu)。

(2)溫室結(jié)構(gòu)的極限承載力隨著跨度的增加而減小，隨著長細(xì)比的增加而減小，隨構(gòu)件銹蝕率的增大而減小。在實(shí)際工程實(shí)施中，應(yīng)合理選擇結(jié)構(gòu)跨度、構(gòu)件截面，并注重構(gòu)件的防銹工作。

(3)溫室結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷隨圍護(hù)材料傳熱系數(shù)增大而增大，隨溫室空間增大而增大。在工程應(yīng)用中，在滿足作物生長及產(chǎn)量需求的條件下，應(yīng)盡可能選擇傳熱系數(shù)小的圍護(hù)材料，控制溫室空間的大小，降低溫室能耗。