新疆日光溫室前屋面的風(fēng)載數(shù)值模擬分析

馬月虹，李保明，王國(guó)強(qiáng)，宋兵偉，劉 娜

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引 言

【研究意義】新疆各地區(qū)日光溫室常有保溫被被吹起、棚膜撕爛的現(xiàn)象，風(fēng)災(zāi)是新疆東疆吐魯番和南疆和田、喀什等地區(qū)日光溫室生產(chǎn)面臨的主要問(wèn)題。日光溫室的風(fēng)載荷是新疆日光溫室性能的主要考核指標(biāo)。在進(jìn)行日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，模擬和計(jì)算各圍護(hù)結(jié)構(gòu)在當(dāng)?shù)貙?shí)際承載的風(fēng)雪載荷非常必要，直接關(guān)系到日光溫室的性能可靠性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1]。日光溫室在生產(chǎn)種植過(guò)程中，會(huì)同時(shí)承受多個(gè)載荷[2]。6個(gè)組合中，有恒載+活載+雪載與恒載+活載+風(fēng)載，雪載和風(fēng)載采用誰(shuí)大取誰(shuí)的原則，不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)[1]。由于雪載的作用方向與重力一致，相對(duì)比較單一，多數(shù)采取人工清雪和機(jī)械清理的方式預(yù)防雪災(zāi)，相對(duì)可控。而風(fēng)載的作用方向多且變化復(fù)雜，且不可控，對(duì)風(fēng)載的模擬有提前預(yù)測(cè)和防災(zāi)功能。日光溫室的外圍結(jié)構(gòu)因?yàn)榍拔菝?、后屋面和墻體的不規(guī)則、不對(duì)稱(chēng)，相對(duì)復(fù)雜，由鋼骨架、北墻體、東西向拉桿等部件組成。開(kāi)展日光溫室結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究，必須根據(jù)計(jì)算模型的選取規(guī)律，用一個(gè)可表達(dá)其基本受力與變形特性的簡(jiǎn)略計(jì)算模型來(lái)替代實(shí)際日光溫室結(jié)構(gòu)[3]?，F(xiàn)有的力學(xué)研究較多又成熟，對(duì)前屋面鋼骨架建模分析，得到不同后屋面方案，計(jì)算荷載組合鋼骨架的內(nèi)力及其對(duì)北墻的作用力?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Mathews-EH和Meyer-JP用實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了半圓拱型塑料日光溫室的風(fēng)荷載取值[4-5]。宋占軍[6]針對(duì)國(guó)內(nèi)溫室建立了5連棟溫室受風(fēng)雪荷載時(shí)半邊結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。郭萬(wàn)東等[7]利用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX一5對(duì)華南型單棟溫室的表面風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬，并討論了溫室屋檐和屋脊處的風(fēng)壓分布特點(diǎn)。呂家圣[8]針對(duì)丘陵山區(qū)溫室結(jié)構(gòu)選型，建立了Venlo型、尖頂型、圓拱型3種典型溫室，在改變跨度、風(fēng)向角的情況下對(duì)溫室表面風(fēng)壓進(jìn)行了模擬研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前國(guó)內(nèi)外預(yù)測(cè)和研究低層房屋風(fēng)荷載的主要方法有：足尺模型場(chǎng)地試驗(yàn)( 或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè))、縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬。相對(duì)于高層建筑，低層房屋的全尺寸場(chǎng)地試驗(yàn)開(kāi)展得較多[9]。數(shù)值模擬方法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新的建筑風(fēng)載預(yù)測(cè)方法。經(jīng)過(guò)20年的探索研究，目前在利用該方法預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單體型的單體建筑方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展[10-11]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選取新疆和田地區(qū)的日光溫室，日光溫室保溫被鋪開(kāi)、半卷、全卷、無(wú)保溫被共4種工作狀態(tài)，對(duì)4種保溫被卷鋪狀態(tài)的前屋面風(fēng)載進(jìn)行模擬，使用UG 軟件對(duì)日光溫室和保溫被進(jìn)行不同位置模型，將墻體、頂部保溫被、骨架等結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化。

1 材料與方法

1.1 材 料

選取新疆和田地區(qū)的日光溫室。模擬日光溫室方位角南偏西8°；長(zhǎng)度80 m；跨度8.5 m；脊高3.9 m；北墻墻體高2.2 m；墻體厚度50 cm；后屋面水平投影1.9 m；前屋面傾角33°；后屋面仰角40°。日光溫室保溫被鋪開(kāi)、半卷、全卷、無(wú)保溫被共四種工作狀態(tài)；被子厚度約50 mm，全卷時(shí)被子為圓柱體，被子的直徑約400 mm，對(duì)4種保溫被卷鋪狀態(tài)的前屋面風(fēng)載進(jìn)行模擬。圖1

圖1 溫室截面示意Fig.1 Location of air guide wall

1.2 方法

使用UG 軟件對(duì)日光溫室和保溫被進(jìn)行不同位置模型，將墻體、頂部保溫被、骨架等結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化。

1.2.1 保溫被的不同位置模型設(shè)計(jì)

紅色為日光溫室，黃色為保溫被。圖2

圖2 保溫被的不同位置模型Fig.2 Three dimensional drawing of different positions of insulation quilt

將上述模型與空氣進(jìn)行布爾求差，得到整體的模型。日光溫室底面為X向80 m(-40 m

將UG中做好的模型導(dǎo)入到ANSYS ICEM中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4，圖5。

圖3 日光溫室整體模型Fig.3 Whole model of greenhouse

圖4 整體模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Global model mesh generation

圖5 日光溫室模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Gridding of greenhouse model

1.2.2 風(fēng)模擬

由于日光溫室方位為南偏西8度，且項(xiàng)目區(qū)多西南風(fēng)，每年2～4月多大風(fēng)天氣，風(fēng)力為6～7級(jí)，可取風(fēng)與日光溫室的夾角為45+8=53°，風(fēng)速取為13.8 m/s。則可計(jì)算得X向風(fēng)速為8.28 m/s，Y向風(fēng)速為-11.04 m/s。圖6

圖6 風(fēng)向示意Fig.6 Wind direction diagram

2 結(jié)果與分析

2.1 保溫被狀態(tài)對(duì)薄膜風(fēng)壓的影響

研究表明，無(wú)保溫被時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最南部風(fēng)壓大，約1.014×105Pa,脊高位置風(fēng)壓最小約1.010×105Pa,其它位置風(fēng)壓大小差異性不大，約1.013×105Pa。圖7

圖7 無(wú)保溫被時(shí)薄膜風(fēng)壓Fig.7 Film wind pressure without thermal insulation quilt

保溫被全卷時(shí)，南部風(fēng)壓最大，約1.014×105Pa,其它位置風(fēng)壓大小差異性很小，約1.013×105Pa。由風(fēng)向原因，后屋面西段風(fēng)壓明顯最小，約1.012×105Pa。圖8

圖8 保溫被全卷時(shí)薄膜風(fēng)壓Fig.8 Film wind pressure when the insulation quilt is fully rolled

保溫被半卷時(shí)，也是南部風(fēng)壓最大，約1.014×105Pa,保溫被卷鋪位置風(fēng)壓有個(gè)驟減，約1.012×105Pa,接著回升，后屋面西半部風(fēng)壓又明顯減小，約1.010×105Pa。圖9

圖9 保溫被半卷時(shí)薄膜風(fēng)壓Fig.9 Film wind pressure when the insulation quilt is half rolled

保溫被全鋪時(shí)，南部風(fēng)壓最大，約1.014×105Pa，向北部逐漸降低，脊高位置風(fēng)壓最小，約1.010×105Pa，后屋面西頭風(fēng)壓明顯比東段小，約1.012×105Pa。

再通過(guò)Y向的九條曲線(X=-39 m，-30 m，-20 m，-10 m，0 m，10 m，20 m，30 m，39 m)畫(huà)出不同條件下風(fēng)壓變化對(duì)比曲線。圖10

圖10 保溫被全鋪時(shí)薄膜風(fēng)壓Fig.10 Film wind pressure when the insulation quilt is fully laid

圖11 提取風(fēng)壓位置示意Fig.11 Schematic diagram of extracting wind pressure

圖12 不同保溫被狀態(tài)薄膜風(fēng)壓Fig.12 Thin film wind pressure

在X=-39 m，-30 m，-20 m，-10 m，0 m，10 m，20 m，30 m，39 m九個(gè)斷面，無(wú)保溫被和保溫被全鋪，薄膜風(fēng)壓的兩條曲線重疊，薄膜風(fēng)壓基本一樣。圖11

保溫被半卷和保溫被全卷，薄膜風(fēng)壓變化趨勢(shì)接近，保溫被半卷在保溫被卷放位置有個(gè)突變，因?yàn)榫矸诺谋蛔蛹s高400 mm，風(fēng)壓遇障礙物，有突變。保溫被半卷和保溫被全卷薄膜風(fēng)壓其它位置相近。從X= 0 m，10 m，20 m，30 m，39 m，-10 m，-20 m，-30 m到X=-39 m斷面，從兩者風(fēng)壓值相同到保溫被全卷略大于保溫被半卷風(fēng)壓值，保溫被半卷和保溫被全卷兩者間的風(fēng)壓差值逐漸增加。4種位置風(fēng)壓為：無(wú)保溫被=保溫被全鋪<保溫被半卷<保溫被全卷。圖12

3 討論

在無(wú)保溫被和保溫被全鋪時(shí)，薄膜南側(cè)風(fēng)壓最大，約1.014×105Pa，脊高位置風(fēng)壓最小約1.010×105Pa,北側(cè)風(fēng)壓低，約1.013×105Pa，分析是由于南側(cè)風(fēng)遇到阻礙，造成風(fēng)壓的升高，而北側(cè)位于日光溫室頂端，風(fēng)速快，而風(fēng)速快的位置風(fēng)壓小[12]。且兩種方式下薄膜風(fēng)壓及風(fēng)壓變化規(guī)律接近一致，可見(jiàn)保溫被全鋪與不鋪對(duì)薄膜表面壓強(qiáng)影響不大。

在保溫被全卷及半卷時(shí)，最南側(cè)風(fēng)壓較大，約1.014×105Pa,脊高位置風(fēng)壓最小約1.010×105Pa,其它位置風(fēng)壓大小差異性不大，約1.012×105Pa。往北有風(fēng)壓的降低，再往北則會(huì)重新升高。南北兩側(cè)風(fēng)壓的升高分析是由于風(fēng)遇到了日光溫室或保溫被的阻礙。對(duì)于保溫被半卷時(shí)，在保溫被卷放位置會(huì)有風(fēng)壓的突變。

無(wú)保溫被、保溫被全鋪、保溫被全卷及保溫被半卷4種情況南側(cè)風(fēng)壓相差不大，但越往北側(cè)，保溫被全卷或半卷會(huì)造成薄膜風(fēng)壓的升高，尤其是屋脊頂部的突然升高。李曉豁[13]的研究，風(fēng)荷載的體型系數(shù)極值通常出現(xiàn)在特殊邊角位置，如迎風(fēng)面東西山墻的頂端屋檐與屋脊，此類(lèi)位置亦是風(fēng)壓激烈變化位置，通常風(fēng)口前緣會(huì)出現(xiàn)最大值，日光溫室屋面其它位置的風(fēng)壓則變化平穩(wěn)[13]。該文模擬結(jié)果與李曉豁[13]研究結(jié)論一致，且該模擬能得到薄膜各個(gè)位置具體風(fēng)載數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確合理。

4 結(jié) 論

保溫被3種位置狀態(tài)風(fēng)壓為保溫被全鋪<保溫被半卷<保溫被全卷，因此保溫被全鋪是最佳的防風(fēng)方案。因各位置方案都是南側(cè)風(fēng)壓高，南側(cè)前屋面鋼骨架底腳拱形段的風(fēng)載最大，達(dá)到1.015×105Pa。新疆北部地區(qū)日光溫室風(fēng)雪荷載的計(jì)算分析[1]由分段式計(jì)算得Wk東南等于0.50 kn/m2，知風(fēng)載極值在前屋面拱形段。此段結(jié)構(gòu)性能對(duì)日光溫室前屋面穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)需要著重計(jì)算和核驗(yàn)。

該模擬將日光溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使用UG 軟件造型，將模型與空氣布爾求差的整體模型導(dǎo)入ANSYS ICEM再網(wǎng)格劃分，得到保溫被4種狀態(tài)薄膜風(fēng)壓，對(duì)比風(fēng)壓變化，該模擬方法能得到溫室各個(gè)位置具體風(fēng)載數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確合理。