郭艷玲　李石　陳國(guó)輝

摘要 為了研究后屋面水平投影長(zhǎng)度對(duì)節(jié)能型日光溫室性能的影響，以北方高緯度日光溫室為研究對(duì)象，分析了哈爾濱日光溫室合理的前屋面角。在確保日光溫室采光性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維分析，討論了后屋面水平投影長(zhǎng)度對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)安全性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)于北方高緯度地區(qū)常用的脊跨比為1∶2的日光溫室，當(dāng)后屋面水平投影長(zhǎng)與脊高之比為24%～25%時(shí)，日光溫室結(jié)構(gòu)比較合理。前屋面角大于哈爾濱最小前屋面角29.2°，有利于日光溫室的采光和積雪的滑落，鋼結(jié)構(gòu)承載能力比較好，是適合課題組即將建設(shè)的北方高緯度地區(qū)的日光溫室結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 后屋面水平投影；日光溫室；ANSYS；高緯度地區(qū)

中圖分類號(hào) S625 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）05-01555-03

Abstract In order to study the effects of the horizontal projection length of the roof on the energy-saving solar greenhouse performance， with the greenhouse in the northern high latitudes as the study， based on the analysis of the former Harbin reasonable greenhouse roof angle to ensure that greenhouse lighting performance， the three-dimensional analysis was conducted on greenhouse structure with application of ANSYS software， the influence to the structural safety performance of greenhouse were studied. The results show that： for the northern high latitudes common ridge span ratio of 1∶2 greenhouse， when the rear horizontal projection of the roof ridge length and height ratio of 24% to 25%， the greenhouse structure is more reasonable. Front roof angle relatively large is conducive to greenhouse lighting and snow fall， while steel has better carrying capacity that is suitable for the construction of a greenhouse in northern high latitudes area.

Key words Roof horizontal projection； Solar greenhouse； ANSYS finite element； High latitude region

目前已建造的日光溫室，主要還是憑借以往的建造經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定后屋面水平投影的長(zhǎng)度。傳統(tǒng)的溫室設(shè)計(jì)，后屋面水平投影一般取其跨度長(zhǎng)的20% ～ 30%[1]。由于缺少這方面的科學(xué)研究，各地區(qū)在建設(shè)日光溫室時(shí)，對(duì)該值的取值一直都有爭(zhēng)議。日光溫室后屋面水平投影的長(zhǎng)短，直接影響日光溫室的采光性能和內(nèi)部的保溫性能[2]。在一定條件下，日光溫室后屋面水平投影越長(zhǎng)，日光溫室的保溫性能越好，但當(dāng)太陽(yáng)高度角較大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致日光溫室后屋面遮光，使日光溫室后部出現(xiàn)大面積陰影，影響栽培作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，而且日光溫室后屋面越長(zhǎng)，日光溫室前屋面的采光面將越短，從而造成內(nèi)部部分采光不足。當(dāng)日光溫室后屋面短時(shí)，日光溫室內(nèi)部采光非常好，但是保溫性能卻大大降低，造成日光溫室白天升溫快，夜間降溫也快的問(wèn)題[3-4]。為此，研究后屋面水平投影長(zhǎng)度對(duì)日光溫室性能的影響，對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。課題組特針對(duì)即將在高緯度地區(qū)哈爾濱市建造的節(jié)能型日光溫室進(jìn)行了前期模擬與分析，考慮了哈爾濱地區(qū)獨(dú)特的地理氣候等條件，研究了后屋面水平投影長(zhǎng)度對(duì)日光溫室內(nèi)部采光性能的影響，并利用ANSYS計(jì)算并分析了其對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)安全的影響，提出了合理的后屋面水平投影長(zhǎng)度模型。

1 日光溫室場(chǎng)地情況

節(jié)能型日光溫室的場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，場(chǎng)地總長(zhǎng)60 m，寬10 m，有一段能利用的2.5 m后墻。在北方高緯度地區(qū)，采光保溫和結(jié)構(gòu)安全是日光溫室面臨的主要問(wèn)題。因此采用無(wú)立柱圓弧形前屋面節(jié)能日光溫室較為適宜[5-6]，無(wú)立柱是為了方便大型設(shè)備的工作及管理人員的活動(dòng)，圓弧形前屋面是為了日光溫室內(nèi)部的采光和冬天積雪的滑落，后屋面是為了提高日光溫室保溫、承重和防水的性能[7-8]。準(zhǔn)備用40 mm×60 mm實(shí)心方鋼管搭建日光溫室鋼骨架，材料楊氏模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，準(zhǔn)備用10 mm厚聚碳酸酯中空板（PC板）為覆蓋材料。

2 理論分析

2.1 采光研究

前屋面角每增加1°時(shí)，會(huì)使室內(nèi)接收太陽(yáng)能增加5.47 KJ/d·m（3 648.4 KJ/d·畝）[15]。所以，前屋面角在一定范圍內(nèi)越大，冬季接受的輻射越多，蓄熱就越多。從表1中可以看出，20%～22%后屋面投影所產(chǎn)生的前屋面角小于哈爾濱地區(qū)建造日光溫室的最小前屋面角度29.2°，所以不予考慮。

4 有限元分析

4.1 有限元的單元?jiǎng)澐?/p>

取該節(jié)能型日光溫室其中一個(gè)重復(fù)單元，以鋼骨架、覆蓋PC板組成的整體為研究對(duì)象。其中，骨架選用beam4（空間梁?jiǎn)卧?，覆蓋PC板選用shell63（彈性殼單元）。所有材料均考慮為線彈性，各向同性，在骨架底部施加約束條件，將各方向自由度約束，各桿件鏈接視為剛接。對(duì)日光溫室?guī)缀文Ｐ瓦M(jìn)行smart size網(wǎng)格劃分，結(jié)果為單元數(shù)83個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)104個(gè)，如圖2所示。

4.2 計(jì)算 在日光溫室總長(zhǎng)度、跨距、脊高、前窗高度、后墻高度保持不變的前提下，以后屋面水平投影長(zhǎng)度為變量，計(jì)算范圍為跨度長(zhǎng)的23% ～ 30%，以1%為跨度，對(duì)得到的日光溫室模型施加最危險(xiǎn)荷載組合，進(jìn)行有限元分析，分別得到不同后屋面水平投影對(duì)應(yīng)的新日光溫室一個(gè)重復(fù)單元模型的合位移等值線圖和等效應(yīng)力場(chǎng)等值線圖，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 有限元結(jié)果分析

日光溫室結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要是Q235沸騰鋼，這種鋼材是按照機(jī)械性能供應(yīng)，即保證鋼材的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率滿足國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。這種鋼材在使用、加工和焊接等方面性能都比較好，生產(chǎn)量大，取材容易，非常適合溫室對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的要求，這種鋼材也大量應(yīng)用于工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)中。由于計(jì)算時(shí)參考的是50年一遇的極端天氣情況，所以計(jì)算出的變形和受力會(huì)比較大。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取安全系數(shù)為1.25，許用應(yīng)力為235 MPa，溫室工程設(shè)計(jì)的剛度要求是最大相對(duì)位移控制在跨度的1.6%之內(nèi)。

從表2中可以看出，當(dāng)后屋面投影長(zhǎng)與跨度之比為23%、26%、27%、28%、29%、30%時(shí)，節(jié)點(diǎn)中最大應(yīng)力均超出鋼的許用應(yīng)力235 MPa，此日光溫室結(jié)構(gòu)在50年一遇的極端天氣情況下存在安全隱患。當(dāng)后屋面投影長(zhǎng)與跨度之比為24%與25%時(shí)，節(jié)點(diǎn)中最大應(yīng)力分別為204 MPa與222 MPa，均小于鋼的許用應(yīng)力。

因此，當(dāng)后屋面投影長(zhǎng)與跨度之比為24%～25%時(shí)，日光溫室結(jié)構(gòu)最合理。此時(shí)，日光溫室在最危險(xiǎn)荷載組合下的總體變形圖和等效應(yīng)力場(chǎng)等值線圖，分別如圖3、4所示，其中等效應(yīng)力場(chǎng)等值線圖是彎曲應(yīng)力圖和軸向應(yīng)力圖的疊加。

5 結(jié)論

（1） 對(duì)于此類型脊跨比為1∶2的無(wú)立柱圓弧形前屋面日光溫室，當(dāng)后屋面投影長(zhǎng)與跨度之比為24%～25%時(shí)，日光

溫室結(jié)構(gòu)比較合理，是適合北方高緯度地區(qū)地理氣候條件的

日光溫室，課題組可按此比例進(jìn)行建造。

（2） 此時(shí)日光溫室的前屋面角30°±0.5°，滿足哈爾濱地區(qū)建造日光溫室的前屋面角度要求29.2°，對(duì)日光溫室的內(nèi)部采光較為有利，同時(shí)也有利于積雪從圓弧形前屋面上滑落。

（3） 此時(shí)的日光溫室結(jié)構(gòu)在在骨架承載能力、受載后的變形等指標(biāo)上比較好，50年一遇的危險(xiǎn)荷載情況下也不會(huì)超標(biāo)，保證了日光溫室的整體安全性。

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