化關(guān)瑞，吳堅(jiān)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(diǎn)，已逐漸成為了當(dāng)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(jì)的關(guān)鍵[7]。但是由于某些構(gòu)件的長細(xì)比經(jīng)常達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)劃的要求，在外部荷載的影響下，溫室被風(fēng)吹塌或被雪壓塌的情況經(jīng)常發(fā)生，這就對(duì)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(duì)溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化極為重視，并進(jìn)行了相關(guān)研究。Castellano S等[9]對(duì)歐洲斜屋頂鋼溫室的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了全尺度荷載試驗(yàn)，并對(duì)溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析。Morcous, G等[10]根據(jù)ASCE 7-05標(biāo)準(zhǔn)，建立了一個(gè)普通溫室設(shè)計(jì)的全尺寸模型，并在風(fēng)荷載和雪荷載作用下對(duì)其性能進(jìn)行了分析優(yōu)化。張鷹等[11]對(duì)日光溫室鋼桁架在最不利荷載作用下進(jìn)行了受力試驗(yàn)，得出了鋼桁架的實(shí)際應(yīng)力值，為設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)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(duì)當(dāng)前日光溫室安全性和穩(wěn)定性低的情況，對(duì)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(jìn)行了優(yōu)化分析規(guī)范了建造技術(shù)的要求，達(dá)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(jì)效益，成為了繼續(xù)推進(jìn)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(shí)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(shí)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(duì)太谷縣當(dāng)?shù)毓羌茌^為完整的一個(gè)鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)溫室大棚的基本參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，實(shí)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(fēng)荷載和雪荷載的條件下計(jì)算日光溫室一榀鋼骨架的受力情況。表2為太谷地區(qū)風(fēng)荷載和雪荷載的基本參數(shù)。

表2 太谷地區(qū)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)、雪荷載量隨著時(shí)間的累積在逐漸增加。因此，對(duì)于日光溫室每平方米的荷載承受能力需要進(jìn)一步加強(qiáng)，并要保證日光溫室的耐久性、完整性和安全性，同時(shí)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(diǎn)號(hào)與單元號(hào)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(gè)節(jié)點(diǎn)號(hào)，各節(jié)點(diǎn)均采用焊接，各節(jié)點(diǎn)編號(hào)從桁架前底腳至后坡依次排列(上弦節(jié)點(diǎn)至下弦節(jié)點(diǎn)依次排列)，由圖3b可知，有109個(gè)單元號(hào)。

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(diǎn)號(hào)與單元號(hào)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(jìn)行計(jì)算分析[13]，在各種組合情況下，可以進(jìn)一步得到不同因素對(duì)鋼承載能力的影響效果，其表達(dá)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(jì)值；Rd-結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)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(jì)值確定[14]：

可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值：

(2)

式中：γGi-第j個(gè)永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；γQi-第i個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)；γLi-第i個(gè)可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)；SGjK-按第j個(gè)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值GjK計(jì)算的荷載效應(yīng)值；SGiK按第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值GiK計(jì)算的荷載效應(yīng)值；ψci第i個(gè)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(hào)0、1、22、3分別對(duì)應(yīng)的荷載類型為恒、活、風(fēng)、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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(jìn)行荷載(效應(yīng))組合，并取各自的最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4 應(yīng)力比

應(yīng)力比是指對(duì)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(jì)算分析模型，驗(yàn)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(hào)108處溫室承受的應(yīng)力值最大，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該進(jìn)行加固改進(jìn)。在所有的單元號(hào)中，桿件應(yīng)力比集中分布在單元號(hào)28～37和51附近的范圍內(nèi)且數(shù)值較大，說明單元號(hào)的應(yīng)力值不滿足安全荷載承受應(yīng)力，需要對(duì)其進(jìn)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(fēng)荷載)，需要計(jì)算整體鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和長細(xì)比的幾何變形，進(jìn)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(qiáng)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(dá)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(hào)受到應(yīng)力值較大，對(duì)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(dá)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(hào)需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；繞y方向細(xì)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(xì)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(duì)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(jìn)行驗(yàn)算分析，得到的設(shè)計(jì)驗(yàn)算表(表9)。

圖5 以“強(qiáng)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(qiáng)度應(yīng)力比”統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 statistical results of "intensity stress ratio

表9驗(yàn)算結(jié)果得出了各個(gè)單元號(hào)是否處于安全荷載承受應(yīng)力范圍內(nèi)的分析結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算出了日光溫室承載荷載應(yīng)力的最低控制標(biāo)準(zhǔn)，為骨架的設(shè)計(jì)提供了有效的參考標(biāo)準(zhǔn)。最嚴(yán)控制表見表10，通過對(duì)不滿足結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行優(yōu)化，使溫室鋼結(jié)構(gòu)達(dá)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(jì)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(jì)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(xì)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(xì)比”統(tǒng)計(jì)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(xì)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(xì)比”統(tǒng)計(jì)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(jì)驗(yàn)算結(jié)果表Table 9 Design Check Results Table

表10 最嚴(yán)控制表 (強(qiáng)度和整體穩(wěn)定為(應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度))Table 10 The most tightly controlled TAB (strength and overall stability is (stress/design strength))

在表10中，從109個(gè)單元中選取了7有代表性的單元進(jìn)行優(yōu)化(選取依據(jù)為單元號(hào)的首位兩側(cè)，中間及1/3和2/3處)，在7個(gè)單元中將鋼架與地面接觸的單元0設(shè)置為參考點(diǎn)，其應(yīng)力數(shù)值為0，并對(duì)其它6個(gè)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(jì)結(jié)果，以及表10中的計(jì)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(gè)單元號(hào)上，使得骨架的整體承受能力達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該優(yōu)化方案滿足了溫室鋼骨架結(jié)構(gòu)在風(fēng)雪荷載下的承受能力。

4 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)對(duì)太谷地區(qū)傳統(tǒng)的日光溫室鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，在109個(gè)單元中，有52個(gè)單元號(hào)的應(yīng)力值不滿足安全荷載承受應(yīng)力，且各個(gè)單元號(hào)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(fēng)雪氣候條件下的荷載承受能力。