朱贊彬 侯晨陽(yáng) 龔守富

摘?要：為研究在不同荷載作用下溫室鋼結(jié)構(gòu)的受力變形情況，本文重點(diǎn)對(duì)在2種極端組合荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析。通過(guò)建立溫室鋼結(jié)構(gòu)的三維模型以及溫室恒載、風(fēng)荷載和雪荷載等各種荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響分析計(jì)算，并結(jié)合ANSYS靜力學(xué)分析軟件依次對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施加荷載，得到2種極端荷載組合下整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的受力圖、彈性形變圖以及應(yīng)力云圖，為此類(lèi)溫室的設(shè)計(jì)以及維護(hù)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：玻璃溫室;鋼結(jié)構(gòu);溫室荷載;優(yōu)化分析;ANSYS軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：S625.1?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1006-8023（2021）06-0068-06

Abstract：In order to analyze the stress and deformation of greenhouse steel structure under different loads， this paper mainly analyzed the stress of steel structure under two extreme combined loads. Through the establishment of the greenhouse steel structure three-dimensional model， the greenhouse dead load， wind load， snow load and other loads on the steel structure were analyzed and calculated. Combined with ANSYS statics analysis software， load was applied to the steel structure in turn， and the force diagram， elastic deformation diagram and stress cloud diagram of the whole steel structure under two extreme load combinations were obtained， which provided theoretical reference for the design and maintenance of this kind of greenhouse.

Keywords：Glass greenhouse; steel structure; greenhouse load; optimization analysis; ANSYS software

0?引言

我國(guó)對(duì)溫室的研究多從影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境角度出發(fā)，而針對(duì)溫室結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。不同的溫室在建設(shè)時(shí)其規(guī)模的重要性、耐久性以及失事造成的危害等方面的差別很大[1]。與其他建筑相比，玻璃溫室屬于簡(jiǎn)易設(shè)施類(lèi)型，因而在受到極端天氣影響時(shí)，溫室的鋼結(jié)構(gòu)無(wú)法承受其荷載作用，結(jié)構(gòu)會(huì)遭到損壞[2]。

我國(guó)溫室建造起步較晚，目前溫室建造技術(shù)主要是從國(guó)外引進(jìn)的，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題備受業(yè)內(nèi)重視，國(guó)內(nèi)溫室在建造方面缺乏理論依據(jù)[3-4]。近年來(lái)我國(guó)溫室設(shè)施因極端天氣而遭到破壞，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭到很?chē)?yán)重的損失。如圖1所示。

近年來(lái)我國(guó)諸多學(xué)者對(duì)溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究分析。白義奎等[5]進(jìn)行了新型鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室設(shè)計(jì)與測(cè)試，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化;魏寶發(fā)等[6]結(jié)合抗震抗壓技術(shù)，設(shè)計(jì)出了 248 弓圓型無(wú)立柱日光溫室結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了整個(gè)溫室的抗壓抗風(fēng)性;安巧霞[2]、 陳國(guó)輝等[7]設(shè)計(jì)出了適合高寒地區(qū)的半地下式溫室，半地下式溫室和傳統(tǒng)溫室相比更有利于室內(nèi)環(huán)境的保溫;李石[8]建模分析了北方高寒地區(qū)無(wú)立柱圓弧形前屋面日光溫室的采光問(wèn)題和結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出適用于該地區(qū)的優(yōu)化軟件;林愛(ài)金[9]對(duì)一種桁架結(jié)構(gòu)采用滿(mǎn)應(yīng)力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并且詳細(xì)地闡述了優(yōu)化過(guò)程。

我國(guó)要發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，溫室建設(shè)是發(fā)展基礎(chǔ)。溫室不僅要求有良好的保溫性能，還要有較強(qiáng)的抗風(fēng)抗雪能力。因此，本文對(duì)信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院校內(nèi)玻璃溫室的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用ANSYS有限元軟件對(duì)溫室的鋼結(jié)構(gòu)骨架進(jìn)行靜力學(xué)分析，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1?鋼結(jié)構(gòu)主體框架的建立及荷載計(jì)算

1.1?ANSYS軟件介紹

ANSYS是一種數(shù)值分析軟件，可以用于解決現(xiàn)代工程學(xué)的很多問(wèn)題[10]。ANSYS軟件可以通過(guò)建模建立節(jié)點(diǎn)單元，也可以利用其他繪圖軟件導(dǎo)入建模，該軟件操作較為靈活簡(jiǎn)單[11-12]。在利用軟件分析過(guò)程中，根據(jù)研究對(duì)象，將其劃分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)不同單元，再利用數(shù)值模擬進(jìn)行求解，節(jié)點(diǎn)、單元?jiǎng)澐值臄?shù)量越多，求解結(jié)果也就越精確。對(duì)溫室鋼結(jié)構(gòu)分析屬于靜力線(xiàn)性分析。

1.2?鋼結(jié)構(gòu)主體框架的建立

1.2.1?玻璃溫室的選型

本文研究玻璃溫室選型為三折式雙跨Venlo（文洛型）型玻璃溫室，溫室覆蓋材料選用性?xún)r(jià)比較高的PC板，主體結(jié)構(gòu)材料選用Q235型鋼，以保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該玻璃溫室單跨9.6 m，長(zhǎng)40 m，立柱高3.8 m，開(kāi)間寬4 m，繪制溫室的二維立面圖如圖2和圖3所示。

1.2.2?玻璃溫室鋼結(jié)構(gòu)三維模型的建立

SolidWorks（三維設(shè)計(jì)軟件）是具有可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行放大和縮小功能的軟件，可以利用工具模塊中移動(dòng)不同的面進(jìn)行調(diào)整至所需要的幾何體;還可以通過(guò)調(diào)整模型的基準(zhǔn)面進(jìn)行修改草圖的尺寸大小，修改至所需的三維模型，利用該軟件可以隨時(shí)放大縮小、查看修改幾何體[13]。為了分析節(jié)點(diǎn)間的受力性能，需要對(duì)其建立三維模型[14]，三維模型可以更加直觀(guān)地模擬出實(shí)際的溫室結(jié)構(gòu)狀況，利用該軟件繪制出溫室結(jié)構(gòu)三維圖，如圖4所示。

由于溫室各個(gè)單元受力一樣，因此本文以溫室一個(gè)跨度的一個(gè)開(kāi)間為單位進(jìn)行優(yōu)化分析。通過(guò)分離出的一個(gè)單位三維模型進(jìn)行分析，如圖5所示。

1.3?溫室荷載計(jì)算

溫室的設(shè)計(jì)荷載是溫室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算的前提，是保證溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的重要依據(jù)。有了準(zhǔn)確的溫室設(shè)計(jì)荷載再輔以科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，可以避免所設(shè)計(jì)的溫室發(fā)生因結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致的溫室倒塌;避免因過(guò)大的設(shè)計(jì)荷載得到過(guò)于保守的結(jié)構(gòu)尺寸，導(dǎo)致了鋼材浪費(fèi)與建造成本過(guò)高的問(wèn)題[15]。本文將參考GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[16]和 GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[17]，對(duì)9.6 m跨的玻璃溫室荷載進(jìn)行計(jì)算。

1.3.1?恒荷載

恒荷載指的是使溫室結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力及其他因素。本文研究溫室的屋面覆蓋材料為玻璃，故參照GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，該溫室的恒荷載為：

1.3.2?風(fēng)荷載

風(fēng)荷載是空氣流動(dòng)對(duì)溫室結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力，是溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要荷載之一[18]。本文參照GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，風(fēng)荷載計(jì)算公式為：

式中：W0為基本風(fēng)壓，基本風(fēng)壓取50年一遇風(fēng)壓，取值為0.35 kN/m2;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，地面粗糙度為C 類(lèi)，取值為0.6;μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，當(dāng)μs=0.8時(shí)，風(fēng)荷載Wk1為0.168 kN/m2;當(dāng)μs =0.5 時(shí)，風(fēng)荷載Wk2為0.105 kN/m2。

1.3.3?雪荷載

雪荷載是作用在溫室結(jié)構(gòu)屋面水平投影面上的雪壓，其計(jì)算公式為：

式中：S0為基本雪壓標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2，取20年一遇雪壓，取值為0.44 kN/m2; Ct為加熱影響系數(shù)，取值為1.0;μr為屋面積雪分布系數(shù)。

本文溫室坡度角為28°，參照GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，雪荷載按不均勻分布計(jì)算，當(dāng)μr=1.6時(shí)，雪荷載Sk1為0.704 kN/m2;當(dāng)μr =0.8時(shí)，雪荷載Sk2為0.352 kN/m2。

1.3.4?作物荷載

本文研究的玻璃溫室選取的作物以番茄、黃瓜為主，依據(jù)GB/T 51183—2016規(guī)定，該溫室作物吊重荷載值為Q1=0.15 kN/m2。

1.3.5?施工活荷載

施工活荷載指施加在結(jié)構(gòu)上的由人群﹑物料和交通工具引起的使用或占用荷載和自然產(chǎn)生的自然荷載。參考GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，施工活荷載取值Q2=0.8kN/m2，作用于屋脊節(jié)點(diǎn)上。

1.3.6?荷載組合

依據(jù)各種荷載組合進(jìn)行分析，本文選取以下2種最極端荷載組合進(jìn)行研究。組合①：恒荷載+雪荷載（不均勻分布）+施工活荷載+作物荷載;組合②：恒荷載+風(fēng)荷載（垂直于屋脊方向）+作物荷載。

1.4?溫室鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

現(xiàn)分別計(jì)算上述2種極端荷載組合工況下的受力情況。其受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。

2?基于A(yíng)NSYS的溫室鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)優(yōu)化分析

2.1?荷載組合作用下的鋼結(jié)構(gòu)靜力分析

利用ANSYS有限元軟件對(duì)溫室鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、計(jì)算、分析，使鋼框架結(jié)構(gòu)更加可靠[19]。荷載組合作用下玻璃溫室的鋼結(jié)構(gòu)靜力分析是將上述2種極端荷載組合分別施加在有限元模型上。進(jìn)行加載之后便可以得到這2種荷載組合作用下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。將溫室的組合體進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化生成有限元網(wǎng)格如圖7所示，該結(jié)構(gòu)劃分為44 776個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 082個(gè)單元。

2.2?受力加載

依次對(duì)溫室鋼結(jié)構(gòu)施加荷載，得到2種極端荷載組合下鋼結(jié)構(gòu)受力的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。具體情況如下。

（1）組合①：依次施加作用于整個(gè)屋面上弦的均布雪荷載、下弦的均布作物質(zhì)量、作用于整個(gè)屋脊人字梁平面的均布質(zhì)量以及覆蓋材料的均布質(zhì)量。其各個(gè)力的大小及方向如圖8（a）所示。

（2）組合②：依次施加作用于整個(gè)屋脊的人字梁和覆蓋材料的均布質(zhì)量、作用于立柱的均布質(zhì)量、作用于整個(gè)屋面上弦的均布風(fēng)荷載及下弦的均布作物吊重。其各個(gè)力的大小及方向如圖8（b）所示。

2.3?ANSYS力學(xué)分析

施加相應(yīng)約束與載荷后，2種極端載荷組合下的鋼結(jié)構(gòu)總體應(yīng)變?cè)茍D如圖9所示，最大彈性變形圖如圖10所示，總體應(yīng)力云圖如圖11所示。

由組合①的總體變形圖9（a）得出：節(jié)點(diǎn)最大位移的位置在最外側(cè)人字梁和桁架相接處，節(jié)點(diǎn)最大位移為0.031 4 m。由組合②的變形圖9（b）得出：最大位移的位置為中部人字梁相接部，節(jié)點(diǎn)最大位移為0.018 7 m。通過(guò)上述結(jié)果分析得出，在2種最不利荷載下，鋼結(jié)構(gòu)的變形位移滿(mǎn)足變形要求的條件：鋼結(jié)構(gòu)的最大位移值小于溫室跨度的1.6%，即9.6×1.6%=0.153 6 m[20]，因此滿(mǎn)足變形要求。

分析荷載組合應(yīng)力云圖11得出，組合①的最大應(yīng)力為192.6 MPa;組合②的最大應(yīng)力為203.24 MPa，2種荷載組合下的數(shù)值均小于鋼材的許用應(yīng)力235 MPa[20-21]，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的承載力要求。

通過(guò)比較分析得出，組合①溫室遭到破壞的原因?yàn)椋寒?dāng)溫室的屋面結(jié)構(gòu)受到不均勻的雪壓迫時(shí)，溫室的鋼結(jié)構(gòu)無(wú)法承受，超出溫室鋼結(jié)構(gòu)所能滿(mǎn)足的最大應(yīng)力，從而導(dǎo)致溫室鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，溫室受到損壞。組合②溫室遭到破壞的原因?yàn)椋簻厥医Y(jié)構(gòu)在受到外部風(fēng)力的作用下，溫室內(nèi)的壓強(qiáng)大小基本不變，而溫室外的壓強(qiáng)在風(fēng)力的作用下發(fā)生變化，從而使溫室內(nèi)和溫室外的壓強(qiáng)不同，進(jìn)而導(dǎo)致溫室的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。

2.4?優(yōu)化分析

通過(guò)對(duì)上述加載結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在2種極端荷載組合下，鋼結(jié)構(gòu)的最大變形以及最大應(yīng)力均滿(mǎn)足要求，同時(shí)也確定了此鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在桿件的連接處，為應(yīng)力集中區(qū)域，因此在對(duì)玻璃溫室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)加強(qiáng)此處的強(qiáng)度，同時(shí)防止連接處的焊縫或螺釘?shù)纳P及松動(dòng)。在建造設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度來(lái)加固鋼結(jié)構(gòu)連接處。

3?結(jié)論

本文以9.6 m跨的玻璃溫室為研究對(duì)象，運(yùn)用 ANSYS分析軟件，對(duì)其進(jìn)行了靜力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合溫室設(shè)計(jì)要求及原則，確定了適用于玻璃溫室的2種極端荷載組合，組合①為：恒荷載+雪荷載（不均勻分布）+施工活荷載+作物荷載;組合②為：恒荷載+風(fēng)荷載（垂直于屋脊）+作物荷載。然后運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，建立能反映玻璃溫室基本實(shí)際情況（受力情況與彈性形變）的有限元分析模型。在有限元模型分析軟件中分別加載了2種荷載組合情況，得到了不同荷載組合作用下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，分析得出該溫室的鋼結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足變形和承載要求。本文通過(guò)分析確定了該溫室的最薄弱處，為溫室建造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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