楊升華，劉雪迎，蔣秀根

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

日光溫室作為我國(guó)自主研發(fā)的溫室結(jié)構(gòu)，其造價(jià)低廉、搭建簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保，深受農(nóng)民喜愛(ài)，在北方地區(qū)發(fā)展迅猛，已成為我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)一大主體.目前全球氣候狀況嚴(yán)峻，極端災(zāi)害頻發(fā)，國(guó)家新《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》已將各地風(fēng)雪荷載修訂提升[1].日光溫室對(duì)風(fēng)雪荷載較為敏感，極端天氣下受災(zāi)垮塌時(shí)有發(fā)生，造成較大損失.倒塌原因主要為骨架或承重墻失效.墻體破壞多由水災(zāi)引起，土制后墻浸水變軟[1]，喪失承載能力，引發(fā)結(jié)構(gòu)坍塌[2]；骨架破壞主要由于極端風(fēng)雪荷載作用造成，破壞形式包括部分和整體的強(qiáng)度破壞及失穩(wěn)破壞.日光溫室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致失穩(wěn)破壞為主要失效形式[3].提升溫室骨架安全性，防止其受風(fēng)雪荷載失穩(wěn)破壞，對(duì)保證日光溫室結(jié)構(gòu)安全有重要意義.

目前國(guó)內(nèi)外研究主要為室內(nèi)光、溫、濕度等環(huán)境方面研究[4-5]，在溫室結(jié)構(gòu)安全方面的研究相對(duì)不足；結(jié)構(gòu)研究以溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[6-8]、骨架選材、系桿布置、屋面曲線等優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-11]、風(fēng)雪荷載在溫室結(jié)構(gòu)上的計(jì)算取值為主[12-14].部分學(xué)者還研究了溫室薄膜結(jié)構(gòu)及蒙皮效應(yīng)等對(duì)溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[3,15-16].這些研究都旨在提升未建溫室的抗災(zāi)承載能力，對(duì)已建溫室的救災(zāi)應(yīng)急幫助不大.應(yīng)急措施多為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，包括大風(fēng)災(zāi)害下的日光溫室壓膜措施[17]及水災(zāi)后溫室的維修應(yīng)對(duì)辦法[18]；還有學(xué)者研究了溫室加強(qiáng)板、斜撐等永久骨架加固辦法[19]及可拆卸單柱的溫室抗雪加固辦法[20].總的來(lái)說(shuō)，關(guān)于臨時(shí)加固提升日光溫室結(jié)構(gòu)承載能力的研究很少.臨時(shí)加固作為小成本、高回報(bào)的辦法，用于保證溫室結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)對(duì)突發(fā)頻發(fā)的極端風(fēng)雪災(zāi)害有重要意義.

文中采用ANSYS有限元分析軟件建立模型，模擬日光溫室單榀骨架在風(fēng)荷載、雪荷載、風(fēng)主導(dǎo)的風(fēng)雪荷載以及雪主導(dǎo)的風(fēng)雪荷載4種工況作用下倒塌的全過(guò)程，確定了極端風(fēng)雪災(zāi)害下日光溫室骨架的失穩(wěn)變形規(guī)律，根據(jù)變形規(guī)律找出臨時(shí)加固辦法，并驗(yàn)證其有效性.

1 受災(zāi)失效形式

為研究日光溫室骨架在極端風(fēng)雪荷載下的失效形式，參考國(guó)內(nèi)常用日光溫室結(jié)構(gòu)尺寸，研究模型參數(shù)如下：溫室跨度8 m，脊高3.8 m，后墻高2.6 m，前屋面角30°，后屋面仰角40°.前后拱桿為38 mm×3.0 mm圓管，斜撐為30 mm×2.5 mm圓管，材料為Q235鋼，示意圖如圖1所示.加固頂桿為木制，拉索為尼龍，其尺寸建議將在后文加固辦法中提出.拱桿與后墻、基礎(chǔ)視為固定連接；前后拱桿、拱桿與斜撐桿、拱桿與拉索、拱桿與加固頂桿間均視為鉸接；頂桿下部與基礎(chǔ)為鉸接.

圖1 日光溫室單榀骨架

不同工況下日光溫室結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式如圖2所示，溫室結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線如圖3所示.

圖2 不同工況下日光溫室結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式

圖3 不同工況下日光溫室結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線

1.1 雪載作用

1)失穩(wěn)形狀.雪荷載下日光溫室骨架失穩(wěn)形式如圖2a所示，荷載-位移曲線如圖3a所示.結(jié)構(gòu)受豎向均布荷載，屋面拱失穩(wěn)壓扁.前屋面中下部向左下方沉降，最大位移出現(xiàn)在跨中靠右位置.屋面上部略微上抬，斜撐桿與前屋面連接處附近上抬最為嚴(yán)重.結(jié)構(gòu)向左略微移動(dòng)，平均左移15 mm.整體來(lái)看，骨架坡腳、屋脊及后屋面變形較小，前屋面中下部變形較大.

2)最大位移點(diǎn).結(jié)構(gòu)最大位移點(diǎn)為10號(hào)節(jié)點(diǎn)，位于距坡腳約1/4跨位置，總位移66 mm.危險(xiǎn)點(diǎn)(與最大下沉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)最大上抬點(diǎn))為31號(hào)節(jié)點(diǎn)，位于斜撐前拱桿連接處，總位移25 mm.

1.2 風(fēng)載作用

由于結(jié)構(gòu)和荷載作用形式的影響，造成日光溫室骨架失穩(wěn)的主要為風(fēng)壓力，但風(fēng)吸力也可能對(duì)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律、承載能力帶來(lái)一定影響，所以分析時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)吸效應(yīng).文中日光溫室骨架右側(cè)下半部分受壓(3到14號(hào)節(jié)點(diǎn))，上半部分(15到29號(hào)節(jié)點(diǎn))受吸、后屋面受吸.

1.2.1考慮風(fēng)吸作用

1)失穩(wěn)形狀.考慮風(fēng)吸時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式如圖2b所示，荷載-位移曲線如圖3b所示.結(jié)構(gòu)受垂直于表面的均布荷載，前屋面拱失穩(wěn)壓扁.屋面中下部向左下方沉降嚴(yán)重，最大位移出現(xiàn)在跨中靠右位置，總位移和水平方向分位移均比雪荷載時(shí)大.上部屋面較雪載用作上抬嚴(yán)重，坡腳附近變形也比雪荷載時(shí)嚴(yán)重，屋脊與斜撐間前屋面為危險(xiǎn)位置.后屋面略微上抬，結(jié)構(gòu)整體向左移動(dòng)，平均左移36 mm.

2)最大位移點(diǎn).最大位移點(diǎn)為9號(hào)節(jié)點(diǎn)，位于距坡腳約1/4跨位置處，位移為159 mm.危險(xiǎn)點(diǎn)為斜撐附近27號(hào)節(jié)點(diǎn)，位移為88 mm.

1.2.2不考慮風(fēng)吸作用

1)失穩(wěn)形狀.不考慮風(fēng)吸時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式如圖2c所示，荷載-位移曲線如圖3c所示.參考圖2b可知不考慮風(fēng)吸作用時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形規(guī)律與考慮風(fēng)吸時(shí)基本一致，最大位移點(diǎn)相同.區(qū)別在于不考慮風(fēng)吸時(shí)，前屋面上部上抬較小.通過(guò)對(duì)比荷載位移曲線發(fā)現(xiàn)風(fēng)吸使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)荷載降低.由于風(fēng)吸對(duì)結(jié)構(gòu)變形及承載能力均有不利影響，所以后文研究均考慮風(fēng)吸作用.

2)最大位移點(diǎn).最大位移點(diǎn)仍為9號(hào)節(jié)點(diǎn)，位移為151 mm.危險(xiǎn)點(diǎn)為28號(hào)節(jié)點(diǎn)，位移為72 mm.

1.3 風(fēng)雪組合作用

不同地區(qū)風(fēng)雪荷載嚴(yán)重程度不盡相同，分別將風(fēng)荷載、雪荷載作為風(fēng)雪荷載組合的主導(dǎo)荷載進(jìn)行分析.

1.3.1風(fēng)荷載主導(dǎo)

風(fēng)荷載為雪荷載的1.5倍.

1)失穩(wěn)形狀.風(fēng)主導(dǎo)下風(fēng)雪作用失穩(wěn)形式如圖2d所示，荷載-位移曲線如圖3d所示.結(jié)構(gòu)受組合荷載影響時(shí)，整體變形與風(fēng)荷載單獨(dú)作用基本一致.結(jié)構(gòu)整體左移動(dòng)35 mm，最大位移點(diǎn)與風(fēng)荷載單獨(dú)作用時(shí)相同，位于跨中靠右位置.失穩(wěn)時(shí)，最大位移點(diǎn)及附近變形略小于風(fēng)荷載單獨(dú)作用，大于雪荷載單獨(dú)作用.

2)最大位移點(diǎn).最大位移點(diǎn)為9號(hào)節(jié)點(diǎn)，位移為148 mm.危險(xiǎn)點(diǎn)為28號(hào)節(jié)點(diǎn)，位移為71 mm.

1.3.2雪荷載主導(dǎo)

雪荷載為風(fēng)荷載的1.5倍.

1)失穩(wěn)形狀.雪主導(dǎo)下風(fēng)雪作用失穩(wěn)形式如圖2e所示，荷載-位移曲線如圖3e所示.雖然雪為風(fēng)雪主導(dǎo)荷載，結(jié)構(gòu)整體變形仍與風(fēng)主導(dǎo)時(shí)基本一致.但由于風(fēng)的作用相對(duì)較小，前屋面上部吸力與下部壓力聯(lián)合作用造成的屋頂上抬比風(fēng)主導(dǎo)時(shí)小，坡腳附近的變形也比較小，結(jié)構(gòu)的整體左移26 mm.失穩(wěn)時(shí)，最大位移點(diǎn)及附近變形小于風(fēng)主導(dǎo)下的風(fēng)雪荷載工況，大于雪荷載單獨(dú)作用工況.

2)最大位移點(diǎn).最大位移點(diǎn)為10號(hào)節(jié)點(diǎn)，位移為108 mm.危險(xiǎn)點(diǎn)為28號(hào)節(jié)點(diǎn)，位移為53 mm.

1.4 失效規(guī)律分析

1)失穩(wěn)特征.4種風(fēng)雪工況下溫室結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)規(guī)律基本一致，均為前屋面拱中下部壓扁失穩(wěn).下部壓扁的同時(shí)上部上抬；后屋面略微上抬，結(jié)構(gòu)整體向左略微移動(dòng).區(qū)別在于，有風(fēng)荷載參與荷載組合時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)位移更大，前屋面中下部下沉與上部上抬及坡腳處的變形更為嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)向左的整體位移也比雪荷載作用時(shí)大.雪荷載在參與荷載組合時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)位移有抑制作用，會(huì)減小結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的變形.失穩(wěn)時(shí)結(jié)構(gòu)最大位移按工況由大到小依次為風(fēng)荷載、風(fēng)主導(dǎo)的風(fēng)雪荷載、雪主導(dǎo)的風(fēng)雪荷載、雪荷載.

2)最大變形點(diǎn).4種工況最大變形位置與危險(xiǎn)位置大致相同，均在前屋面拱中下部位.風(fēng)載作用時(shí)候最大變形點(diǎn)為9號(hào)節(jié)點(diǎn)，雪載作用最大變形點(diǎn)為10號(hào)節(jié)點(diǎn)，風(fēng)荷載下最大變形點(diǎn)比雪荷載位置略微右移.風(fēng)主導(dǎo)下風(fēng)雪荷載的最大變形點(diǎn)位置與風(fēng)荷載工況一致，雪主導(dǎo)下風(fēng)雪荷載最大變形點(diǎn)位置與雪荷載工況一致.各工況潛在危險(xiǎn)點(diǎn)均在斜撐與前拱桿連接處上方，有風(fēng)荷載參與的工況坡腳附近可能出現(xiàn)危險(xiǎn).不同載荷作用下最大變形點(diǎn)、最大位移、危險(xiǎn)點(diǎn)、危險(xiǎn)點(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)平均左移如表1所示.

表1 不同工況下日光溫室結(jié)構(gòu)變形情況統(tǒng)計(jì)

2 減災(zāi)對(duì)策

2.1 減災(zāi)措施

日光溫室應(yīng)對(duì)風(fēng)雪災(zāi)害的常見(jiàn)措施有防災(zāi)、抗災(zāi)、消災(zāi)、救災(zāi)4種.防災(zāi)措施通過(guò)正確選址、選型降低溫室可能承載.抗災(zāi)措施指設(shè)計(jì)溫室時(shí)保證其強(qiáng)度剛度足夠，減小破壞可能性.消災(zāi)措施指災(zāi)后及時(shí)掃雪除冰，或通過(guò)破拆覆膜的辦法減小荷載作用面積，消除作用在結(jié)構(gòu)上的災(zāi)害荷載，以應(yīng)對(duì)極端風(fēng)雪天氣.救災(zāi)措施指災(zāi)前結(jié)構(gòu)應(yīng)急加固措施，通過(guò)設(shè)置頂桿、拉索等辦法，限制結(jié)構(gòu)位移，以提高結(jié)構(gòu)整體承載能力.

2.2 加固方法

除救災(zāi)加固措施，另外3種辦法都有一定的局限性，如表2所示.如對(duì)生產(chǎn)生活需要不得不建造日光溫室的風(fēng)雪災(zāi)害地區(qū)，無(wú)論怎樣選址選型都無(wú)法避免受災(zāi)問(wèn)題；很多農(nóng)村在設(shè)計(jì)建造日光溫室時(shí)缺乏科學(xué)指導(dǎo)，承受力與剛度達(dá)不到抗災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)；掃雪除冰需要災(zāi)害過(guò)后，溫室在受災(zāi)中途就可能倒塌；拆除覆膜的辦法基本可以保證骨架安全，但導(dǎo)致作物絕收，仍造成不小的經(jīng)濟(jì)損失.

表2 不同減災(zāi)措施對(duì)比

救災(zāi)加固措施，作為4種方法里通用性最好的一種，只需準(zhǔn)備材料即可對(duì)溫室結(jié)構(gòu)薄弱處提前進(jìn)行加固.由于日光溫室骨架多由大柔度細(xì)長(zhǎng)桿件組成，其主要破壞形式為失穩(wěn)破壞.通過(guò)限制結(jié)構(gòu)大變形處位移，改變結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式，可以很大程度地提升結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)荷載，充分發(fā)揮材料強(qiáng)度.采用臨時(shí)頂桿頂撐或拉索固定等辦法，對(duì)溫室結(jié)構(gòu)受載變形最大處予以支撐，限制結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)變形趨勢(shì)，可以較大程度地提高結(jié)構(gòu)極限承載能力.該方法適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、成本較低，不需要專業(yè)人員工具，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)即可做好災(zāi)前準(zhǔn)備，將經(jīng)濟(jì)損失降到最小.對(duì)建成時(shí)間較長(zhǎng)、承載能力下降的老舊溫室，和受到臺(tái)風(fēng)、暴雪預(yù)警地區(qū)的溫室，有良好的實(shí)踐意義.

3 加固方案及效果驗(yàn)證

根據(jù)不同的災(zāi)害荷載，可在溫室骨架不同位置進(jìn)行加固.研究中加固頂桿均為豎直放置.由前文分析溫室結(jié)構(gòu)受載時(shí)有略向左移動(dòng)的趨勢(shì)，且為了便于頂緊放置，實(shí)際操作中頂桿可略微向右傾斜，對(duì)抗風(fēng)荷載時(shí)傾斜可比對(duì)抗雪荷載時(shí)稍大.

3.1 雪載作用

加固辦法為對(duì)最大位移點(diǎn)10號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頂撐，結(jié)果如圖4-5所示.

雪荷載下單桿加固后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式如圖4a所示，荷載-位移曲線如圖5所示.單桿加固后可大幅減小結(jié)構(gòu)中下部拱的失穩(wěn)變形，原雪載作用下變形最大部位經(jīng)加固后已很安全.但失穩(wěn)荷載提升不大，這是因?yàn)轫敁胃淖兞私Y(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模式，在前屋面靠屋脊處較平部分出現(xiàn)了新的失穩(wěn).新最大位移點(diǎn)為26號(hào)節(jié)點(diǎn)，總位移29 mm.由于承載力僅提升11%，沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)，繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固.

圖4 溫室結(jié)構(gòu)受雪荷載失穩(wěn)形式

增設(shè)雙桿加固失穩(wěn)形式如圖4b所示，荷載-位移曲線如圖5所示.最大變形部位由屋脊附近變成跨中.14號(hào)節(jié)點(diǎn)為最大位移點(diǎn)，總位移32 mm.承載力提升47%.根據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[21]，多數(shù)地區(qū)二十年一遇雪荷載比十年一遇大10%～20%.日光溫室設(shè)計(jì)使用年限為10 a，假設(shè)溫室強(qiáng)度達(dá)到R10，加固后已足夠應(yīng)對(duì)R30以上荷載.

圖5 溫室結(jié)構(gòu)雪荷載-位移曲線

增設(shè)3桿加固后失穩(wěn)形式如圖4c所示，荷載-位移曲線如圖5中所示.對(duì)極端雪災(zāi)，或本身承載能力下降較多溫室，可在雪災(zāi)時(shí)在跨中繼續(xù)增加頂撐，失穩(wěn)荷載可以提升129%，可留作應(yīng)急預(yù)案.3桿頂撐后最大位移點(diǎn)變?yōu)榻履_處6的號(hào)節(jié)點(diǎn)，總位移39 mm.

3.2 風(fēng)載作用

加固辦法為對(duì)最大位移9號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頂撐，對(duì)27號(hào)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行拉緊，結(jié)果如圖6-7所示.風(fēng)荷載下單桿加固后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式如圖6a所示，荷載-位移曲線如圖7所示.同雪荷載下單桿頂撐，支撐可以有效減小前屋面中下部拱的變形，失穩(wěn)荷載提高154%.由于風(fēng)與雪荷載的作用方向不同，且考慮風(fēng)吸影響，支撐后最大位移點(diǎn)26號(hào)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在未經(jīng)加固時(shí)風(fēng)載作用危險(xiǎn)點(diǎn)附近，總位移56 mm，結(jié)構(gòu)上抬失穩(wěn).

單桿加拉索加固后失穩(wěn)形式如圖6b所示，荷載-位移曲線如圖7所示.由于無(wú)加固時(shí)結(jié)構(gòu)前屋面中下部受風(fēng)壓失穩(wěn)，拉緊上部危險(xiǎn)點(diǎn)并不能有效限制最大變形點(diǎn)的位移，單純使用拉索對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力提升很小，所以拉索與頂桿同時(shí)使用；拉索上部綁扎在上抬最大位置，下部綁扎于骨架與后墻連接處即可.加固后，由于拉索限制了屋面上部位移，新的最大變形部位出現(xiàn)在無(wú)加固時(shí)風(fēng)載潛在危險(xiǎn)點(diǎn)坡腳附近，5號(hào)節(jié)點(diǎn)為最大位移點(diǎn)，總位移34 mm，承載能力提高164%.

圖7 溫室結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載-位移曲線

研究中采用12 mm尼龍繩作為拉索，布置后可使26號(hào)危險(xiǎn)點(diǎn)位移減小27 mm.選用5和20 mm尼龍繩再次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)可使該點(diǎn)位移分別減小12和39 mm.較細(xì)的5 mm尼龍繩約束后最大變形點(diǎn)仍為26號(hào)節(jié)點(diǎn)，12和20 mm尼龍繩約束后最大變形點(diǎn)變?yōu)槠履_處6號(hào)節(jié)點(diǎn).粗尼龍繩抗拉剛度大，更好地限制結(jié)構(gòu)的位移，不同粗細(xì)的繩索下骨架失穩(wěn)模式雖然改變，但承載能力幾乎不變，均較單桿加固有一定提升，但提升不明顯.一般情況下，拉索可設(shè)置在溫室外用于壓緊覆膜，防止風(fēng)吸造成薄膜鼓包，有良好效果.但由于其材料便宜、操作簡(jiǎn)便，必要時(shí)也可用于骨架加固，安裝后即可長(zhǎng)期保持，無(wú)需拆卸.

雙桿加拉索加固后失穩(wěn)形式如圖6c所示，在增加拉索后再在坡腳附近增設(shè)一道頂桿.可使承載力提升300%，新的最大變形位置出現(xiàn)在跨中，12號(hào)節(jié)點(diǎn)為最大位移點(diǎn)，總位移35 mm.

圖6 溫室結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載失穩(wěn)形式

3.3 風(fēng)雪組合作用

3.3.1風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)雪荷載

加固辦法為對(duì)最大位移9號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頂撐，結(jié)果如圖8-9所示.風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)雪荷載下單桿加固后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式如圖8a所示，荷載-位移曲線如圖9所示.加固后的新失穩(wěn)形式與單獨(dú)風(fēng)雪荷載作用時(shí)都不相同.支撐大幅減小了前屋面拱下部的位移，但在跨中部分仍有較大的變形.由于風(fēng)雪荷載組合作用，屋脊附近的風(fēng)吸力減輕了雪的豎向壓力，雪壓又抑制了風(fēng)吸造成的屋面上抬，所以風(fēng)雪組合工況屋面上部的潛在危險(xiǎn)點(diǎn)位移較風(fēng)雪單獨(dú)作用時(shí)小，單桿加固后原危險(xiǎn)點(diǎn)并不會(huì)成為新的最大變形點(diǎn).所以支撐效果相對(duì)風(fēng)雪單獨(dú)作用時(shí)更好，承載能力提升245%.新最大位移點(diǎn)為13號(hào)節(jié)點(diǎn)，總位移64 mm.

跨中增設(shè)雙桿加固后失穩(wěn)形式如圖8b所示，荷載-位移曲線如圖9所示.屋面中上部整體變形減小，靠近坡腳處變形增大.6號(hào)節(jié)點(diǎn)為新最大變形點(diǎn)，總位移39 mm，支撐后承載能力提升273%.可見(jiàn)風(fēng)主導(dǎo)下的風(fēng)雪荷載單桿加固后即可取得很好效果，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已充分利用，雙桿加固對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載能力提升不大.

圖8 溫室結(jié)構(gòu)受風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)雪荷載失穩(wěn)形式

圖9 溫室結(jié)構(gòu)風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)雪荷載-位移曲線

3.3.2雪主導(dǎo)風(fēng)雪載荷

加固辦法為對(duì)最大位移點(diǎn)10號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頂撐，結(jié)果如圖10-11所示.雪主導(dǎo)風(fēng)雪荷載下單桿加固后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式如圖10a所示，荷載-位移曲線如圖11所示.與風(fēng)主導(dǎo)時(shí)風(fēng)雪荷載不同，加固后結(jié)構(gòu)最大變形點(diǎn)出現(xiàn)在坡腳而非跨中，前屋面中上部整體變形減小，新的最大位移點(diǎn)為6號(hào)節(jié)點(diǎn)，總位移47 mm.失穩(wěn)荷載提升203%，效果良好.

在坡腳增設(shè)加雙桿加固后，失穩(wěn)形式如圖10b所示，荷載-位移曲線如圖11所示.加固后坡腳變形減小，跨中變形增大.最大位移點(diǎn)變?yōu)?3號(hào)節(jié)點(diǎn)，總位移210 mm，失穩(wěn)荷載提升264%.

圖10 溫室結(jié)構(gòu)受雪主導(dǎo)風(fēng)雪荷載失穩(wěn)形式

圖11 溫室結(jié)構(gòu)雪主導(dǎo)風(fēng)雪荷載-位移曲線

3.4 通用方法

由上述分析可得，任意荷載組合下都為前屋面拱9、10號(hào)節(jié)點(diǎn)首先壓潰失穩(wěn).因此所有情況下都可在9號(hào)節(jié)點(diǎn)附近，約靠近坡角1/4跨處進(jìn)行加固頂撐.加固此處后結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載、風(fēng)雪組合荷載承載能力都有較大的提升，但對(duì)雪荷載承載能力提升不夠理想.除雪荷載時(shí)在屋脊附近加用雙桿外，其他荷載均可采用單桿通用加固辦法.

3.5 加固選材

選材時(shí)應(yīng)遵守易獲取、低成本的原則.推薦將尼龍繩和木桿作為加固材料.兩種材料皆為非線性材料，研究中簡(jiǎn)化為線性分析.尼龍拉索彈性模量取3.8 GPa，抗拉強(qiáng)度50 MPa,泊松比0.4.木頂桿為順紋方向受力，取木材順紋抗壓強(qiáng)度50 MPa，彈性模量9 171 MPa，泊松比0.36[22].

3.5.1拉 索

對(duì)抗風(fēng)拉索，一般尼龍材料的抗拉強(qiáng)度在50 MPa以上，本研究中選取的20 mm拉索最大應(yīng)力為9.5 MPa，12 mm拉索應(yīng)力最大應(yīng)力為18 MPa，5 mm拉索的最大應(yīng)力為32 MPa，強(qiáng)度均可滿足要求.過(guò)細(xì)的繩索變形較大且強(qiáng)度不夠，為便于采取進(jìn)一步加固措施，建議選取12 mm以上尼龍繩作為拉索，長(zhǎng)度按實(shí)際固定位置修剪即可.

3.5.2頂 桿

不同工況下頂桿位置與承受荷載大小均不相同.按長(zhǎng)度大致可分為分為長(zhǎng)、中、短、超短4種.長(zhǎng)頂桿用于前屋面靠近屋脊處加固，中頂桿用于跨中處加固，短頂桿用于距坡腳1/4跨處加固，超短頂桿用于坡腳起1/8跨加固.對(duì)于本研究中的溫室，長(zhǎng)頂桿統(tǒng)一取3.6 m，中頂桿2.8 m、短頂桿2.0 m、超短頂桿1.2 m，實(shí)際使用時(shí)大概測(cè)量對(duì)應(yīng)水平位置的高度即可.由于單桿加固對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載、風(fēng)雪組合荷載承載能力提升都較好，后續(xù)加固都基于次基礎(chǔ)上，應(yīng)多準(zhǔn)備2.0 m左右的短頂桿，其次為雪災(zāi)雙柱加固所需長(zhǎng)頂桿，其余頂桿按需準(zhǔn)備.由于加固后結(jié)構(gòu)承載能力提升較大，多數(shù)情況不需發(fā)揮結(jié)構(gòu)全部承載能力，分析時(shí)取各工況下頂桿最大軸力的70%作為頂桿荷載.根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，最大承載4 332 N只需要r=0.6 cm桿件即可滿足抗壓要求.但因?yàn)轫敆U為細(xì)長(zhǎng)桿件，下端與基礎(chǔ)連接為半剛性連接，其剛度低于固接，分析時(shí)為安全起見(jiàn)簡(jiǎn)化為鉸接，實(shí)際情況下頂桿仍能承受一定彎矩，也有受災(zāi)斷裂的情況.所以對(duì)給頂桿初始缺陷后，亦對(duì)頂桿進(jìn)行極限承載下的失穩(wěn)分析，結(jié)果如表3所示.推薦尺寸r為圓頂桿在下端固接時(shí)受最大承載而不發(fā)生失穩(wěn)破壞的最小半徑.

由于實(shí)際材料、荷載狀況都有一定差異，桿件不一定需參照表3選取.但從分析中可以看出，考慮失穩(wěn)時(shí)桿件所需尺寸明顯大于只考慮強(qiáng)度時(shí)的尺寸；各種荷載下短頂桿的負(fù)荷都較大.由于短桿受力較大，長(zhǎng)桿長(zhǎng)度較大，使用時(shí)易產(chǎn)生失穩(wěn)危險(xiǎn)，所以可適當(dāng)增加此二類頂桿直徑，保證其截面積足夠即可.

表3 頂桿位置及尺寸建議

4種工況下日光溫室臨時(shí)加固方法與加固前后承載能力對(duì)比如表4所示.

表4 4種工況下不同加固措施對(duì)比結(jié)果

4 結(jié) 論

1)各種風(fēng)雪荷載作用下，日光溫室失效模式均為前屋面中下部壓扁失穩(wěn)，不同工況下失穩(wěn)荷載與變形規(guī)律有一定區(qū)別.風(fēng)荷載參與荷載組合時(shí)結(jié)構(gòu)位移更大，局部變形更為明顯.雪荷載參與荷載組合時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)位移有抑制作用，減小結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)變形.

2)采用臨時(shí)加固的辦法可以有效提升日光溫室的風(fēng)雪承載能力.分析表明，對(duì)不同風(fēng)雪荷載，初次加固位置均為前屋面中下部分；根據(jù)實(shí)際情況、加固效果，可采用進(jìn)一步的加固辦法.雪荷載作用時(shí)，加固辦法使結(jié)構(gòu)承載力提升11%～129%，一般雪載情況下雙桿加固即可.風(fēng)荷載作用時(shí)，加固辦法使結(jié)構(gòu)承載力提升154%～300%，主要單桿加固即可.特大風(fēng)災(zāi)可采用雙桿加固搭配拉索.風(fēng)主導(dǎo)的風(fēng)雪荷載作用時(shí)，加固辦法使結(jié)構(gòu)承載力提升245%～273%，雪主導(dǎo)的風(fēng)雪荷載作用時(shí)，加固辦法使結(jié)構(gòu)承載力提升203%～264%.一般情況下采用單桿加固即可充分利用材料強(qiáng)度.

3)對(duì)風(fēng)雪頻發(fā)疊發(fā)、不便區(qū)分大小的地區(qū)，應(yīng)對(duì)雪荷載至少應(yīng)使用雙桿加固.其余情況可采用單桿加固距坡腳1/4跨位置作為日光溫室結(jié)構(gòu)的通用加固辦法.