范 彬，何 斌，2

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100）

0 引言

隨著日光溫室結構的跨度越來越大，安全問題日益受到重視[1]。日光溫室的力學負荷情況是一個比較復雜的問題，負荷的種類主要有為滿足保溫需求所覆蓋的荷載，也有由于天氣因素造成的雨雪荷載，以及作業(yè)人員的體重荷載。每種負載在溫室上的受力點、受力范圍不同，對溫室整體強度均有影響[2]。因風雪荷載是溫室設計的主要荷載，實際作用在溫室結構上往往表現(xiàn)為不確定性，所以在極端自然災害下易使溫室結構出現(xiàn)變形、發(fā)生破壞[3]。因此，在風雪耦合作用下，溫室骨架的動力響應也是必須考慮的一個重要問題。

目前，國內外學者在日光溫室荷載計算中，關于風雪荷載的處理方式基本采用規(guī)范方式，等效為靜力荷載簡化計算。未考慮按動風荷載與雪荷載耦合更能反映其真實情況，體現(xiàn)溫室結構在時域上的影響。張世葉利用有限元分析軟件，提出了日光溫室的骨架結構改進的方案，對8 m跨度的無柱式日光溫室弧形鋼架進行靜力分析，結果表明雖然布置在墻體后端的拉桿承受的應力較大[4]，但在動荷載作用下應力較大位置是否與靜力一致方面未做考慮。姜迎春對不同風速先后做出數值模擬，并對日光溫室骨架結構的動力響應進行了分析，得出脈動風荷載作用時的節(jié)點位移和截面應力大于平均風荷載作用的相應值，為在日光溫室骨架結構的動力響應分析過程中需要考慮脈動風荷載的影響，提出了理論依據[5]，但未考慮動風荷載與雪荷載的耦合。本文研究了典型日光溫室骨架結構在風雪耦合作用下的動力響應，將風雪耦合按動荷載和靜荷載作用時的計算結果進行對比，并進一步研究了溫室骨架在動荷載作用下的位移響應。

1 日光溫室骨架

為研究日光溫室骨架結構在風雪耦合作用下的動力響應，以楊凌地區(qū)某一日光溫室為例，并參考優(yōu)型日光溫室結構參數[6]，將研究模型參數確定如下：溫室跨度9 m，脊高4.9 m，后墻高3.2 m，前屋面角32°，后屋面仰角45°。本文所研究的9 m跨度日光溫室骨架結構形式為弧形雙管構造。上弦外徑為33.5 mm，壁厚4.25 mm，下弦外徑為21 mm，壁厚3 mm。弧形雙管的上下弦之間通過φ12鍍鋅鋼筋按一定角度雙向交錯相連。所有鋼材均為Q235鋼材。溫室骨架共有60個節(jié)點（圖1）。

圖1 日光溫室骨架結構示意圖

2 風速時程模擬

2.1 AR模擬方法

在一定時域內，對結構實施風荷載動力響應分析的前提是必須有相應的風速時程曲線，線性自回歸濾波器（AR）法是一種比較好的模擬方法。近年來，因其計算量小和速度快[7]，在大跨度空間結構的風速時程模擬中已取得了廣泛應用[8]。而對于大跨度空間結構，因為其自由度較多，所以在風流經結構表面時往往表現(xiàn)出明顯的時空相關性[9]。

2.2 AR模型理論

在時間序列分析方法中，AR模型是使用最多的一類模型[10]。脈動風速時程本質上是隨機時間系列，具有空間相關性的M個點的脈動風速時程V（X，Y，Z，t）列向量AR模型可表示為：

式中，（Xi，Yi，Zi）空間第i點坐標；

P為AR模型階數；

Δt為模擬風速的時間步長，

ψk為AR模型自回歸系數矩陣，

N（t）為獨立隨機過程向量。

2.3 模型參數

本文引入AR模型理論，并采用MATLAB工具，成功模擬出了溫室鋼骨架各節(jié)點的隨機風速時程曲線。模型主要參數如下：平均風速模型為指數律模型，脈動風速譜類型為Davenport譜，AR法模型的回歸階數P=4，時間步長△t=0.1 s，模擬時長t=60 s，地面粗糙度k=0.003，假定10 m高度標準風速為v10=23.5 m/s，豎向衰減系數Cz=5。節(jié)點18、38、54在標準風速v10=23.5 m/s時的風速時程曲線（圖2）。通過對比節(jié)點38的模擬風速功率譜與Davenport脈動風速功率譜（圖3），得出以下結論：模擬風速功率譜的變化趨勢與采用的目標功率譜吻合效果比較好，對日光溫室骨架結構不同節(jié)點的風速時程的模擬結果也是可信的。

圖2 各節(jié)點風速時程曲線

圖3 模擬功率譜與目標功率譜對比

2.4 風荷載時程

利用風速風壓轉換公式，將經過模擬得到的風速時程轉換為風壓時程，然后把各節(jié)點的風壓時程分別乘以其代表模擬區(qū)域的迎風面積，即可得出該節(jié)點的風荷載時程。風速風壓轉換公式：

式中，Pi（t）為節(jié)點i處的風壓；

Cpi壓力系數；

ρ為空氣密度；

Vi（t）為瞬時風速。

3 結果與分析

將來流方向垂直于日光溫室前屋面吹向日光溫室時的風向角定義為90°，并按順時針方向逐漸增加（圖4）。

同時，總結有關載荷分析理論，選擇了最適合該9 m跨度日光溫室的四種風雪荷載組合情況：①前后屋面作用均勻分布雪荷載（90°風向角），②前后屋面作用均勻分布雪荷載（270°風向角），③前后屋面作用非均勻分布雪荷載（90°風向角），④前后屋面作用非均勻分布雪荷載（270°風向角）。在有限元模型上加載上述4種荷載形式，并逐項計算所獲得的位移響應。

利用有限元分析軟件，計算溫室結構各個節(jié)點在上述4種風雪荷載組合作用下的非線性動力響應。結構計算模型中21節(jié)點、44節(jié)點在標準風速為23.5 m/s時的數值分析結果（圖5）?？梢钥闯?，不同節(jié)點的時程位移在不同風雪荷載組合下隨時間變化，具有明顯的不一致性和非固定關系性，這是由于動荷載在空間和時間上的隨機性造成的。

圖5 4種荷載形式下溫室結構節(jié)點位移時程曲線

分析可知，首先，不管雪荷載是否均勻分布，90°風向角下溫室骨架的位移響應值明顯大于270°風向角作用時的位移響應值。其次，90°風向角下溫室骨架在作用非均布雪荷載時的位移響應值也大于均勻雪荷載作用情況（圖6）。

圖6 90°風向角下溫室結構整體位移時程曲線

日光溫室下骨架結構的位移相應（表1）。分析可知，首先，前后屋面作用非均勻分布雪荷載（90°風向角）時的位移響應值比作用均勻分布雪荷載（90°風向角）高14.5%，這是因為不均勻分布的雪荷載作為不利因素起主要作用的結果。同理，前后屋面作用非均勻分布雪荷載（270°風向角）時的位移響應值比前后屋面作用均勻分布雪荷載（270°風向角）高44.2%。所以，在分析風雪共同影響下對構造的動力響應時，有需要考察積雪的不均勻分布。其次，前后屋面作用非均勻分布雪荷載（90°風向角）時的位移響應值比前后屋面作用非均勻分布雪荷載（270°風向角）高141.5%，這是因為風荷載作為不利因素起主要作用的結果。同理，前后屋面作用均勻分布雪荷載（90°風向角）時的位移響應值比前后屋面作用均勻分布雪荷載（270°風向角）高203.9%。

4 結論

1）風荷載和雪荷載共同作為動力荷載時，各節(jié)點的時程位移最大值遠大于作為靜荷載的靜力位移，說明按動荷載計算與結構實際變形狀況更接近，那么，把風雪耦合作用按動荷載考慮的計算結果將更加準確。

2）90°風向角作用下的前后屋面均作用雪荷載時，不管是均勻分布雪荷載作用還是不均勻分布雪荷載作用，日光溫室骨架結構的位移動力響應值最大。而270°風向角作用下的前后屋面均作用雪荷載組合情況，溫室結構的位移動力響應值最小。

3）無論何種風向角下，前后屋面作用非均勻分布雪荷載時的位移響應值都比作用均勻分布雪荷載高，這是不均勻分布的雪荷載作為不利因素起主要作用的結果。所以，在探討與風雪聯(lián)合影響下對構造的動力響應時，有必要考察積雪的不均勻分布。