Ansys/LS—Dyna在抗台风竹木结构大棚设计中的应用

徐群　应小刚　赵银海

摘要：目前，大部分的农用塑料大棚为竹木结构，存在棚内柱子多，作业不方便，特别针对沿海地区，抗台风能力差，稳定性不够的问题尤为突出。但由于大棚的规范措施滞后，各类大棚的设计制造，尤其是设计、选型和配套技术还不成熟。本文针对竹木结构大棚在抗台风设计中没有现有规范的情况下，采用Ansys/LS-Dyna对竹木结构大棚进行整体框架的建立，计算和模拟，找到大棚设计建造中的薄弱环节，供设计人员参考。

关键词：Ansys/LS-Dyna；抗台风；竹木结构；塑料大棚

中图分类号：F303.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）17-0083-02

一、引言

从20世纪80年代，国内外学者开始风荷载作用下大棚结构承载力的研究。Well和Hoxey进行了五种形状的玻璃大棚在自然风条件下超过90度范围的全尺寸模型实验研究，考虑了风的方向的短时改变。Moran对大棚（27.8m×21.5m）进行了全尺寸风压实验研究，显示建筑的几何效应对风载压力系数的关系；Richardsan针对设与不设防风篱情况下的塑料薄膜大棚的风荷载进行了全尺寸实验研究，并对可渗透风的防风篱对连栋大棚小环境和连栋大棚结构的影响进行了深入的研究。2000年，周长吉在风、雪载荷分级方面取得了较大的成果。2012年，汤庆等设计出了一种新型的双层拱架结构塑料大棚，工况选择分为雪载与恒载结合及风载与恒载结合两种情况，对该结构的骨架进行了受力分析。该分析方法对大棚结构设计人员进行结构研究设计起到了指导性的作用。目前，我国正处在大棚设施大力发展的阶段，在农业生产中，出现了多样的大棚结构。但由于大棚的规范措施滞后，各类大棚的设计制造，尤其是选型、设计和配套技术还不成熟。目前，大部分的农用塑料大棚为竹木结构，存在棚内柱子多，作业不方便，特别针对沿海地区，抗台风能力差，稳定性不够的问题尤为突出。浙江省2012年的大棚葡萄产量达到60万吨，产值达到25亿元，但台风造成的葡萄损失达到几个亿。这暴露出目前大棚结构设计中存在的严重问题，且不说很多毁坏严重的为简易的竹木结构大棚，包括很多连栋大棚，在设计造型上也存在弱点，特别是顶通风的连栋大棚，其拱棚上都未设置压模线，顶上的棚膜仅靠几道卡槽力固定，强度较低。正规厂家生产的连栋大棚虽然钢质骨架的强度较大，但成本高，防腐解决不了，普通农民也很难承受高成本。如何在节约成本的情况下对现有竹木结构进行抗台风的优化设计是目前亟待解决的重要问题，目前国内未见报道。本文采用Ansys/LS-Dyna模块对实际倒塌的整体大棚结构进行了动态分析，找到大棚在台风中的受力最大处。

二、建立几何模型

以宁波某区的拱顶竹木结构连栋大棚为例，上覆塑料薄膜，架在混凝土边柱上，大棚示意图如图1所示。该连栋大棚东西向共20跨，每跨6米，东西走向共120m。南北走向柱子分布为4m一排，共20排柱子，总长为76m。每跨之间采用的边柱为180mm×65mm，高2.4m，每跨中间的三根中柱为70mm×75mm，高2.2m，所有柱子露出地面部分均为2.0m。最南和最北的两排柱子每隔两跨有一根斜支撑混凝土柱，截面尺寸也为180mm×65mm，支撑的上端直接搭在边柱的柱顶上，另一端呈45°角直接搭在地面上。所有的斜拉钢丝绳在柱子露出地面1.5m处呈45°角斜拉，埋入土中0.2m。所有的钢丝绳采用12号钢丝，即直径为2.8mm。其中，斜拉绳为4股12号钢丝绳，整个二十跨连栋大棚的外围连接拉绳为7股12号钢丝绳。其余挂葡萄的连接拉绳为1股12号钢丝绳，钢丝绳的张拉间距为0.5m。

三、数值模拟结果

考虑台风载荷，结构的重力加速度时长为2.0s，葡萄重量加上拱顶结构的重量以每亩3000斤计，将葡萄和拱顶的重量以钢丝绳自重的方式施加。在重力作用下的地面的von mises应力如图2所示。根据该区农业气候预报，农户所在地台风可能遭遇的等级约为10级，风速取为26.45m/s，根据换算公式（KN/m2），风压为437.25N/m2，受到的风压为北偏东30°。将其分解以后施加在东边的20根柱子上的由东往西方向的载荷为1300N/根，考虑到塑料薄膜覆盖的棚顶在台风来时有塌陷，使得每根柱子都受力，由北向南的风载荷施加在所有的柱子上并取为390N/根，历时为1.7s。图3为在台风作用下的变形图。

四、结论

从上图中可见，未剪断拉绳的大棚在自重作用下，受力最大的点为大棚结构的四个边角，而在边角处的边柱上有两根斜拉绳，故结构较稳定。而受到台风以后，东边的两个边角受到的力达到了土体的屈服应力24kPa，故已经引起了周围土壤的松动。需要对东边的边角附近的柱子进行进一步的加固。

参考文献：

[1]Wells D A，Hoxey R P.Measurements of wind loads on full-scale glasshouses[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，1980，6（1-2）：139-167.

[2]Moran P.Full-scale measurement of wind pressures on a 27.8m long single 21.5m span agricultural building[J]. Journal of Agriculture Engineering Research，26：55-61，1981.

[3]Richardsan G M.Wind loads on a full-scale film-plastic clad greenhouse：with and without shelter from a windbreak[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，1986，23（1-3）：321-221.

[4]周长吉.大型连栋温室设计风雪荷载分级标准初探[J].农业工程学报，2000，16（4）：103-105.

[5]汤庆.基于Ansys Workbench双层拱架塑料大棚结构设计及流场模拟[D].安徽农业大学硕士学位论文，2012.endprint