两种日光温室钢骨架结构安全性能分析

唐中祺，刘丽霞，王瑞东，吕剑，冯致，颉建明，郁继华

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)



两种日光温室钢骨架结构安全性能分析

唐中祺，刘丽霞，王瑞东，吕剑，冯致，颉建明，郁继华

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

【目的】 对两种传统日光温室骨架结构(钢拱架结构和钢桁架结构骨架)的安全性进行力学分析.【方法】 以甘肃省酒泉市的气象条件为例，利用建筑结构计算理论及ANSYS计算软件，两种温室骨架均采用Q235钢，钢拱架拱杆为壁厚3.25 mm的DN25镀锌钢管；钢桁架上弦杆为壁厚3.25 mm的 DN25镀锌钢管，下弦杆为φ12圆钢，腹杆为φ10圆钢；温室结构跨度8 m，脊高4 m，骨架间距1.0 m；前屋面形式为二折式，即前半部分为弧长约为5 m的拱形结构，后半部分为长度约为3 m的直杆，采光前屋面角66°，直杆与水平面夹角15°，后屋面仰角45°.【结果】 在荷载作用的两种工况下(工况1：恒载+使用活荷载+屋面集中活荷载+雪载；工况2：恒载+使用活荷载+屋面集中活荷载+风载)，钢拱架结构应力薄弱部位的实际最大应力均超过了材料的强度设计应力值215 MPa，骨架多处部位受力不安全，故该钢拱架存在安全隐患；钢桁架结构骨架所有截面处的应力均小于材料的强度设计应力值，受力安全，该结构安全可用.【结论】 钢桁架结构的日光温室，适合大面积推广应用.

温室骨架；ANSYS软件；钢拱架；钢桁架；安全性能

日光温室是由中国农业科技工作者与农民群众共同创造的、具有中国特色的农业设施[1]，其结构简易、投入少，在中国北方地区的严寒季节不用其他加热设施，仅依靠太阳能就能实现喜温性、甚至耐热性作物的生产[2]，是世界一大奇迹.目前，全国日光温室已达到69.66万hm2以上，其中甘肃省已发展5.34万hm2，产生了显著的经济、社会和生态效益[3].在我国温室规模迅速发展的同时，关于日光温室蔬菜栽培生理、栽培技术方面的研究较多，但对温室结构安全性方面的研究较少，使得很多已建或在建的温室存在很多安全隐患.近年来多起由于大风或大雪导致温室结构倒塌的工程事故，造成了极大的经济损失.2000年云南昆明和浙江杭州的雪灾对温室结构的破坏就造成3000多万元的直接经济损失，昆明花卉大棚的倒塌直接导致全国花卉价格上涨一倍，社会影响也很大[4].本研究以甘肃省酒泉市的气象条件为例，利用建筑结构计算理论及ANSYS计算软件，对两种传统日光温室骨架结构(钢拱架结构和钢桁架结构骨架)的安全性进行了力学分析，以期对日光温室骨架设计、杆件截面选择及安全建造提供参考.

1 日光温室结构方案

1.1 骨架形式及温室结构参数确定

以甘肃省酒泉市典型的两种温室结构形式——钢拱杆和钢桁架为研究对象，对其安全性进行力学分析.温室跨度L=8 m，脊高H=4 m，温室骨架间距B=1.0 m，前屋面角66°.前屋面为二折式，即前半部分为弧长约为5 m的拱形结构，后半部分为长度约为3 m的直杆.直杆与水平面夹角15°，后屋面仰角45°；后屋面下层铺30 mm厚秸秆，中层80 mm厚土壤，外层抹10 mm厚草泥，其他参数取值如图1、图2所示.

图1 钢拱架骨架侧视图Fig.1 Side view of steel arch frame

图2 钢绗架骨架侧视图Fig.2 Side view of steel supporting

1.2 骨架材料及截面选择

两种温室骨架均采用Q235钢，骨架截面选择如下：钢拱架截面：拱杆为DN25镀锌钢管，其外径33.5 mm，壁厚3.25 mm；钢桁架结构是由上弦杆为DN25的镀锌钢管，其外径33.5 mm，壁厚3.25 mm，下弦杆为Φ12圆钢，腹杆为Φ10圆钢.

2 骨架荷载统计

2.1 恒载设计值

恒载设计值g=γG·gk[5]，其中γG=1.2；g由3部分组成，分别是温室钢骨架自质量g1、后屋面土自质量g2、保温被自质量g3；且g=g1+g2+g3.

2.2 使用活荷载设计值

使用活荷载指作物吊质量，取qk′=15 kg/m2.使用活荷载设计值q1=γQ·qk，其中γQ=1.4，qk=qk′·B

2.3 雪荷载设计值

雪荷载设计值S=γQ·Sk，其中γQ=1.4，Sk=μr·S0·B，μr指屋面积雪分布系数，S0指当地基本雪压，均可由建筑荷载规范查得.雪荷载根据骨架设计方案，沿骨架跨度方向包括3部分，分别是前拱杆处S1、前直杆处S2、后屋面处S3.

2.4 风荷载设计值

风荷载设计值w=γQ·ωk，其中γQ=1.4，wk=βzμsμzω0B，βz指高度Z处的风振系数，μs指风荷载体型系数，μz指风压高度变化系数，ω0指当地基本雪压，均可由建筑荷载规范查得.沿骨架跨度方向包括4部分，分别是前下拱杆处w1、前上拱杆处w2、前直杆处w3、后屋面处w4，且分别需要考虑左、右风的作用.

2.5 屋面集中活荷载设计值

屋面集中活荷载设计值F指卷帘机自身质量及保温被自身质量.其计算简图简图3，具体荷载计算结果见表1.

图3 计算简图Fig.3 Calculation diagram

表1 骨架荷载计算Tab.1 Calculation results of skeleton load

3 有限元建模

3.1 实体模型

根据设计图纸，在SolidWorks软件中分别对不同管径的拱架和钢桁架结构进行3D实体模型的建立.考虑到分析模型的网格划分情况，在实体模型中，忽略倒角、土墙等不影响强度计算的因素.简化完成的分析模型如图4所示.

图4 实体模型Fig.4 Entity model

3.2 工况分析与材料参数

由于温室大棚受到风载、雪载、活荷载及后屋面填充物自身质量等多种载荷作用，所以温室骨架受到的载荷形式比较复杂，为了安全计算和设计的需要，将上述载荷组合成两种工况，工况1：恒载+使用活荷载+屋面集中活荷载+雪载；工况2：恒载+使用活荷载+屋面集中活荷载+风载.仿真分析中采用的钢架材料参数见表2.

表2 钢架材料参数

Tab.2 Material Parameters

材料弹性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-1)设计强度/MPaQ2352110.37850215

4 应力计算与结果分析

依据有限元的建模，利用ANSYS计算软件对温室骨架的应力进行计算.钢拱架工况1、工况2及钢桁架工况1、工况2荷载下的应力计算结果见图5、6.可以得到两种骨架在不同工况荷载作用下，在应力薄弱的6个位点的最大应力值如表3、表4所示.

图5 钢拱架应力计算Fig.5 Working condition of steel arch stress calculation

图6 钢绗架应力计算Fig.6 Working condition of steel arch stress calculation

表3 钢拱架薄弱部位应力值Tab.3 Stress value of steel arch weak positions MPa

表4 钢桁架薄弱部位应力值Tab.4 Stress value of steel supporting weak positions MPa

钢骨架的材料选用Q235钢，其强度设计值σ=215 MPa，由表3可见，钢拱架结构在荷载作用两种工况下(工况1考虑当地50 a一遇最大雪荷载；工况2考虑当地50 a一遇最大风荷载)，在应力薄弱的6个位点中，其中5个位点的最大应力均远远超过了材料的强度设计应力值，只在三角架位点的受力是安全的，故该钢拱架不可用.由表4可见，针对钢桁架结构，在荷载作用两种工况下(工况1考虑当地50 a一遇最大雪荷载；工况2考虑当地50 a一遇最大风荷载)，骨架所有截面处的应力均小于材料的强度设计应力值，因此钢桁架结构受力是安全的，故该钢桁架可大面积推广应用.

[1] 周长吉，杨振声.准确统一“日光温室”定义的商榷[J].农业工程学报，2002，18(6)：200-202

[2] 魏瑞江，孙忠富．我国日光温室小气候研究进展与展望[J]．西北农林科技大学学报：自然科学版，2014(12)：139-150

[3] 刘志杰,郑文刚,胡清华，等.中国日光温室结构优化研究现状及发展趋势[J].中国农学通报,2007,23(2):449-453

[4] 梁宗敏.连栋温室结构抗风可靠度设计理论研究[D].北京：中国农业大学,2004

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[6] 陈端生.中国节能型日光温室建筑与环境研究进展[J].农业工程学报,1994,10(1):123-129

[7] 王永宏,张得俭，刘满元.日光节能温室结构参数的选择与设计[J].机械研究与应用,2003,16(s1):101-103

[8] 陈秋全,杨光勇,刘及东.北方高寒地区高效节能型日光温室优化设计[J].内蒙古民族大学学报,2003,18(3):257-259

[9] 周长吉.“西北型”日光温室优化结构的研究[J].新疆农机化,2005(6):37-38

[10] 胡波,张生田.西宁地区日光温室结构优化设计[J].农村实用工程技术,2001(9):121-122

[11] 周长吉.有立柱钢管骨架日光温室的结构优化[J].农业工程学报,1994,10(1):157-160

[12] 李天来.我国日光温室产业发展现状与前景[J].沈阳农业大学学报,2005,36(2):131-138

[13] 白义奎,明月.影响日光温室钢骨架结构安全及耐久性能因素分析[J].房材与应用,2005(5):14-15

[14] 周长吉.现代温室工程[M].北京：化学工业出版社,2003:45-46

(责任编辑 赵晓倩)

Safety performance of two steel frames of solar greenhouse

TANG Zhong-qi,LIU Li-xia,WANG Rui-dong,LYU Jian,FENG Zhi,XIE Jian-ming,YU Ji-hua

(College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 The mechanics analysis was performed on skeleton structure safety of two traditional solar greenhouse (steel arch structure and steel truss structure).【Method】 Taking the meteorologic condition of Jiuquan city in Gansu Province as an example,the two types of skeleton structure of traditional solar greenhouse were estimated by building structure calculation theory and ANSYS software.Q235 steel was used in the two greenhouse skeleton.The arch bar of the steel arch was DN25 galvanized steel pipe with 3.25 mm thickness.The upper chord of steel truss was DN25 galvanized steel pipe and its wall thickness was 3.25 mm,the lower chord was φ12 round bar steel,and the web member was φ10 round bar steel.The span of the greenhouse structure was 8.0 m and the ridge height was 4.0 m,the space between skeletons was 1.0 m.The front roof of greenhouses was sectional type its first half was 5.0 m arch framing and the second half was 3.0 m straight rod of.The lighting surface angle was 66°,the included angle between straight rod and horizontal plane was 15° and the elevation angle of back-roof was 45°.【Result】 The results showed that,under the two loading working conditions (1.dead loads+ dynamic loads+ roofing loads+ snow loads;2.dead loads+ dynamic loads+ roofing loads+ wind loads),actual maximum stress of the weak position in steel arch structure was beyond the maximum stress value of material strength,and the stress in many position of skeleton was not safe,so there was potential safety hazard in the steel arch.Actual maximum stress on all sections of steel truss structure was less than the design stress of material strength,so the stress of skeleton was safe and the structure could be used safely.【Conclusion】 The solar greenhouse with steel truss structure is suitable for extension in large area.

greenhouse skeleton;ANSYS software;steel arch;steel truss;safety performance

唐中祺(1988-)，男，博士研究生，主要从事设施设计与环境调控研究.E-mail：184481739@qq.com

冯致，男，副研究员，主要从事设施蔬菜栽培生理与生长调控方面的研究.E-mail：gsau23@126.com

农业部公益性行业(农业)专项(201203002).

2016-10-12；

2016-11-17

TU 261

A

1003-4315(2016)06-0053-05