圆拱型连栋温室天沟优化设计

张正旋+赵菲+任兴月+陈超核

摘要：温室天沟是温室结构的重要受力构件，天沟的抗弯承载力和稳定性主要取决于天沟的抗弯刚度。对温室工程中常用的5种天沟截面形式的特性参数进行对比研究，分析各截面变量对特性参数的影响，并优选出抗弯刚度最大的天沟截面形式。

关键词：圆拱型连栋温室；天沟；特性参数；优化设计

中图分类号：S625.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）14-2753-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.039

Abstract： Gutter is the essential load bearing member in the greenhouse structure，and its bending capacity and stability mainly depend on its bending stiffness.In this paper，the characteristic parameters of five types of cross section commonly used in gutter were studied，and the influence of different cross-sectional variables on characteristic parameters was analyzed，and finally the cross section which has the highest bending stiffness was selected.

Key words： arched multi-span greenhouse； gutter； characteristic parameter； optimization design

圆拱型连栋温室因其灵活多变、造价低、适应海南热带气候特征而成为海南温室大棚的主流类型[1-3]。温室天沟作为温室骨架的组成部分，不仅承担排除雨雪水的功能，而且还是温室结构中重要的受力构件。计算分析表明，若天沟的抗弯刚度不足，则在荷载作用下往往表现为挠度大、变形明显，故天沟的优化设计是温室主体结构设计中的重点内容[4-10]。

目前天沟截面的常用形式有5种，如图1所示。本研究以农业部规划设计研究院提供的《海口市新增常年蔬菜生产基地连栋温室实施方案图纸》中给出的天沟尺寸作為参考，分别计算出这5种截面的特性参数，包括绕强、弱轴的惯性矩和抗弯截面系数，并分析了截面的不同变量对特性参数的影响，最后选取出具有较大截面惯性矩和抗弯截面系数、综合性能优异的截面形式作为天沟的优选截面。

1 天沟截面对比分析说明

为了便于对5种天沟截面形式的特性参数进行对比分析，作如下几点说明：

1）所有参与对比的天沟截面面积与厚度均相同；

2）为了保证每榀拱架的顺利组装，天沟腹板间最大距离不小于160 mm；

3）镀锌钢板的弯折角度按照实际温室工程中常用的角度选取。

2 天沟截面特性参数计算

参与对比分析的天沟截面形式及尺寸见图2，其中截面形式4和形式5为相同截面、不同尺寸。天沟截面的各项特性参数计算由AutoCAD完成，首先创建截面的计算模型，然后利用REGION命令将所绘的截面图形转为面域，SUBSTRACT命令删减面域，MASSPROP命令求截面面积和形心位置，接着调整原坐标点至形心点，再利用MASSPROP命令求出截面的惯性矩，最后通过数学公式计算出对双轴的抗弯截面系数和惯性半径，计算结果见表1。AutoCAD对各截面参数的计算精度可满足分析的精度要求。

3 截面特性参数的对比与分析

将各截面的特性参数按照不同的指标进行排序，对比结果如表2所示。截面不同变量对特性参数的影响见表3。从表3中可以得出以下结论：

1）截面形式6在绕x轴方向上具有最高的抗弯截面系数，且在绕y轴方向的抗弯截面系数也较高，而温室天沟在荷载作用下往往绕x轴方向弯矩偏大，故截面形式6在抵抗x轴方向弯矩时最具优势。

2）对比截面形式1和形式2，天沟边缘外折相对于内折可以提高对双轴的惯性矩和抗弯截面系数，故在材料用量相同的情况下，天沟截面腹板呈直立状时，边缘外折较内折更有利于提高天沟的抗弯承载力和稳定性。

3）对比截面形式1和形式3，虽然形式3对x轴具有较高惯性矩，但是底边平直的形式1却具有更高的抗弯截面系数，故在材料用量相同的情况下，天沟底边平直的形式较底边倾斜的形式对提高天沟的抗弯承载力和稳定性更有利。

4）对比截面形式2和形式4，在材料用量相同的情况下，将天沟腹板外扩较腹板直立能提高对双轴的抗弯截面系数，因此腹板外扩对提高天沟的抗弯承载力和稳定性更有利。

5）对比截面形式4和形式5，增加天沟底边长度能提高绕y轴的抗弯截面系数，但是同时会降低绕x轴的抗弯截面系数。由于天沟在荷载作用下绕x轴方向会承受较大弯矩，故在材料用量相同的情况下，减小天沟截面底边长度对提高天沟的抗弯承载力和稳定性更有利。

6）对比截面形式4和形式6，在材料用量相同的情况下，将天沟截面边缘弯折两次相对于弯折一次对提高天沟的抗弯承载力和稳定性更有利。

4 结论

1）不同截面形式的特性参数对比结果表明，在材料用量相同的情况下，截面形式6绕x轴与y轴方向的抗弯截面系数均较高，说明其在双轴抗弯性能上能有效提高材料强度的利用率。

2）截面变量对特性参数的影响分析表明，在材料用量相同的情况下，以下措施能够提高天沟的抗弯刚度和稳定性：天沟截面腹板若采用直立形式，边缘处应选取外折形式；天沟底边宜采用平直的形式；腹板宜采用外扩形式；在满足天沟排水和安装构造的前提下，尽量减小天沟截面底边长度；将天沟截面边缘弯折两次。

参考文献：

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