玻璃温室防震设计与模型试验

2019-12-11李从权王庆惠马月虹

湖北农业科学 2019年20期

李从权王庆惠马月虹

摘要：为避免地震造成的损失，设计了一种玻璃温室防震结构。该结构由工字钢框架、耗能轴承、板弹簧等组成。温室建在工字钢框架上，耗能轴承安装在框架下面，缓冲板弹簧安装在框架四周。温室移动时会受到板弹簧的缓冲作用，通过消耗能量提高温室抗震能力。温室质量15 t，缓冲墩5个，缓冲弹簧板2片，厚度8 mm，宽度50 mm，满足使用要求。耗能轴承的上板设置了浅槽，卡在槽钢上。对传统球形滚子进行了改进，设计为削面滚子，削面圆直径取5 mm。缩尺模型试验显示，相对于无缓冲装置模型，其抗震动次数提到了4倍，抗震效果明显。

关键词：地震;玻璃温室;缓冲弹簧;耗能轴承;削面滚子

中图分类号：TU894 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）20-0164-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.039 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design and test on shockproof device for greenhouse

LI Cong-quan1，WANG Qing-hui2，MA Yue-hong2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Tianmen Vocational College，Tianmen 431701，Hubei，China;

2.Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumqi 830091，China）

Abstract： In order to avoid the phenomena， a mechanical device was designed， which was made up of double T-steel frame， plane bearing and buffer spring. The greenhouse was built on I-steel frame. Plane bearings were mounted under the frame. The buffer plate spring was installed around the frame. When the greenhouse moved， it will be buffered by plate springs. Seismic capacity of the greenhouse will be improved by consuming energy. Greenhouse quality was 15 t， buffer plate spring was 5， spring plate takes was 2. The thickness was 8 mm， and the width was 50 mm， the produced stress will meet the requirement. Shallow groove was designed for the upper plate of plane bearing， which sandwiched on I-steel. Spherical roller was improved designed. The ball was flattened up and down. Two sides were parallel. The diameter of cut face was 5 mm. The vibration test showed that the buffer device has a fold increase in anti collapse capability compared with the non buffer device. Seismic effect was obvious.

Key words： earthquake; glasshouse; buffer spring; energy dissipation bearing; plane roller

玻璃溫室一般固定在地面上，遇到地震时，主体容易扭曲，玻璃会破碎，损失不仅是温室本身，其内的科研材料及设备遭到破坏，间接损失惨重。玻璃温室防震设计应该纳入研究范围。塑料大棚和玻璃温室在全国各地果蔬种植中得到广泛应用[1]。塑料温室结构为竹木或钢筋，覆盖薄膜，具有重量轻、遮光率小、造价低的特点。主要形式有拱棚式、一面坡式、三面墙式、山坡依托式。塑料拱棚式多以竹木对称弯曲搭建而成。李星等[2]研制了一种先进的塑料拱棚式温室，其技术特征是可以拆卸，移动装配，对耕层的破坏少。一面坡式温棚后墙和两面侧墙均为土墙，后屋面为土盖，前屋面扣塑料棚膜，前屋面木杆与地平面所成夹角约32 ℃，温室中柱高1.5 m，温室空间低，保温效果好，但抗风、雪荷载的抵抗能力弱。三面墙式温棚就地取材，保温效果不好。马月虹等[3]研制了以稻草、芦苇杆、苯板等材料制成的新结构墙体，能够满足沙漠、高寒地区保温要求。山坡依托式是在山坡或丘陵建造的温室，借助地势挖建，节省三面墙，冬季比一般温室节省燃料50%以上。塑料温室存在寿命短、进门难、抬头难的问题。

玻璃温室宽敞、透光好、寿命长，是研究所、生态农业公司常用的温室形式，适合于多种气候条件下使用。形式有花卉玻璃温室、蔬菜玻璃温室、育苗玻璃温室、科研玻璃温室、生态玻璃温室、休闲观赏温室、异形玻璃温室、智能玻璃温室等。玻璃温室主体结构多为铝合金或型钢，钢材主要是Q235型沸腾钢。铝材型材主要是LD31-RCS。厚度玻璃常用4、5 mm，透光率高[4]。玻璃温室是现代农艺研究的基本设施，也是现代农业温室发展的趋势[5]。

现有的建筑防震技术主要有主动控制隔震、上悬挂下隔震、橡胶垫块隔震、隔震型等结构形式[6-9]。玻璃温室功能、结构及选材决定了以上防震技术不能直接套用。知网、专利文库没有查到关于玻璃温室的防震技术。本研究设计一种板弹簧缓冲结构，主要研究弹簧片数、宽度及厚度对工作应力的影响，设计耗能轴承的结构，用来消耗地震传来的动能，用数学计算和模拟分析的方法来确定滚子的形状和尺寸，通过缩尺模型试验验证结构对抗震的定性影响。

1 结构及工作原理

1.1 总体结构

防震结构设计如图1所示，结构主要由缓冲墩、框架、缓冲弹簧、耗能平面轴承等组成。缓冲墩由钢筋混凝土固定在地面上，用来抵抗温室倾斜时弹簧传递来的推力。框架采用工字钢围成，接头采用坡口焊接形式。工字钢槽内填充钢筋混凝土。缓冲弹簧采用碟片式，使用垫片调节弹簧与框架间的松紧程度。耗能平面轴承安装在框架下面，其球形滚子为削面多面体。

1.2 工作原理

防震结构能够消耗温室移动时的动能。平面轴承安装在框架下面，轴承滚子是削面球体。温室倾斜移动时，轴承随着移动。削面滚子做近似正多边形滚动，滚子与轴承上下板发生碰撞，消耗温室动能。防震结构能够吸收温室动能。温室的玻璃结构安装在工字钢框架上，框架下面安装有平面耗能轴承。地震是底壳不稳定造成的，震动峰值时间短。地震来临时，温室会随着轴承移动。温室倾斜造成的分力作用在缓冲弹簧上，会引起弹簧变形，温室的动能就被弹簧吸收。通过缓冲耗能后，温室移动速度会降低，达到玻璃温室结构难以破坏，或被破坏程度小的目的。

2 关键部件设计

2.1 缓冲结构

板弹簧受力时会彎曲，变形量较大，消震能力强[10]，可作为玻璃温室防震结构。温室正常使用时是静止的，地震时地面波动，板弹簧受压，压缩量dx与蓄能符合下列关系，如式（1）所示：

Ep=Fxdx （1）

式中，Fx单侧受力，Ep为压缩弹簧储存的能量。

如果没有损耗，储存的势能与动能在相互转换，一直震动下去。实际上在滚子非圆滚动和空气阻力的作用下，逐渐耗去传给温室的动能。地震发生时间短，相对幅度大的持续时间更短。缓冲板弹簧设计主要考虑工作应力不大于屈服应力值的问题。

叠板弹簧两端受力，受载形式如图2所示，其工作应力为：

？滓=3×（2F）l/（2bnh2）[11] （2）

式中，F为单侧受载，b、h、l分别为板簧宽度、厚度和长度，n为板簧片数。

地震时地面倾斜，温室受到缓冲弹簧作用，加上摩擦阻力的作用，移动速度低，是匀速移动。弹簧弹力为2FN，mgsin？兹为玻璃温室顺坡下滑力。？兹为地面倾斜角，m为温室质量。单侧安装了N个缓冲弹簧墩，2FN≈mgsin？兹。弹簧在发生疲劳破坏之前可能发生塑性变形，按照静强度校核[12]，板弹簧钢正常工作需要满足？滓≤[？滓]。

3mglsin？兹/（2Nbh2n）≤[？滓] （3）

根据《玻璃温室设计标准》跨度为15 m，长度40 m[12]，使用5 mm单层钢化玻璃，质量12.5 kg/m2，一栋育苗玻璃温室，总质量15 t。在地震造成的地面最大倾斜θ=15°，在保证弹簧有效弹力情况下，设计缓冲弹簧。选用弹簧钢60Si2MnA，该钢σs=1 373 MPa，安全系数取1.2，[σ]=1 144 MPa。依据式（3）计算得出板弹簧参数，祥见表1。

从表1可以看出，单侧设置5个缓冲装置的情况下，板弹簧组跨度l=500 mm，可动片数n=2，厚度h=8 mm，宽度b=50 mm，工作应力σ=732.4 MPa<σs=1 373 MPa，弯曲强度满足使用要求。

2.2 耗能平面轴承

耗能平面轴承由上滚动板、下滚地板、滚子及滚子隔离板组成。以框架工字钢下平面为耗能平面轴承上滚动板，下滚动板固定在地面上。滚子分隔板一面设置浅槽，如图3所示。浅槽卡在框架工字钢平面上，保证轴承滚子随框架一起移动。为增加耗能速度，对球形滚子进行了改进设计，如图4所示，结构为多面球，削面相互平行。地震来临时，多面滚子球在轴承下板来回移动，为非圆滚动，促进能量消耗，减小对缓冲弹簧的冲击;无地震时，削面球可增加玻璃温室稳度。安装耗能轴承时，使滚子小削面接触上下滚动板。

单个滚子承受重量F滚子= （4）

式中，M为建筑物质量，m为平面滚动轴承数量，n为每个轴承滚子数量。

球体受到压应力为？滓p= （5）

材料挤压应力为[？滓p]= （6）

其中，Sp取1.0～1.5，考虑平面轴承在静态下工作，在地震来临时可以移动释放能力，安全系数取1。

跨度为15 m，长度40 m，总质量约15 t。安装36个平面轴承，每个轴承滚子10个滚子，滚子材料G20Cr2，σs=882 MPa，许可安全系数取1.5。每个滚子承受力416 N，代入得d≥0.56，为制作方便，取Φd=5 mm。

对滚珠进行有限元分析，滚珠为削边球，直径50 mm，分析时对结构简化处理。材料选用轴承钢，屈服应力为[σ]s=518.4 MPa[13]。方法为在UG上建模→分析→强度向导→选材steel→施加载荷→约束→执行分析→划分网络→分析计算[14]，分析时研究滚珠随着载荷变化的刚度变化情况。

图5为滚珠位移云图，颜色越淡，位移越小。削边球上施加了119 N的向下作用力，通过观察位移的颜色，与比色表对照可知，其最大位移在受力点，且最大位移量为0.107 9 mm，滚珠变形量很小。

图6是滚珠的应力云图，云图颜色越淡，应力值越大，滚珠的应力值大小可以根据颜色比照得知。颜色对比具体数值表可得滚珠受到的最大应力值为200 MPa，小于σs=518.4 MPa，最大应力在滚珠与上下板接触边缘处，应力值在许可范围内。

3 试验与分析

3.1 试验方法

缩尺模型试验是结构试验常用研究方法之一，该方法对尺寸、材质不要求严格相似。通过试验与理论分析相比较，若相一致，就认为能在实际结构中应用[15]。本试验模型采用前后墙加山墙结构，此与跨度不大的科研类玻璃温室、育苗玻璃温室及生态玻璃温室在几何空间上具有相似性。模型不用玻璃结构，采用砖混结构，便于反复试验。人工施震与地震波接近，砖块掉落与温室扭曲时玻璃坠落情形相近。

缩尺尺寸不能太小，太小会产生缩尺效应，非整体试验宜取真型的0.25至1.00[15]。本试验模型按照实际温室约为1∶3的比例缩小。模型长2.5 m，宽1.4 m，高度1.0 m，模型如图7所示。试验材料：青灰砖、弹簧、木板平台。制作试验平台长2.5 m，宽1.4 m，高度1.0 m，平台可以绕中间的凸台上下摆动，与地面的撞击形成地震冲击。平台四周设置了挡板，挡板上安装了缓冲弹簧。

3.2 试验结果

砌体用青灰砖制作，砖在工字钢框架上砌墙。试验时有一块砖掉落表示建筑倒塌。对无缓冲装置的模型进行了20次试验，震动至倒塌次数分布如图8的下波形线，平均震动46次就倒塌。对有缓冲装置的模型进行了20次试验，倒塌次数分布如图8的上波形线，平均震动189次倒塌，缓冲结构抗倒塌能力提高到了4倍。

4 讨论

1）可查阅的玻璃温室研究主要集中在通风、透光、温度、湿度及互联网+技术方面。设计的缓冲和耗能结构能防止地震破坏玻璃温室结构，也可以抵抗台风对玻璃温室的破坏。

2）缓冲结构用到叠板弹簧，材料使用弹簧钢，材料供给充足。结构参照车用缓冲弹簧，结构可行。在设计时候抓住地震时间短的特点，保证材料在极限应力范围内满足缓冲要求。地面波动倾斜，玻璃温室质量大的原因移动慢，近似认为温室是匀速移动，简化了计算方法。

3）框架下安装了平面耗能轴承。削面滚子非圆滚动，能促进能量消耗。此轴承集移动与耗能特点于一体，与传统平面轴承相比，既有继承又有突破。削面滚子可通过铸造或模锻方法获得，工艺不难。

5 结论

1）针对地震会损坏玻璃温室的问题，设计了温室防震装置。工字钢框架内填充钢筋混凝土，工字钢下面安装平面轴承。缓冲弹簧安装在框架四周，温室质量15 t，缓冲墩5个，弹簧板片n=2，厚度h=6 mm，宽度b=50 mm，弯曲应力符合要求。

2）平面轴承安装在工字钢下面，具有浮动作用。耗能平面轴承的分隔板上浅槽卡在工字钢上，滚子与框架一起移动。削面滚子既增加滑动耗能能力，又提高了玻璃温室静止时的稳度。

3）理论分析说明了设计结构能够缓冲温室移动，能够消耗地震传给温室的能量。缩尺模型试验表明有防震结构相对无防震结构抗震能力提高到了4倍，抗震效果明显。防震结构能够有效防止玻璃温室结构被破坏。缩尺抗震模型与实际的玻璃温室在空间结构上有一定的相似性，使用的材质不同，但是符合缩尺模型试验条件。

参考文献：

[1] 韦婷婷，杨再强，王琳，等.玻璃温室和塑料大棚内逐时气温模拟模型[J].中国农业气象，2018，39（10）：644-655.