中欧荷温室规范风、雪荷载的对比

2020-02-22李一哲魏晓俊王川申张正张纲齐帅

江苏农业科学 2020年24期

李一哲魏晓俊王川申张正张纲齐帅

摘要：主要对比中国温室规范与欧盟、荷兰温室规范中风、雪荷载的差异性，包括概念界定、参数取值、计算方法及公式等，然后以实际项目为算例，利用3种温室规范及中国建筑荷载规范分别计算荷载作用效应设计值，并分析了其安全度之间的差异。对比结果显示，对于风荷载，中国温室规范的计算结果总体上低于欧盟与荷兰标准;对于雪荷载，当基本雪压为0.525 kN/m2时，中国温室规范计算的雪荷载值介于欧盟与荷兰之间，当基本雪压高于0.525 kN/m2时，中国温室的计算结果高于荷兰，并且随着基本雪压的增大而增大。另外，欧盟温室的平均安全度比我国温室约高4%，荷兰温室的平均安全度比我国温室高约2%。研究结果显示，中欧荷温室规范对风、雪荷载的设计思路基本相同，但计算公式与参数取值存在差异;我国温室的安全度与欧盟、荷兰温室相近，并且欧盟温室的安全水平随永久荷载的增大逐渐高于荷兰温室标准。最后，对中国现行温室荷载标准提出了一些改进意见。

关键词：中国;欧洲;荷兰;温室规范;风荷载;雪荷载;规范对比;安全度

中图分类号：S625.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2020）24-0232-07

近年来，我国的大型现代化智能温室技术主要通过合作、合资或收购的方式从先进的温室产业国引进，相应温室的设计、建造、选材要点与标准也主要参考相应技术输出国的标准及要求。欧盟标准委员会（CEN）于2001年12月发布了EN 13031-1 ∶ 2001[1]，适用于欧盟所有国家。其中，荷兰经过长期的技术积累已经成为温室结构设计最为先进的国家之一。荷兰标准化委员会（NEN）以EN 13031-1 ∶ 2001 《温室设计和建造第一部分：商业温室》为基础，融合本国温室先进技术，增加了10%的设计内容，并于2012年发布了适用于荷兰的NEN 3859 ∶ 2012《溫室设计和建造第一部分：商业温室》[2]。

我国大型现代化温室农业虽然起步较晚，但是其设计标准化问题备受业内重视。目前已发布实施的与温室结构设计相关的一系列行业标准基本围绕GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》和一般工业与民用建筑结构设计的相关规范展开，再增加一些针对农业温室的条文，忽略了温室结构使用年限低的情况，也未考虑到温室结构自重小、受风荷载和雪荷载影响较大等特点，导致设计建造的温室结构不完全合理[3]。针对这些情况，我国农业农村部和住房和城乡建设部联合编制了GB/T 51183—2016《农业温室结构荷载规范》，并于2017年4月开始实施，对我国温室结构设计荷载作出了统一、较为详细的规定。

为了对比现行我国温室规范中风、雪荷载与欧盟、荷兰温室规范存在的差异，方便设计人员合理改进温室结构设计的同时提高其安全性，本研究对比分析风、雪荷载间的差异，以实际项目为算例，比较各国温室荷载作用效应设计值的安全度，并对我国温室规范的进一步修订提出一些建议。由于欧盟温室规范涉及地域较广，不同地区有不同的参数取值，为了进行统一对比，本研究选择欧盟规范中对荷兰地区的参考值进行对比。

1 风荷载的比较方法

1.1 风荷载的计算方法

自然风通常对建筑物表面产生随机动力，为了确保设计过程的简洁性和结构设计结果的安全性，中欧荷温室规范均采用等效静力或风荷载标准值表示风的随机脉动作用[4]。荷兰温室风荷载的计算方法是在现行欧洲风荷载规范的基础上根据温室的设计使用年限添加概率因子作为折减，而我国温室风荷载的计算方法和公式则基于我国建筑荷载规范。童乐为等进行了中欧风荷载计算公式的比较，结果显示，中欧对于风荷载的计算思路基本一致，但不同参数的确定及计算公式存在差异[5]。由于农业温室的高度基本小于10 m，因此我国不考虑脉动风压对结构的影响，在计算中直接将风振系数（βz）的取值设为1[6-7]，而欧盟及荷兰需要考虑暴露因子（Ce）的计算。温室风荷载标准值的不同根本在于重要参数的计算方法和取值不同。

1.2 地形分类及基本风压

我国和欧盟国家对地形的分类略有不同。我国将地面粗糙度分为4类，而欧盟标准则把地形类别分为5类，我国的A类地形对应欧盟标准的0类和Ⅰ类地形，我国其余的B、C、D类地形分别对应欧盟标准的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类。各国温室一般不会在D类或Ⅳ类场地建造。

基本风压的确定是计算风荷载的重要基础。中欧荷基本风压的确定主要与标准地貌类别、标准高度、重现期等因素有关，具体参数如表1所示。

通过对比可知，我国温室规范中对基本风压的重现期取值稍高于温室的设计使用年限，而欧盟、荷兰温室的重现期直接对应其设计的使用年限，取值更合理。这可能是受我国实际环境和数据统计因素的影响，编制人员将重现期提高以确保温室设计的安全性，并明确最小风荷载的设计值不得低于0.25 kN/m2，等同于8级风[6]。此外，考虑到温室结构本身较轻，一般的瞬时阵风就可能导致温室坍塌，因此我国温室将确定温室基本风压的平均时距从建筑规范的600 s减小至3 s，区别于欧盟风荷载规范中以Ⅱ类地形距离地面10 m处的600 s平均风速。

1.3 风压高度变化系数

风压高度变化系数是决定风荷载大小的重要参数，直接受地面粗糙度的影响。由表2可知，中国建筑荷载规范中风压高度变化系数（μz）的计算公式主要取决于地形粗糙度，而μz对应欧盟风荷载规范中的暴露因子Ce，计算公式取决于截断高度（z），相关计算公式详见表2。

比较表2的计算公式可以看出，我国建筑规范的风压高度变化系数以幂函数的形式表示，而欧盟规范用截断高度表示，表现为较复杂的对数函数关系。我国考虑到温室一般不会在D类地形上建造，因此直接给出了A、B、C 3类地形由3～10 m风压高度变化系数的取值。本研究在童乐为等研究[5]的基础上，对比了中国建筑、中国温室及欧盟标准的风压高度变化系数，详见图1。

通过对比可知，我国建筑规范下，4类地形的截断高度分别定为5、10、15、30 m，中国温室将截面高度最低值降至3 m，而欧盟风荷载规范将5种类型的截断高度分别定义为1、1、2、5、10 m，比我国规范的划分更精细。由图1可知，中国温室规范中对A类地形5 m以下的风压高度变化系数低于建筑规范中的计算结果，5 m以上则与建筑规范的计算结果基本吻合;B类地形10 m以下低于建筑规范的规定，而10 m以上与建筑规范基本吻合;C类地形仅在9 m处存在变化 8 m 以下的风压高度变化系数保持不变，但均低于建筑规范要求。我国温室规范中规定，风压高度变化系数比建筑规范计算的结果在截断高度以下整体偏小，说明我国温室规范的编制已经充分考虑到风压高度变化系数对低矮建筑物的影响。从整体上看，欧盟标准对风压高度变化系数的取值大于我国建筑及温室的规定，这是因为暴露因子Ce的计算结果考虑了脉动风效应[5，8]，并且随着高度变化表现出不同的风压，而我国通过系数βz来表现脉动风效应对结构的影响。

1.4 风荷载体型系数

自然风对建筑结构外表面产生的作用力与来流风的速度压之比为风荷载体型系数，主要取决于建筑物的形状、尺寸等[9]。本研究针对目前常见的Venlo文洛型农业温室的结构形式，对比中欧温室的风荷载体型系数。欧盟、荷兰温室规定了屋面水平夹角（α）在20°～26°之间的风荷载体型系数，其取值与温室结构尺寸的高跨比（h/s）和高长比（h/w）有关[1-2]，不同尺寸导致风荷载体型系数的取值不同。对于双坡单跨及双坡双跨的温室形式，我国温室对各受风面体形系数的取值与我国建筑规范一致，欧盟风荷载的体形系数在整体上高于我国标准的要求，表现偏安全[5，10-11]。对于双坡三跨温室，体形系数略微不同。为了方便比较，本研究以双坡三跨文洛型温室为例，取屋面水平角为22.5°，h/w、h/s分别大于0.6、0.8，分别对比0°风向和90°风向的体形系数。

如图2至图5所示，当风向角为0°时，我国温室与相应建筑规范所取的体形系数基本一致，仅C、F坡面略大。由于中国温室规范参考的是欧盟标准，C、F坡面的取值接近或相同，而迎风面和侧立面的风荷载体型系数依然采用中国建筑标准的规定，其值大于欧盟温室规范的参考值。当温室的连跨数不多于3跨时，中间跨的体形系数随跨数的增加而逐渐减小;当温室的连跨数多于3跨时，中间跨体形系数不再改变[6]。中国建筑规范中未对风向角为90°时的情况作出明确规定，但其温室规范借鉴欧盟温室标准进行了补充，双坡单跨、多跨屋面及侧墙的风荷载体型系数采用欧盟温室标准的规定值。荷兰温室中风荷载体型系数的规定完全遵从欧盟温室的规定。

1.5 风荷载算例

假设温室为双坡双跨屋面温室，对比计算中欧温室规范各受压面风荷载大小。30年重现期的基本风压为0.64 kN/m2，风速为27.1 m/s[7]，温室高为6 m，跨长为8 m，屋面水平角为22.5°。由图6可以看出，中欧规范的计算结果显示的规律性与童为乐等研究的风荷载体型系数对比规律[5]一致，即除迎风面、侧立面的风荷载值大于欧盟温室设计规范的计算结果外，其余受压面均小于欧盟的计算结果，表明温室结构的体形系数对风荷载起着关键作用。由于荷兰温室风荷载的计算引入了概率因子，因此各受压面的计算结果略低于欧盟标准。此外，童乐为等进行了中欧风荷载实例计算，结果显示，对于较低的建筑结构，利用我国规范计算出的风荷载及构件内力值远低于欧盟规范计算的结果，然而随着建筑高度的增加，其计算结果差值逐渐减小[5，10-11]，这与中欧间风压高度变化系数的规律相似。

2 雪荷载比较

2.1 雪荷载计算方法

农业温室与一般工业及民用建筑相比，结构构件截面积小，又因结构整体性能受雪荷载不均匀分布的影响较大，因此设计时需要考虑雪荷载分布是否均匀，分别按屋面积雪的均匀分布、不均匀分布情况计算。基本雪压、屋面积雪分布系数和加热影响系数是影响温室雪荷载的主要因素，雪荷载的计算方法与各国的建筑荷載规范基本一致，详见表3。

由于温室覆盖材料具有传热快、透光率高、表面光滑不易积雪等特点，因此在计算公式中添加了温室特有的加热影响系数以修正雪荷载设计值，另外欧盟温室还加入了暴露系数（Ce），类似中国规范中的地形修正系数，其值的选取需要考虑未来环境变化对地形条件的影响。

2.2 基本雪压

欧盟温室规范依据欧盟雪荷载EN 1991-1-3对基本雪压的计算仍基于50年重现期，对荷兰所属的中西部海平面雪压规定为0.2～0.4 kN/m2，并随海拔升高而增加[12]。荷兰对于类型为A15、B15的园艺温室，屋面上分布的雪荷载不应低于0.25 kN/m2，对于设计寿命为5、15年的类型温室，ΨT分别取0.50、0.75对Psn进行折减[2]。中国温室基本雪压的计算基于现行《中国建筑荷载标准附录E》中的方法，同时根据温室设计使用年限，将50年重现期的基本雪压进行折算，查表即可得到相应地区的参考值。

2.3 屋面积雪分布系数

屋面水平夹角和屋面形式决定了屋面积雪分布系数（μr）的取值。我国由于缺少对温室屋面积雪分布影响的相关研究，因此在制定温室规范时参考欧盟温室规范。当温室屋面为斜坡、水平夹角范围为0°～30°时，均匀分布情况下的屋面积雪分布系数最大值为0.8，在屋面天沟处积雪分布不均匀的最大值通常为均匀分布情况的2倍[6]。各倾角对应的积雪分布系数见表4。

荷兰温室规范遵从欧盟规定，内容基本一致。因此，中欧荷对于屋面积雪分布系数的取值基本相同。针对屋面形式，我国温室规范结合本国温室屋面特点与常用类型，将屋面分为13种形式，而欧盟与荷兰仅分为四大类，分别是双坡单屋面、双坡多屋面、单跨拱形屋面和多跨拱形屋面。相比四大类型的屋面，我国温室的屋面形式种类更多，为工程人员设计建造不同屋面形式的温室提供了更丰富的参考。

2.4 加热影响系数

温室覆盖材料决定传热系数的大小，与加热方式共同影响温室的加热效果。当温室中存在能够自动融化屋顶积雪的加热设备并带有警告系统和应急供电系统时，视为加热温室，在其他情况下应作为非加热温室考虑。由表5可知，中欧荷对于加热温室的加热影响系数取值略有差异，整体来说中国与荷兰的取值基本一致，均高于欧盟标准的值，仅当覆盖材料为双层充气膜时，我国温室对加热影响系数的取值偏低。由于多层塑料板的透光率较差，在我国使用得较少，我国温室未对其进行规定。除加热温室外，非加热温室对雪荷载无折减影响。

2.5 雪荷载算例

假设温室屋面水平角为22.5°，基本雪压为0.26 kN/m2，覆盖材料为单层高透光玻璃，配有融雪系统，且设置天沟排水。根据屋面形式，原则上应考虑荷载是否分布均匀，但是由于屋面坡度较小，温室加热融雪后雨水通过天沟及时排水，因此本研究只考虑均匀分布的情况，文洛型温室雪荷载分布详见图7。

图8显示，均匀分布荷载时雪荷载最大值为荷兰的0.252 kN/m2，而利用中、欧规范计算出的结果均偏小。我国温室对单层玻璃加热系数的取值高于欧盟温室，因此计算结果始终高于欧盟。结合温室规范，在相同温室条件下，当基本雪压低于 0.525 kN/m2 时，通过中国温室规范计算的雪荷载值介于欧盟、荷兰的计算结果之间，但是随着基本雪压的增大，我国与荷兰的相对差值减小;若当地基本雪压高于 0.525 kN/m 我国温室的计算结果将高于荷兰，并且随着基本雪压的增大而增大。我国约有10%的城市规定的基本雪压在 0.525 kN/m2 以上[5]，当这些城市直接引进荷兰温室结构时，应充分考虑雪荷载是否会影响其结构安全。造成该差异的根本原因是中国温室规范的编写参考欧盟温室设计的内容，并未将荷兰标准纳入参考范围，因此中欧与荷兰标准的计算结果出现较大差异。

3 算例比较

为了更直观地对比中欧荷温室风、雪荷载对结构安全性的影响，采用安全度设计值判则进行比较。作用效应的设计取值反映了各因素的影响，并最终影响结构设计的安全度水平[13-15]。对A、B这2种不同国家的规范，作用效应设计值分别为Sd，A、Sd，B，二者比值可建立安全度判则，衡量设计的安全水平，具体定义见下式：

若ζSd>1.0，则规范A的设计安全度高于规范B;若ζSd=1.0，则规范A的设计安全度等于规范B;若ζSd<1.0，则规范A的设计安全度低于规范B。该判断准则成为设计值判则，ζSd为安全度判值，其值越大，说明安全度设置水平越高[15]。

本研究以山东省德州市从荷兰某公司引进的连栋文洛型温室为例，比较不同温室规范计算出的安全度。与前文算例条件一致，温室种植番茄，设计使用年限类别为A15。各规范对于屋面活荷载取值差异不大，均可取0.15 kN/m2计算。因结构设置伸缩缝，在本研究中忽略温度作用的影响。中欧荷温室规范计算的活荷载平均值取值见表6，安全度如图9所示。由于温室永久荷载不易准确取值，将以永久荷载为因变量，根据温室特点估算其取值范围定在0.1～1.0 kN/m2。此外，本算例添加了現行中国建筑荷载规范的计算结果作为对比，不上人屋顶的活荷载取0.5 kN/m2进行计算。

由图9可知，我国温室的平均作用效应设计安全水平约比荷兰温室低2%，比欧盟温室的平均安全度低4%左右，而中国建筑荷载规范比中国温室规范的设计平均安全度约高10%。导致荷兰温室安全水平始终高于中国温室的原因一方面是雪荷载计算结果较大，另一方面是其组合系数略高。此外，由于中国温室规范参考欧盟温室标准制定，安全度曲线呈正比例变化趋势，欧盟温室的安全水平逐渐高于我国温室。我国与荷兰在温室荷载分项系数的取值上相差不大[2，6]，其安全度变化基本趋于稳定，但荷兰温室的安全水平始终高于我国温室。当永久荷载较小时，荷兰温室与中国建筑的安全度水平接近，高于欧盟标准;当永久荷载大于 0.3 kN/m2 时，各温室规范计算出的作用效应设计值均处于安全水平;当永久荷载为0.38 kN/m2时，中欧荷温室荷载安全度基本持相同水平;当永久荷载超过0.38 kN/m2时，欧盟温室的安全水平逐渐高于荷兰标准。若改变温室建造的地理位置后，风荷载和雪荷载将会发生变化，安全度判值也随之改变，但安全度曲线的变化趋势与本例基本一致。通过以上分析得出，基于中国建筑荷载规范计算出的作用效应设计值过于保守，中国温室规范计算的荷载大小和安全度与欧盟、荷兰温室规范计算的结果相差不大，且欧盟温室的安全水平随永久荷载的增大逐渐高于荷兰温室的安全水平。

4 结论

本研究对中、欧、荷温室规范中风、雪荷载的内容进行了异同性对比，并通过实际算例对3种规范的作用效应设计值的安全性进行对比分析，结论与建议如下：（1）中国温室规范参考欧盟温室规范完善了风荷载的计算，补充了90°风向时的情况。相比于欧盟、荷兰温室，中国温室规范虽然考虑到了 10 m 以下低矮结构形式的风压变化，但仍未考虑到3 m以下受风压影响的情况。在我国温室中仅迎风面、侧立面的风荷载体型系数大于欧盟、荷兰温室，而其余受压面相等或偏低，总体上低于欧盟、荷兰温室的安全水平。（2）对于雪荷载，我国根据温室设计年限对雪荷载的重现期进行折算，对屋面积雪分布系数的取值参考欧盟温室规范。我国与荷兰温室的加热影响系数取值相近，整体上高于欧盟的参考值。在相同温室条件下，若直接引进荷兰温室结构，应注意当地基本雪压为0.525 kN/m2的临界情况。另外，欧盟温室在计算雪荷载时添加了暴露系数（Ce），考虑雪荷载受不同地形的影响，对于温室建造在特殊地形上时，我国温室可参考欧盟标准，添加影响因子修正雪荷载标准值。（3）中国温室规范计算的荷载大小和安全度与欧盟、荷兰温室规范计算的结果相近，说明我国温室的设计思路已经开始与欧洲先进的国家和地区靠近。此外，荷兰温室的安全水平在一定程度上高于我国温室，将来中国温室荷载规范进一步修订时，可综合考虑荷兰温室规范进一步提高设计的安全性和合理性，做到保证安全的同时减少现代化温室的建造成本，从而大力推进我国现代化农业的发展。

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