日光温室结构极限承载力及热负荷分析

2020-09-14刘丽霞

林业机械与木工设备 2020年9期

刘丽霞

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070)

近年来我国设施农业发展迅速，其中日光温室结构在生产上有非常普遍的应用，但其既不属于民用建筑，也不属于工业建筑，因此设计及施工没有合理的土木工程行业规范。现行温室结构设计规范重点是温室形状及尺寸规划，在设计方面通常模仿他人或依据实践经验。由于缺乏有力的理论计算依据，忽略温室结构可靠性方面研究，导致我国很多已建或在建的温室存在一定的安全隐患，近年来发生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和社会影响[1-3]。因此，日光温室建设必须正规系列化、严密科学化、经济实用化、使用安全化，只有这样才能广泛推广大棚工程。

针对温室结构安全性能的研究，近年来国内外学者也开始有所关注。梁宗敏[4]对连栋温室结构抗风可靠度进行了理论研究，王永宏等[5]对一种日光节能温室结构进行了参数的选择与设计，白义奎等[6]探讨了影响日光温室钢骨架结构安全及耐久性能的因素，尹素杰等[7]针对新型农业大棚骨架的受力性能进行分析，俞永华等[8]对塑料大棚结构承载特性进行研究，解恒燕等[9]对钢拱单栋塑料大棚的平面内极限承载力进行了分析。从以上研究可以获得温室结构承载能力的一般规律，但目前针对承载能力影响因素的研究不足，掌握温室结构承载能力影响因素，可在设计中对各参数进行更有效的设置，把握结构承载基本规律，为温室结构的安全设计提供理论支撑。

此外，我国温室大棚采暖一般都是凭经验进行，基本没有温室大棚采暖热负荷的计算，对温室结构热负荷的计算及其影响因素的量化，可为温室选择安装采暖装置时提供依据。

本文为确定塑料温室结构的实际承载特性及热负荷能力，结合实际工程作为研究背景，基于非线性静力推覆分析方法得到日光温室结构极限承载能力，模拟结构失去抵抗力的全过程，对结构极限承载能力影响因素进行分析，并对日光温室结构进行了采暖热负荷计算。

1 分析方法

1.1 极限承载力分析

为得到温室结构在竖向均布荷载和侧向均布荷载作用下的极限承载力，可采用非线性静力推覆分析方法。具体方法如下：①沿高度施加竖向和侧向均布作用荷载；②逐级施加竖向和侧向荷载，对结构进行推覆分析；③以结构失稳作为控制标准，并记录极限承载力。该过程使结构由弹性工作状态逐步进入弹塑性工作状态，最终达到并超过规定的弹塑性位移，同时可按顺序计算结构反应并记录结构在每级荷载下的开裂、屈服直至破坏等性能，并据此找到结构极限承载能力[10-16]。加载示意图如1图所示。

图1 加载示意图

1.2 采暖热负荷计算

温室大棚的总热负荷Q：

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

式中：Q1为围护材料的传热损失；Q2为渗透热损失；Q3为地面热损失。

(1)围护材料的传热损失Q1：

Q1=∑kj·Fj·(tn-tw)

(2)

式中：kj为第j种围护物的传热系数；Fj为该面围护物的散热面积；tn为室内空气计算温度；tw为供暖室外计算温度。

(2)渗透热损失Q2：

Q2=0.5KVN(tn-tw)

(3)

式中：K为风力因子，可取1.0；V为温室空气体积；N为每小时换气次数，可取1.2。

(3)地面热损失Q3：

Q3=∑ui·Ai·(tn-tw)

(4)

式中：ui为第i区地面传热系数；Ai为第i区面积。

1.3 分析流程

首先采用非线性静力推覆分析方法，对结构在不同跨度、长细比、构件锈蚀程度的情况下进行极限承载能力计算，量化日光温室结构的承载能力影响因素，然后对日光温室结构进行采暖热负荷计算，为日光温室结构安装采暖装置提供理论依据。分析流程如图2所示。

图2 分析流程

2 算例信息

2.1 温室结构基本参数

本文以温室大棚实际工程为例，该结构跨度为8 m，脊高为4 m，温室骨架间距为1 m；考虑到温室内部作业时的可操作性及采光性，前屋面角66°，直杆与水平面夹角15°，后屋面仰角45°；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；温室骨架均采用Q235钢，设定两种不同的截面形式，钢拱架截面及钢桁架截面用于对比分析。钢拱架截面拱杆为DN25(1吋)，镀锌钢管(外径33.5 mm，壁厚3.25 mm)；钢桁架截面上弦杆为DN25(1吋)，镀锌钢管(外径33.5 mm，壁厚3.25 mm)，下弦杆为￠12圆钢，腹杆为￠10圆钢。两种温室骨架如图3所示，荷载统计依据建筑结构荷载规范，见表1。

图3 钢拱架骨架侧视图

表1 骨架荷载统计

2.2 有限元模型建立

利用SAP2000建立模型，将实体模型中的倒角、土墙等对分析影响不大的特征去掉。试验温室大棚结构杆件采用梁单元模拟，截面形式为管状。两种温室结构的顶部支撑采用桁架单元，截面形式为圆管形，半径 0.03 m，厚度 4 mm。对于桁架结构，每根杆件作为一个单元。在该研究中，柱底部固结，不考虑土和基础的相互作用。钢拱架有限元模型图如图4所示。

图4 钢拱架有限元模型

3 极限承载力分析

利用竖向及侧向非线性静力推覆分析方法对结构进行推覆分析，获得温室结构极限承载力。分别以结构形式、跨度、长细比、构件锈蚀程度作为变量，分析不同变量对温室结构承载能力的影响规律。

3.1 不同结构形式对承载力的影响

基于非线性静力推覆分析理论，对温室结构在竖向均布荷载和侧向均布荷载作用下平面内极限承载力进行分析。采用位移控制，得到结构均布荷载与定点位移(P-Δ)曲线，如图5所示。其中结构跨度选择为L=8 m。

由图5可见，随荷载逐渐增加，结构竖向位移逐渐增加；超过极限位移时，荷载不再增大，且有一定下降趋势；在相同的矢跨比和长细比情况下，钢桁架结构的极限承载力高于钢拱架结构的极限承载力，竖向极限荷载高出33.3%，侧向极限荷载高出8.8%。这是由于拱架仅是起到支撑作用的弧形支架，而桁架结构由杆件彼此在两端用铰链连接而成，主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。

3.2 跨度对承载力的影响

分析跨度对钢结构极限承载力的影响时，分别选取跨度为4 m、6 m、8 m、10 m及12 m的钢拱结构及钢桁架结构进行对比分析，加载方式为竖向均布加载及侧向均布加载。不同温室结构极限荷载与跨度关系曲线如图6所示。

图5 结构P-Δ曲线

图6 极限承载力-跨度曲线

从图6可以看出，随跨度增大，结构竖向及侧向极限承载能力均有所下降；竖向荷载受跨度影响更大，其最大和最小下降幅度分别为14.3%和12.5%；而侧向极限承载力受跨度影响低于竖向，其最大和最小下降幅度分别为8.6%和3.3%。可见，在对温室结构选型时，应选择合理跨度，否则影响其承载能力，以避免承载能力不足导致结构破坏。

3.3 长细比对承载力的影响

长细比λ：

(5)

式中：μ为计算长度系数，当拱为两端固结时，μ= 0.5；i为截面的回转半径。

分析长细比对钢结构极限承载力的影响时，分别选取跨度为L=8 m的钢拱结构及钢桁架结构进行对比分析，加载方式为竖向均布加载及侧向均布加载。通过改变截面尺寸来改变截面的回转半径i，从而改变结构的长细比λ。不同温室结构极限荷载与长细比关系曲线如图7所示。

由图7可见，钢结构在长细比变化时，承载力随着长细比的增加而减小。这是由于随着构件的截面增大，结构的抗弯刚度随之增加，极限承载力也相应增加。但在实际工程中，应采用合理长细比，保证结构承载能力的同时不造成过多材料浪费。

3.4 钢材锈蚀对承载力的影响

锈蚀会降低钢材性能，从而影响温室结构极限承载能力。本文采用Lee等试验研究，钢筋随锈蚀模型对温室钢材的锈蚀进行模拟。材料性能如式(6)～(9)所示：

fyc=(1-1.98ηm)fy

(6)

fuc=(1-1.57ηm)fu

(7)

Esc=(1-1.15ηm)Ess

(8)

δc=(1-2.59ηm)δs

(9)

式中：fy、fu、Ess、δs分别为原始钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量和极限应变；fyc、fuc、Esc、δc分别为锈蚀后钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量和极限应变；ηm为钢筋的质量锈蚀率。

分析锈蚀对钢拱结构极限承载力的影响时，分别选择锈蚀率ηm为10%、20%、30%、40%的钢拱结构及钢桁架结构进行对比分析，加载方式为竖向均布加载及侧向均布加载。不同温室结构极限荷载与钢材致锈率关系曲线如图8所示。

图7 极限承载力-长细比曲线

图8 极限承载力-锈蚀率曲线

由图8可见，在钢材致锈率变化时，结构的承载力随着致锈率的增加而减小。拱架结构竖向荷载最大和最小下降幅度分别为18.86%和5.63%，桁架结构竖向荷载最大和最小下降幅度分别为17.46%和5.56%；而侧向极限承载力受跨度影响低于竖向，拱架结构侧向荷载最大和最小下降幅度分别为6.25%和2.91%，桁架结构竖向荷载最大和最小下降幅度分别为6.25%和1.43%；当致锈率为10%时，结构极限承载力下降不大，低于5%，致锈率增大至30%～40%时，结构的极限承载力下降近35%，致锈率增大至50%时，结构承载力下降超过50%，此时结构十分危险。随着结构材料致锈率的增大，材料性能衰减，极限承载力也相应减小。温室结构在使用过程中会遭遇干湿循环、冻融循环、风雪等灾害，导致钢材易锈蚀，从而影响结构安全性。因此，在实际工程中，应注意对材料的保护，增大其耐久性，延长温室结构使用寿命。

4 采暖热负荷分析

通常温室内最大热负荷出现在冬季最寒冷的夜间，不同的作物、不同品种、不同生长阶段，对温度有不同的要求。设置本温室结构室内温度为10 ℃，取室外温度为-20 ℃。提取围护材料传热系数及温室空间为变量，量化温室采暖热负荷影响规律。

4.1 围护材料的影响

外围护材是结构与外界直接接触的主要部位，直接与外界进行热量传递。由于围护材料的传热系数在一定程度上决定了外墙热工性能的优劣，所以本文以围护材料传热系数为变量，分析其对温室热负荷的影响。

常用的温室围护材料为单层聚乙烯膜，其传热系数K为6.8 W/(m2·K)，厚度为0.03 m覆棉毡的导热系数λ为0.04。通过改变材料形式、厚度等方式设置3.0 ～10 W/(m2·K)8种不同围护传热系数程度计算模拟负荷，得到建筑冷热负荷与外墙传热系数的关系如图9所示。

图9 热负荷-传热系数曲线

从图9可以看出，建筑的冷、热及总负荷均随外墙传热系数的增大而增大，呈现一定的线性增长，拟合总负荷关系式为y=3.7381x+ 33.202，R2=0.998；热负荷的最大及最小增长幅度分别为5.09%和11.53%。可见，当满足日照、采光及作物生长需求的条件下，应尽可能选择传热系数较小的围护材料，使温室能耗降低。

4.2 温室空间的影响

温室属于封闭且具有一定蓄热能力的建筑物，温室空间的大小在一定程度上影响热能渗透及地面热损失，所以本文以温室空间为变量，分析其对温室热负荷的影响。在进行温室空间影响分析时，设置温室为一个区，其余条件均不变，仅设置500 ～3 000 m36种不同温室空间计算模拟负荷，得到建筑冷、热负荷与温室空间关系如图10所示。