基于临时加固策略的日光温室极端风雪灾害对策

杨升华，刘雪迎，蒋秀根

(中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083)

日光温室作为我国自主研发的温室结构，其造价低廉、搭建简单、节能环保，深受农民喜爱，在北方地区发展迅猛，已成为我国设施农业一大主体.目前全球气候状况严峻，极端灾害频发，国家新《建筑结构荷载规范》已将各地风雪荷载修订提升[1].日光温室对风雪荷载较为敏感，极端天气下受灾垮塌时有发生，造成较大损失.倒塌原因主要为骨架或承重墙失效.墙体破坏多由水灾引起，土制后墙浸水变软[1]，丧失承载能力，引发结构坍塌[2]；骨架破坏主要由于极端风雪荷载作用造成，破坏形式包括部分和整体的强度破坏及失稳破坏.日光温室的结构特点导致失稳破坏为主要失效形式[3].提升温室骨架安全性，防止其受风雪荷载失稳破坏，对保证日光温室结构安全有重要意义.

目前国内外研究主要为室内光、温、湿度等环境方面研究[4-5]，在温室结构安全方面的研究相对不足；结构研究以温室结构稳定性分析[6-8]、骨架选材、系杆布置、屋面曲线等优化设计[8-11]、风雪荷载在温室结构上的计算取值为主[12-14].部分学者还研究了温室薄膜结构及蒙皮效应等对温室结构稳定性的影响[3,15-16].这些研究都旨在提升未建温室的抗灾承载能力，对已建温室的救灾应急帮助不大.应急措施多为经验总结，包括大风灾害下的日光温室压膜措施[17]及水灾后温室的维修应对办法[18]；还有学者研究了温室加强板、斜撑等永久骨架加固办法[19]及可拆卸单柱的温室抗雪加固办法[20].总的来说，关于临时加固提升日光温室结构承载能力的研究很少.临时加固作为小成本、高回报的办法，用于保证温室结构安全，应对突发频发的极端风雪灾害有重要意义.

文中采用ANSYS有限元分析软件建立模型，模拟日光温室单榀骨架在风荷载、雪荷载、风主导的风雪荷载以及雪主导的风雪荷载4种工况作用下倒塌的全过程，确定了极端风雪灾害下日光温室骨架的失稳变形规律，根据变形规律找出临时加固办法，并验证其有效性.

1 受灾失效形式

为研究日光温室骨架在极端风雪荷载下的失效形式，参考国内常用日光温室结构尺寸，研究模型参数如下：温室跨度8 m，脊高3.8 m，后墙高2.6 m，前屋面角30°，后屋面仰角40°.前后拱杆为38 mm×3.0 mm圆管，斜撑为30 mm×2.5 mm圆管，材料为Q235钢，示意图如图1所示.加固顶杆为木制，拉索为尼龙，其尺寸建议将在后文加固办法中提出.拱杆与后墙、基础视为固定连接；前后拱杆、拱杆与斜撑杆、拱杆与拉索、拱杆与加固顶杆间均视为铰接；顶杆下部与基础为铰接.

图1 日光温室单榀骨架

不同工况下日光温室结构的失稳形式如图2所示，温室结构荷载-位移曲线如图3所示.

图2 不同工况下日光温室结构的失稳形式

图3 不同工况下日光温室结构荷载-位移曲线

1.1 雪载作用

1)失稳形状.雪荷载下日光温室骨架失稳形式如图2a所示，荷载-位移曲线如图3a所示.结构受竖向均布荷载，屋面拱失稳压扁.前屋面中下部向左下方沉降，最大位移出现在跨中靠右位置.屋面上部略微上抬，斜撑杆与前屋面连接处附近上抬最为严重.结构向左略微移动，平均左移15 mm.整体来看，骨架坡脚、屋脊及后屋面变形较小，前屋面中下部变形较大.

2)最大位移点.结构最大位移点为10号节点，位于距坡脚约1/4跨位置，总位移66 mm.危险点(与最大下沉点相对应最大上抬点)为31号节点，位于斜撑前拱杆连接处，总位移25 mm.

1.2 风载作用

由于结构和荷载作用形式的影响，造成日光温室骨架失稳的主要为风压力，但风吸力也可能对结构变形规律、承载能力带来一定影响，所以分析时应考虑风吸效应.文中日光温室骨架右侧下半部分受压(3到14号节点)，上半部分(15到29号节点)受吸、后屋面受吸.

1.2.1考虑风吸作用

1)失稳形状.考虑风吸时结构失稳形式如图2b所示，荷载-位移曲线如图3b所示.结构受垂直于表面的均布荷载，前屋面拱失稳压扁.屋面中下部向左下方沉降严重，最大位移出现在跨中靠右位置，总位移和水平方向分位移均比雪荷载时大.上部屋面较雪载用作上抬严重，坡脚附近变形也比雪荷载时严重，屋脊与斜撑间前屋面为危险位置.后屋面略微上抬，结构整体向左移动，平均左移36 mm.

2)最大位移点.最大位移点为9号节点，位于距坡脚约1/4跨位置处，位移为159 mm.危险点为斜撑附近27号节点，位移为88 mm.

1.2.2不考虑风吸作用

1)失稳形状.不考虑风吸时结构失稳形式如图2c所示，荷载-位移曲线如图3c所示.参考图2b可知不考虑风吸作用时结构失稳变形规律与考虑风吸时基本一致，最大位移点相同.区别在于不考虑风吸时，前屋面上部上抬较小.通过对比荷载位移曲线发现风吸使结构失稳荷载降低.由于风吸对结构变形及承载能力均有不利影响，所以后文研究均考虑风吸作用.

2)最大位移点.最大位移点仍为9号节点，位移为151 mm.危险点为28号节点，位移为72 mm.

1.3 风雪组合作用

不同地区风雪荷载严重程度不尽相同，分别将风荷载、雪荷载作为风雪荷载组合的主导荷载进行分析.

1.3.1风荷载主导

风荷载为雪荷载的1.5倍.

1)失稳形状.风主导下风雪作用失稳形式如图2d所示，荷载-位移曲线如图3d所示.结构受组合荷载影响时，整体变形与风荷载单独作用基本一致.结构整体左移动35 mm，最大位移点与风荷载单独作用时相同，位于跨中靠右位置.失稳时，最大位移点及附近变形略小于风荷载单独作用，大于雪荷载单独作用.

2)最大位移点.最大位移点为9号节点，位移为148 mm.危险点为28号节点，位移为71 mm.

1.3.2雪荷载主导

雪荷载为风荷载的1.5倍.

1)失稳形状.雪主导下风雪作用失稳形式如图2e所示，荷载-位移曲线如图3e所示.虽然雪为风雪主导荷载，结构整体变形仍与风主导时基本一致.但由于风的作用相对较小，前屋面上部吸力与下部压力联合作用造成的屋顶上抬比风主导时小，坡脚附近的变形也比较小，结构的整体左移26 mm.失稳时，最大位移点及附近变形小于风主导下的风雪荷载工况，大于雪荷载单独作用工况.

2)最大位移点.最大位移点为10号节点，位移为108 mm.危险点为28号节点，位移为53 mm.

1.4 失效规律分析

1)失稳特征.4种风雪工况下温室结构的失稳规律基本一致，均为前屋面拱中下部压扁失稳.下部压扁的同时上部上抬；后屋面略微上抬，结构整体向左略微移动.区别在于，有风荷载参与荷载组合时结构失稳位移更大，前屋面中下部下沉与上部上抬及坡脚处的变形更为严重，结构向左的整体位移也比雪荷载作用时大.雪荷载在参与荷载组合时对结构位移有抑制作用，会减小结构失稳时的变形.失稳时结构最大位移按工况由大到小依次为风荷载、风主导的风雪荷载、雪主导的风雪荷载、雪荷载.

2)最大变形点.4种工况最大变形位置与危险位置大致相同，均在前屋面拱中下部位.风载作用时候最大变形点为9号节点，雪载作用最大变形点为10号节点，风荷载下最大变形点比雪荷载位置略微右移.风主导下风雪荷载的最大变形点位置与风荷载工况一致，雪主导下风雪荷载最大变形点位置与雪荷载工况一致.各工况潜在危险点均在斜撑与前拱杆连接处上方，有风荷载参与的工况坡脚附近可能出现危险.不同载荷作用下最大变形点、最大位移、危险点、危险点位移、结构平均左移如表1所示.

表1 不同工况下日光温室结构变形情况统计

2 减灾对策

2.1 减灾措施

日光温室应对风雪灾害的常见措施有防灾、抗灾、消灾、救灾4种.防灾措施通过正确选址、选型降低温室可能承载.抗灾措施指设计温室时保证其强度刚度足够，减小破坏可能性.消灾措施指灾后及时扫雪除冰，或通过破拆覆膜的办法减小荷载作用面积，消除作用在结构上的灾害荷载，以应对极端风雪天气.救灾措施指灾前结构应急加固措施，通过设置顶杆、拉索等办法，限制结构位移，以提高结构整体承载能力.

2.2 加固方法

除救灾加固措施，另外3种办法都有一定的局限性，如表2所示.如对生产生活需要不得不建造日光温室的风雪灾害地区，无论怎样选址选型都无法避免受灾问题；很多农村在设计建造日光温室时缺乏科学指导，承受力与刚度达不到抗灾标准；扫雪除冰需要灾害过后，温室在受灾中途就可能倒塌；拆除覆膜的办法基本可以保证骨架安全，但导致作物绝收，仍造成不小的经济损失.

表2 不同减灾措施对比

救灾加固措施，作为4种方法里通用性最好的一种，只需准备材料即可对温室结构薄弱处提前进行加固.由于日光温室骨架多由大柔度细长杆件组成，其主要破坏形式为失稳破坏.通过限制结构大变形处位移，改变结构失稳形式，可以很大程度地提升结构的失稳荷载，充分发挥材料强度.采用临时顶杆顶撑或拉索固定等办法，对温室结构受载变形最大处予以支撑，限制结构的失稳变形趋势，可以较大程度地提高结构极限承载能力.该方法适应性强、操作简单、成本较低，不需要专业人员工具，根据天气预报即可做好灾前准备，将经济损失降到最小.对建成时间较长、承载能力下降的老旧温室，和受到台风、暴雪预警地区的温室，有良好的实践意义.

3 加固方案及效果验证

根据不同的灾害荷载，可在温室骨架不同位置进行加固.研究中加固顶杆均为竖直放置.由前文分析温室结构受载时有略向左移动的趋势，且为了便于顶紧放置，实际操作中顶杆可略微向右倾斜，对抗风荷载时倾斜可比对抗雪荷载时稍大.

3.1 雪载作用

加固办法为对最大位移点10号节点进行顶撑，结果如图4-5所示.

雪荷载下单杆加固后结构失稳形式如图4a所示，荷载-位移曲线如图5所示.单杆加固后可大幅减小结构中下部拱的失稳变形，原雪载作用下变形最大部位经加固后已很安全.但失稳荷载提升不大，这是因为顶撑改变了结构的失稳模式，在前屋面靠屋脊处较平部分出现了新的失稳.新最大位移点为26号节点，总位移29 mm.由于承载力仅提升11%，没有达到理想状态，继续对结构进行加固.

图4 温室结构受雪荷载失稳形式

增设双杆加固失稳形式如图4b所示，荷载-位移曲线如图5所示.最大变形部位由屋脊附近变成跨中.14号节点为最大位移点，总位移32 mm.承载力提升47%.根据《农业温室结构荷载规范》[21]，多数地区二十年一遇雪荷载比十年一遇大10%～20%.日光温室设计使用年限为10 a，假设温室强度达到R10，加固后已足够应对R30以上荷载.

图5 温室结构雪荷载-位移曲线

增设3杆加固后失稳形式如图4c所示，荷载-位移曲线如图5中所示.对极端雪灾，或本身承载能力下降较多温室，可在雪灾时在跨中继续增加顶撑，失稳荷载可以提升129%，可留作应急预案.3杆顶撑后最大位移点变为近坡脚处6的号节点，总位移39 mm.

3.2 风载作用

加固办法为对最大位移9号节点进行顶撑，对27号危险点进行拉紧，结果如图6-7所示.风荷载下单杆加固后结构失稳形式如图6a所示，荷载-位移曲线如图7所示.同雪荷载下单杆顶撑，支撑可以有效减小前屋面中下部拱的变形，失稳荷载提高154%.由于风与雪荷载的作用方向不同，且考虑风吸影响，支撑后最大位移点26号节点出现在未经加固时风载作用危险点附近，总位移56 mm，结构上抬失稳.

单杆加拉索加固后失稳形式如图6b所示，荷载-位移曲线如图7所示.由于无加固时结构前屋面中下部受风压失稳，拉紧上部危险点并不能有效限制最大变形点的位移，单纯使用拉索对结构承载能力提升很小，所以拉索与顶杆同时使用；拉索上部绑扎在上抬最大位置，下部绑扎于骨架与后墙连接处即可.加固后，由于拉索限制了屋面上部位移，新的最大变形部位出现在无加固时风载潜在危险点坡脚附近，5号节点为最大位移点，总位移34 mm，承载能力提高164%.

图7 温室结构风荷载-位移曲线

研究中采用12 mm尼龙绳作为拉索，布置后可使26号危险点位移减小27 mm.选用5和20 mm尼龙绳再次试验后发现可使该点位移分别减小12和39 mm.较细的5 mm尼龙绳约束后最大变形点仍为26号节点，12和20 mm尼龙绳约束后最大变形点变为坡脚处6号节点.粗尼龙绳抗拉刚度大，更好地限制结构的位移，不同粗细的绳索下骨架失稳模式虽然改变，但承载能力几乎不变，均较单杆加固有一定提升，但提升不明显.一般情况下，拉索可设置在温室外用于压紧覆膜，防止风吸造成薄膜鼓包，有良好效果.但由于其材料便宜、操作简便，必要时也可用于骨架加固，安装后即可长期保持，无需拆卸.

双杆加拉索加固后失稳形式如图6c所示，在增加拉索后再在坡脚附近增设一道顶杆.可使承载力提升300%，新的最大变形位置出现在跨中，12号节点为最大位移点，总位移35 mm.

图6 温室结构受风荷载失稳形式

3.3 风雪组合作用

3.3.1风主导风雪荷载

加固办法为对最大位移9号节点进行顶撑，结果如图8-9所示.风主导风雪荷载下单杆加固后结构失稳形式如图8a所示，荷载-位移曲线如图9所示.加固后的新失稳形式与单独风雪荷载作用时都不相同.支撑大幅减小了前屋面拱下部的位移，但在跨中部分仍有较大的变形.由于风雪荷载组合作用，屋脊附近的风吸力减轻了雪的竖向压力，雪压又抑制了风吸造成的屋面上抬，所以风雪组合工况屋面上部的潜在危险点位移较风雪单独作用时小，单杆加固后原危险点并不会成为新的最大变形点.所以支撑效果相对风雪单独作用时更好，承载能力提升245%.新最大位移点为13号节点，总位移64 mm.

跨中增设双杆加固后失稳形式如图8b所示，荷载-位移曲线如图9所示.屋面中上部整体变形减小，靠近坡脚处变形增大.6号节点为新最大变形点，总位移39 mm，支撑后承载能力提升273%.可见风主导下的风雪荷载单杆加固后即可取得很好效果，结构强度已充分利用，双杆加固对结构整体承载能力提升不大.

图8 温室结构受风主导风雪荷载失稳形式

图9 温室结构风主导风雪荷载-位移曲线

3.3.2雪主导风雪载荷

加固办法为对最大位移点10号节点进行顶撑，结果如图10-11所示.雪主导风雪荷载下单杆加固后结构失稳形式如图10a所示，荷载-位移曲线如图11所示.与风主导时风雪荷载不同，加固后结构最大变形点出现在坡脚而非跨中，前屋面中上部整体变形减小，新的最大位移点为6号节点，总位移47 mm.失稳荷载提升203%，效果良好.

在坡脚增设加双杆加固后，失稳形式如图10b所示，荷载-位移曲线如图11所示.加固后坡脚变形减小，跨中变形增大.最大位移点变为13号节点，总位移210 mm，失稳荷载提升264%.

图10 温室结构受雪主导风雪荷载失稳形式

图11 温室结构雪主导风雪荷载-位移曲线

3.4 通用方法

由上述分析可得，任意荷载组合下都为前屋面拱9、10号节点首先压溃失稳.因此所有情况下都可在9号节点附近，约靠近坡角1/4跨处进行加固顶撑.加固此处后结构对风荷载、风雪组合荷载承载能力都有较大的提升，但对雪荷载承载能力提升不够理想.除雪荷载时在屋脊附近加用双杆外，其他荷载均可采用单杆通用加固办法.

3.5 加固选材

选材时应遵守易获取、低成本的原则.推荐将尼龙绳和木杆作为加固材料.两种材料皆为非线性材料，研究中简化为线性分析.尼龙拉索弹性模量取3.8 GPa，抗拉强度50 MPa,泊松比0.4.木顶杆为顺纹方向受力，取木材顺纹抗压强度50 MPa，弹性模量9 171 MPa，泊松比0.36[22].

3.5.1拉 索

对抗风拉索，一般尼龙材料的抗拉强度在50 MPa以上，本研究中选取的20 mm拉索最大应力为9.5 MPa，12 mm拉索应力最大应力为18 MPa，5 mm拉索的最大应力为32 MPa，强度均可满足要求.过细的绳索变形较大且强度不够，为便于采取进一步加固措施，建议选取12 mm以上尼龙绳作为拉索，长度按实际固定位置修剪即可.

3.5.2顶 杆

不同工况下顶杆位置与承受荷载大小均不相同.按长度大致可分为分为长、中、短、超短4种.长顶杆用于前屋面靠近屋脊处加固，中顶杆用于跨中处加固，短顶杆用于距坡脚1/4跨处加固，超短顶杆用于坡脚起1/8跨加固.对于本研究中的温室，长顶杆统一取3.6 m，中顶杆2.8 m、短顶杆2.0 m、超短顶杆1.2 m，实际使用时大概测量对应水平位置的高度即可.由于单杆加固对结构风荷载、风雪组合荷载承载能力提升都较好，后续加固都基于次基础上，应多准备2.0 m左右的短顶杆，其次为雪灾双柱加固所需长顶杆，其余顶杆按需准备.由于加固后结构承载能力提升较大，多数情况不需发挥结构全部承载能力，分析时取各工况下顶杆最大轴力的70%作为顶杆荷载.根据强度准则，最大承载4 332 N只需要r=0.6 cm杆件即可满足抗压要求.但因为顶杆为细长杆件，下端与基础连接为半刚性连接，其刚度低于固接，分析时为安全起见简化为铰接，实际情况下顶杆仍能承受一定弯矩，也有受灾断裂的情况.所以对给顶杆初始缺陷后，亦对顶杆进行极限承载下的失稳分析，结果如表3所示.推荐尺寸r为圆顶杆在下端固接时受最大承载而不发生失稳破坏的最小半径.

由于实际材料、荷载状况都有一定差异，杆件不一定需参照表3选取.但从分析中可以看出，考虑失稳时杆件所需尺寸明显大于只考虑强度时的尺寸；各种荷载下短顶杆的负荷都较大.由于短杆受力较大，长杆长度较大，使用时易产生失稳危险，所以可适当增加此二类顶杆直径，保证其截面积足够即可.

表3 顶杆位置及尺寸建议

4种工况下日光温室临时加固方法与加固前后承载能力对比如表4所示.

表4 4种工况下不同加固措施对比结果

4 结 论

1)各种风雪荷载作用下，日光温室失效模式均为前屋面中下部压扁失稳，不同工况下失稳荷载与变形规律有一定区别.风荷载参与荷载组合时结构位移更大，局部变形更为明显.雪荷载参与荷载组合时对结构位移有抑制作用，减小结构的失稳变形.

2)采用临时加固的办法可以有效提升日光温室的风雪承载能力.分析表明，对不同风雪荷载，初次加固位置均为前屋面中下部分；根据实际情况、加固效果，可采用进一步的加固办法.雪荷载作用时，加固办法使结构承载力提升11%～129%，一般雪载情况下双杆加固即可.风荷载作用时，加固办法使结构承载力提升154%～300%，主要单杆加固即可.特大风灾可采用双杆加固搭配拉索.风主导的风雪荷载作用时，加固办法使结构承载力提升245%～273%，雪主导的风雪荷载作用时，加固办法使结构承载力提升203%～264%.一般情况下采用单杆加固即可充分利用材料强度.

3)对风雪频发叠发、不便区分大小的地区，应对雪荷载至少应使用双杆加固.其余情况可采用单杆加固距坡脚1/4跨位置作为日光温室结构的通用加固办法.