四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 張力索桁溫室設(shè)計(jì)與施工 吳 清明 1 丁 明剛 1 杜 娟 2 1 中交通力股份有限公司 四 川成都 610000 2 拉薩市設(shè)計(jì)院 西藏拉薩 850000 摘 要 張力索形桁架是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式 采用輕型鋼管平面框架與張力索形桁架相組合 可 作 成空間張力索桁溫室 采用有限元法作實(shí)用工程數(shù)值模擬建模 可在 PC 微機(jī)上計(jì)算 拱棚適合作塑膜張 拉使用 三角形桁架適合作玻璃安裝 便于作單元預(yù)制和安裝 索單元計(jì)算有彈性延伸變形 采用名義彈性 模量作索單元應(yīng)力剛化 使模擬簡(jiǎn)化建模計(jì)算簡(jiǎn)便 張力索桁溫室技術(shù)先進(jìn)和簡(jiǎn)單 形成現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展 大車間 關(guān)鍵詞 張力索桁溫室 索應(yīng)力剛化 名義彈性模量 中圖分類號(hào) TU375 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B 定 稿日期 2020 09 02 作者簡(jiǎn)介 吳清明 1940 男 本 科 正高級(jí)工程師 享受 國(guó)務(wù)院政府特殊津貼 已退休 杜娟 1976 女 碩 士 高 級(jí)工程師 一級(jí)注冊(cè)建筑師 從事規(guī)劃與城市設(shè)計(jì) 建 筑設(shè)計(jì) 景觀園林設(shè)計(jì)工作 1 張力索形桁架結(jié)構(gòu) 1 1 張 力索形桁架 張力索形桁架是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式 采用輕型鋼管 平面框架與張力索形桁架相組合 可作成空間張力索形桁 架 結(jié)構(gòu)整體剛度大 穩(wěn)定性好 重量很輕 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 施工 簡(jiǎn)便 經(jīng)濟(jì)合理 折線拉索和斜拉索都是高強(qiáng)度索 有輕型 鋼管平面框架自重作用 可形成空間穩(wěn)定索形桁架 1 2 張力索桁溫室 1 2 1 拱棚塑膜溫室 張力索形桁架與拱棚作組合應(yīng)用 在張力索形桁架上加 蓋拱棚塑膜溫室 室內(nèi)開(kāi)間很大 多跨連續(xù)可實(shí)現(xiàn)大面積農(nóng) 田覆蓋 起到保溫 防風(fēng) 雹 雪和保水作用 技術(shù)先進(jìn) 簡(jiǎn)單 經(jīng)濟(jì)實(shí)用 適合使用農(nóng)機(jī)耕作 適合用于荒地 沙漠作生態(tài)改 造 但是塑膜壽命僅 6 18 個(gè)月 成本較高 只適合作簡(jiǎn)易 拱棚溫室 1 2 2 三角形屋面桁架玻璃溫室 張力索形桁架與三角形桁架作組合應(yīng)用 在張力索形桁 架上加設(shè)三角形桁架和屋面檁條 安裝形成玻璃溫室 室內(nèi) 開(kāi)間很大 多跨連續(xù)可實(shí)現(xiàn)大面積農(nóng)田覆蓋 起到保溫 防 風(fēng) 雹 雪和保水作用 采用先進(jìn)建筑科學(xué)技術(shù) 技術(shù)簡(jiǎn)單 耐久性好 適合使用農(nóng)機(jī)耕作 改進(jìn)現(xiàn)代農(nóng) 牧業(yè)種植 養(yǎng)殖 生產(chǎn)環(huán)境條件 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益 可與太陽(yáng)能電池板 發(fā)電相結(jié)合 更為經(jīng)濟(jì)合理 玻璃溫室經(jīng)久耐用 其價(jià)格雖 高于塑膜 10 倍 但后期節(jié)省維護(hù)和更換成本 總體經(jīng)濟(jì)效益 良好 2 設(shè) 計(jì) 2 1 有限元模擬計(jì)算 張 力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室都是新型 結(jié)構(gòu) 采用索 梁?jiǎn)卧M合形成 必須做科學(xué)計(jì)算 以證明其 科學(xué)和正確性 采用有限元法作實(shí)用工程數(shù)值模擬建模計(jì) 算 能夠認(rèn)清其力學(xué)原理和內(nèi)力規(guī)侓 西北工業(yè)大學(xué)王國(guó)強(qiáng) 教授著有 實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在 ANSYS 上的實(shí) 踐 1 是對(duì)模擬建模計(jì)算的引導(dǎo) 2 2 抗 風(fēng)穩(wěn)定 張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室是穩(wěn)定結(jié) 構(gòu)形式 張力索形桁架是高大的變剛度桁架 結(jié)構(gòu)整體剛度 大 變形小和抗風(fēng)穩(wěn)定性好 塑膜適宜作拱棚張拉使用 扁 平的拱棚對(duì)風(fēng)作用的影響小 滿足了塑膜張拉和排水需要 很適合作成預(yù)制單元 安裝和使用更換簡(jiǎn)便 屋面桁架玻璃 溫室高度較小 對(duì)風(fēng)作用的影響小 滿足排水需要 也有陣 風(fēng)壓力影響抗風(fēng)穩(wěn)定問(wèn)題 除對(duì)平面框架結(jié)構(gòu)作剛度加強(qiáng) 外 主要是模擬積雪和風(fēng)荷載作活荷載作加載計(jì)算 在兩側(cè) 加設(shè)抗風(fēng)索保持穩(wěn)定 跨中頂面加設(shè)縱向預(yù)拱度排水 2 3 張力索桁溫室特點(diǎn) 2 3 1 拱棚塑膜溫室 張力索桁拱棚塑膜溫室是新型索桁結(jié)構(gòu) 由張力索形桁 架與拱棚塑膜二者相組合 各有其功能和特點(diǎn) 充分發(fā)揮各 自的獨(dú)特作用 使施工簡(jiǎn)便 維修方便 張力索形桁架是主 要承力結(jié)構(gòu) 索的強(qiáng)度很高 很適合作大跨度和連續(xù)多跨使 用 張力空間索桁的技術(shù)先進(jìn)且經(jīng)濟(jì) 縱梁形式簡(jiǎn) 繁均可 采用鋼管或輕型 U 形鋼結(jié)構(gòu) U 形梁兼作排水槽 剛度大便 于行人作架設(shè)安裝 塑膜維護(hù)和保溫操作 拱棚適合塑膜張 緊成型 采用輕鋼或鋼管 30 mm 和鋼筋 D 6 5 mm 拉桿作 矢高 h 80 cm 自身平衡的弓弦梁骨架 按間距 2 m 分個(gè)長(zhǎng) 度 4 m 單元制作 簡(jiǎn)便 便于安裝 維修和排水 在拱棚兩端 設(shè)木條邊梁固定弓弦梁 采用多根竹桿支撐作整體穩(wěn)定 以 便拱棚作單元預(yù)制和安裝 一般在縱梁鋼管下安裝聚酯塑 布吊袋槽排水 使排水施工和維修簡(jiǎn)便 2 3 2 屋面玻璃溫室 屋面玻璃溫室與拱棚塑膜溫室功能相當(dāng) 耐久性更好 602 工 程 結(jié) 構(gòu) 四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 采 用輕鋼或角鋼 L50 50 4 作三角形桁架和屋面檁條 按 桁架高度 1 m 和間距 2 m 架設(shè) 施工架設(shè) 安裝和維修方便 3 計(jì) 算 3 1 方 法 采用有限元實(shí)用工程數(shù)值模擬建模計(jì)算 對(duì)鋼管縱 橫 梁的平面框架結(jié)構(gòu) 可以作簡(jiǎn)化近似計(jì)算 不影響張力索形 桁架的內(nèi)力 使計(jì)算工作簡(jiǎn)單 計(jì)算結(jié)果全面 詳細(xì) 能夠全 面反映內(nèi)力真實(shí)情況 3 2 建模 3 2 1 建模原理 有限元程序是先將結(jié)構(gòu)作劃分單元離散處理 然后再作 數(shù)學(xué)計(jì)算處理 計(jì)算是對(duì)結(jié)構(gòu)偏微分方程作積分求解 有限 元法計(jì)算原理有 美 J S 矩陣結(jié)構(gòu)分析理論 2 結(jié) 構(gòu)體 系作內(nèi) 外力平衡計(jì)算 按單元?jiǎng)偠茸鲀?nèi)力分配和傳遞 矩陣 力學(xué)計(jì)算方法先進(jìn)科學(xué) 已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用 3 2 2 建模技術(shù) 張力索桁折線拉索采用高強(qiáng)度鋼絞線 索單元計(jì)算有彈 性延伸變形 采用名義彈性模量作索單元應(yīng)力剛化 使模擬 簡(jiǎn)化建模計(jì)算簡(jiǎn)便 索應(yīng)力剛化請(qǐng)?jiān)斠?jiàn) 實(shí)用工程數(shù)值模擬 仿真建模計(jì)算 內(nèi)容 3 2 2 1 塑膜溫室建模 張力索桁拱棚塑膜溫室建模和屋面桁架玻璃溫室模型 有索 梁兩種單元類型 索 梁?jiǎn)卧：?jiǎn)單 縱 橫梁相互間 配合組合亦簡(jiǎn)單 單元建模有規(guī)侓性可循 可利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱 性作簡(jiǎn)化 使模擬建模簡(jiǎn)便 3 2 2 2 MIDAS CIVL 程序計(jì)算 對(duì)邁達(dá)斯程序索單元作應(yīng)力剛化 采用名義彈性模量 E 4 1 95 10 11 7 80 10 11 MPa作 計(jì)算 修改索單元彈性 模量賦值方便 輸入自己定義名義彈性模量 E 7 80 10 11 MPa 經(jīng) 驗(yàn)值 采用索應(yīng)力作安全控制 3 2 2 3 建模經(jīng)驗(yàn) 邁達(dá)斯程序節(jié)點(diǎn)和單元建模 移動(dòng) 復(fù)制和修改功能強(qiáng) 簡(jiǎn)便實(shí)用 拋物線索建模 可利用程序基本結(jié)構(gòu)拱建模助 手 將自動(dòng)形成拱曲線旋轉(zhuǎn) 180 即可 折線拉索可以修改 拋物線索形成 縱 橫梁均為鋼管相互組合建模 可以作直 接相連接的簡(jiǎn)化處理 先建立一定長(zhǎng)度基本節(jié)段 再作節(jié)段 復(fù)制很簡(jiǎn)單 斜拉索建模形成方便 4 塑 膜溫室特性 4 1 技 術(shù)先進(jìn)性 張力索桁結(jié)構(gòu)是新型的建筑結(jié)構(gòu)形式 充分發(fā)揮索的高 強(qiáng)度優(yōu)勢(shì) 結(jié)構(gòu)自重輕 整體剛度大和穩(wěn)定性好 使其具有大 跨度能力 拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室結(jié)構(gòu)僅承受 風(fēng) 雨 雪 雹荷載 結(jié)構(gòu)是自重小的輕型鋼管梁骨架 跨度 40 120 m 單跨或連續(xù)多跨均可 跨度小的塔柱高度小 以寬 度 10 m 為基本單元較適合 可組合形成任意寬度的矩形大 型塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室 等于是將地面的溫室懸吊 在空中 形成農(nóng)業(yè)溫室大車間 4 2 技術(shù)應(yīng)用 張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室是懸吊結(jié) 構(gòu) 溫室復(fù)蓋面積大 小 應(yīng)按需要而定 使其經(jīng)濟(jì)合理 經(jīng)濟(jì) 性受塔柱和錨碇影響大 塔架可以是鋼管或鋼筋混凝土柱 采用弧形鋼板索槽與抹黃油作索鞍 錨碇可采用預(yù)應(yīng)力樁 板組合式結(jié)構(gòu) 充分利用地基抗力作用 跨度小和連續(xù)多跨 最為經(jīng)濟(jì) 主拉索的垂 跨比選擇 可使其內(nèi)力合理和經(jīng)濟(jì) 斜拉索分段長(zhǎng)度也應(yīng)合理 張力索桁屋面桁架玻璃溫室是 耐久結(jié)構(gòu) 更適合農(nóng)業(yè)發(fā)展需要 5 算 例 5 1 模 型數(shù)據(jù) 屋蓋面積 A 300 300m 2 跨 度 l 60m 長(zhǎng)度 L 300m 寬度 任意 B 300m 基本單元寬度 b 10m 對(duì)稱性計(jì)算建模面積 F L 2 B 2 150 150m 2 弦 桿鋼管 80 3mm 橫梁鋼管 50 3mm 塔柱變徑鋼管 800 6mm 塔柱頂橫梁工字鋼 500 12mm 索鞍 d 500mm 主拉索 垂 跨 F L 1 20 主拉索 n 7 15 24 鋼 絞線 斜拉索 n 15 24 鋼絞線 5 2 建模 風(fēng) 雨 雪 雹 荷載 采用恒載加大系數(shù) 1 5 考慮 塑膜溫室模型 L 60m 節(jié)點(diǎn) 27 554 梁?jiǎn)卧?35 200 玻璃溫室模型 L 60m 節(jié)點(diǎn) 8 078 梁?jiǎn)卧?21 712 塔架 變徑鋼管按板單元建模 5 3 計(jì)算 聯(lián)想 C20 工作站 PC 微機(jī)均可 5 3 1 拱棚塑膜溫室 計(jì)算結(jié)果 圖 1 圖 4 圖 1 計(jì) 算反力 R x R y R z 圖 2 計(jì) 算變形 5 3 2 屋 面玻璃溫室 計(jì)算結(jié)果 圖 5 圖 8 5 4 計(jì)算結(jié)論 張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室 按有限元 實(shí)用工程數(shù)值模擬建模計(jì)算獲得成功 計(jì)算順利 計(jì)算成果 全面 云圖顯示形象清楚 便于認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)特性 充分證明張 力索桁拱棚塑膜溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 先進(jìn)合理 施工簡(jiǎn)便 經(jīng)濟(jì)合 702 工 程 結(jié) 構(gòu) 四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 圖 3 計(jì) 梁?jiǎn)卧獌?nèi)力 F x 圖 4 單 元寬度 10m 計(jì)算梁?jiǎn)卧獌?nèi)力 F x 圖 5 計(jì) 算反力 R x R y R z 圖 6 計(jì) 算變形 圖 7 計(jì) 算內(nèi)力 F x 圖 8 單 元寬度 10m 計(jì)算內(nèi)力 F x 理 張 力索桁塑棚溫室采用 10 m 寬度基本單元建模 便于 作任意橫向加寬復(fù)制 對(duì)張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁 架玻璃溫室作單元計(jì)算 證明結(jié)構(gòu)剛度大和穩(wěn)定性好 與橫 向加寬后的整體計(jì)算結(jié)果接近 6 施 工 6 1 索 長(zhǎng)計(jì)算 測(cè)定塔柱和錨碇的實(shí)際位置坐標(biāo)和高程 用于建模設(shè)計(jì) 作修正計(jì)算 再量測(cè)確定拉索的分段和斜拉索的長(zhǎng)度 按各 計(jì)算拉力計(jì)算彈性延伸長(zhǎng)度 用各計(jì)算索長(zhǎng)扣除其彈性延伸 長(zhǎng)度 即得到錨固 索鞍和索夾的位置和下料計(jì)算長(zhǎng)度 并作 好標(biāo)志備用 6 2 安裝 在地面作簡(jiǎn)單鋼管平面框架鋼管框架拼裝 作好結(jié)構(gòu)防 護(hù) 并在拉索安裝好索夾和斜拉索 作好與平面框架鋼管的 連接 完成拉索和斜拉索環(huán)氧聚合物膩?zhàn)?3 防 護(hù) 6 3 架設(shè) 在塔柱設(shè)提升吊點(diǎn) 在跨中用吊車作提升平面框架 比設(shè)計(jì)位置高 1 2 m 對(duì)索在鞍位置先作預(yù)彎曲成型 將 拉索提升安裝就位和作好錨固 再逐漸降落平面框架 完 成拉索的自動(dòng)張拉 最后作拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃 溫室單元預(yù)制和安裝 再在縱梁鋼管下安裝聚酯塑布吊袋 槽排水 7 結(jié) 語(yǔ) 7 1 張力索桁結(jié)構(gòu)意義 對(duì) 懸索吊橋技術(shù)的發(fā)展研究 引出張力索形桁架 張力 索桁溫室 是結(jié)構(gòu)力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展 7 2 索應(yīng)力剛化 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力索在有限元程序中應(yīng)用 采用名義彈性模 量 E 7 80 10 11 經(jīng)驗(yàn)值作量化處理 避免結(jié)構(gòu)剛度矩 陣和 坐標(biāo)發(fā)生變化 使用簡(jiǎn)便 合理 7 3 計(jì)算 使用有限元實(shí)用工程數(shù)值模擬建模計(jì)算 PC 微機(jī)可滿 足計(jì)算需要 可解決大跨度張力索桁溫室的計(jì)算 7 4 應(yīng)用 張力索桁溫室結(jié)構(gòu)自重很輕 高強(qiáng)度索起到穩(wěn)定空間桁 架作用 抗彎剛度大和穩(wěn)定性好 具有明顯經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì) 結(jié)構(gòu)技術(shù)簡(jiǎn)單 對(duì)現(xiàn)代農(nóng) 牧業(yè)種植 養(yǎng)殖發(fā)展用途廣泛 塑 膜溫室簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì) 玻璃溫室耐久性很好 7 5 發(fā)展 溫室的發(fā)展受造價(jià)的影響大 張力索桁溫室是將地面拱 棚塑膜溫室和桁架玻璃溫室提升到空中 形成超大型溫室車 間 便于農(nóng)機(jī)使用 更經(jīng)濟(jì)合理 張力索桁技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯 對(duì) 發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大 參 考 文 獻(xiàn) 1 王國(guó)強(qiáng) 實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在 ANSYS 上的實(shí)踐 M 西安 西北工業(yè)大學(xué)出版社 1999 2 普齊米尼斯基 矩陣結(jié)構(gòu)分析理論 M 王德榮 等 譯 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 1975 3 塞默德杰夫 金屬與金屬的膠接 M 陸宏鈞 譯 北京 國(guó) 防工業(yè)出版社 1975 802 工 程 結(jié) 構(gòu)