第38卷 第19期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 38 No 19 172 2022年 10月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct 2022 雪荷載作用下幾字型鋼日光溫室極限承載力分析 王 聰1 姜迎春2 徐占洋1 張 峰1 白義奎1 王鐵良1 1 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 沈陽(yáng) 100866 2 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 沈陽(yáng) 100866 摘 要 雪災(zāi)是導(dǎo)致日光溫室倒塌的主要原因之一 為探明幾字型鋼日光溫室在雪荷載作用下的失穩(wěn)機(jī)理 該研究采用 有限單元法 以8 m跨日光溫室為研究對(duì)象 模擬其在雪荷載 均勻分布雪荷載和非均勻分布雪荷載 作用下的失穩(wěn)破 壞過(guò)程 計(jì)算其極限承載力 并探究縱向系桿 初始幾何缺陷 截面參數(shù)對(duì)極限承載力的影響 結(jié)果表明 對(duì)于凈截面 面積 上翼緣寬度 腹板高度和壁厚均相同的幾字型鋼和空心矩形鋼管 幾字型鋼日光溫室極限承載力稍高于空心矩形 鋼管日光溫室極限承載力 相較于均勻分布雪荷載 日光溫室拱架對(duì)非均勻分布雪荷載更為敏感 非均勻分布雪荷載作 用下的極限承載力約是均勻分布雪荷載作用下的28 在日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 應(yīng)重點(diǎn)考慮非均勻分布雪荷載工況 在 非均勻分布雪荷載作用下 屋脊和后屋面支座處為危險(xiǎn)截面 最先進(jìn)入全截面屈服狀態(tài) 縱向系桿的設(shè)置可有效抑制結(jié) 構(gòu)平面外變形 進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)極限承載力 有縱向系桿約束條件下的結(jié)構(gòu)極限承載力約是無(wú)縱向系桿約束條件下的1 25 倍 該日光溫室拱架對(duì)初始幾何缺陷敏感度較低 當(dāng)最大初始幾何缺陷幅值從5 mm增加到20 mm時(shí) 極限承載力降低 約2 在幾字型鋼截面選取時(shí) 在滿足規(guī)范要求寬厚比前提下 建議上翼緣寬度與翻邊寬度之比控制在4 17左右 腹 板高度與翻邊寬度之比不大于9 25 下翼緣寬度與翻邊寬度之比不大于1 7 上翼緣寬度與下翼緣寬度之比控制在3 33 左右 腹板高度與下翼緣寬度之比控制在4 67左右 該研究結(jié)果可為開(kāi)口冷彎薄壁型鋼日光溫室拱架抗雪設(shè)計(jì)提供參考 關(guān)鍵詞 溫室 承載力 荷載 有限單元法 失穩(wěn)破壞 冷彎薄壁型鋼 開(kāi)口截面 截面優(yōu)化 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 19 019 中圖分類號(hào) S26 S625 1 TU261 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2022 19 0172 08 王聰 姜迎春 徐占洋 等 雪荷載作用下幾字型鋼日光溫室極限承載力分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2022 38 19 172 179 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 19 019 http www tcsae org Wang Cong Jiang Yingchun Xu Zhanyang et al Ultimate bearing capacity of the solar greenhouse with hat shaped steel under snow loads J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 19 172 179 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 19 019 http www tcsae org 0 引 言 日光溫室是一種具有中國(guó)特色 擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 設(shè)施類型 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 節(jié)約能源 經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高 等優(yōu)點(diǎn) 1 作為一種農(nóng)業(yè)建筑 其不僅要給植物提供適宜 的生長(zhǎng)環(huán)境 還需具有抵抗風(fēng)雪等外部荷載的能力 2 雪 災(zāi)是北方地區(qū)主要?dú)庀鬄?zāi)害之一 2021年11月 遼寧出 現(xiàn)特大暴雪天氣 造成大量日光溫室倒塌 從調(diào)查結(jié)果 來(lái)看 日光溫室結(jié)構(gòu)失效模式主要為失穩(wěn)破壞 3 因此 了解日光溫室結(jié)構(gòu)在雪荷載作用下的失穩(wěn)機(jī)理 對(duì)于提 高日光溫室結(jié)構(gòu)抗雪災(zāi)能力具有重要意義 從日光溫室骨架形式來(lái)看 目前主要流行2種結(jié)構(gòu) 形式 桁架結(jié)構(gòu)和單管結(jié)構(gòu) 桁架結(jié)構(gòu)將構(gòu)件的內(nèi)力轉(zhuǎn) 化為桿件的軸力 提高了截面的利用效率 在承載能力 方面具有顯著優(yōu)勢(shì) 4 目前 國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)日光 溫室的穩(wěn)定性能 5 7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 8 10 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 11 和動(dòng)力 收稿日期 2022 08 30 修訂日期 2022 09 30 基金項(xiàng)目 遼寧省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目 2021JH2 10200022 遼寧省科學(xué)研究經(jīng) 費(fèi)項(xiàng)目 LJKZ0689 國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目 202108210256 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新培育項(xiàng)目 2022YCXB02 作者簡(jiǎn)介 王聰 博士生 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)設(shè)施與環(huán)境工程 Email congwang 通信作者 王鐵良 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)設(shè)施與環(huán)境工程 Email tieliangwang 響應(yīng) 12 13 等方面進(jìn)行了較多研究 這些研究結(jié)果為桁架 結(jié)構(gòu)日光溫室應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù) 然而 桁架 結(jié)構(gòu)存在用鋼量大 標(biāo)準(zhǔn)化程度低 抗腐蝕性能差 焊 接工作量大且質(zhì)量不易保證等缺點(diǎn) 近年來(lái) 隨著日光溫室結(jié)構(gòu)向輕簡(jiǎn)化 裝配化的方 向發(fā)展 單管結(jié)構(gòu)日光溫室逐步開(kāi)始發(fā)展并越來(lái)越多的 應(yīng)用在實(shí)際工程中 14 15 相較于桁架結(jié)構(gòu) 單管結(jié)構(gòu)具 有用鋼量少 標(biāo)準(zhǔn)化程度高 抗腐蝕性能好 安裝方便 等優(yōu)點(diǎn) 目前 針對(duì)單管結(jié)構(gòu)日光溫室受力性能的研究 主要有 齊飛等 16 采用 全荷載組合 對(duì)平橢圓管日光 溫室拱架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 丁敏等 17 18 研究了覆蓋材料蒙 皮效應(yīng)對(duì)方管日光溫室整體穩(wěn)定性能的影響 閆冬梅等 19 運(yùn)用3D3S軟件研究了拉桿布置位置對(duì)橢圓管日光溫室 拱架內(nèi)力分布的影響 并建議在不設(shè)置屋脊拉桿情況下 盡量把屋脊做成圓弧形 針對(duì)單管骨架截面剛度和強(qiáng)度 較低等問(wèn)題 齊飛等 20 21 基于臨時(shí)加固策略研究了前屋 面豎向支撐對(duì)溫室骨架安全性能的影響 并給出了支撐 數(shù)量和支撐位置的建議值 Wang等 22 24 運(yùn)用ANSYS軟 件對(duì)裝配落地式單管日光溫室拱架進(jìn)行靜力特性與動(dòng)力 時(shí)程分析 白義奎等 25 對(duì)平橢圓單管日光溫室進(jìn)行全尺 寸加載試驗(yàn) 以上研究成果為單管結(jié)構(gòu)日光溫室防災(zāi)減 災(zāi)和應(yīng)用推廣提供了理論依據(jù) 值得指出的是 以上研究?jī)H限于閉口截面的方管 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 第19期 王 聰?shù)?雪荷載作用下幾字型鋼日光溫室極限承載力分析 173 矩形管或平橢圓管 相較于閉口截面鋼管 冷彎薄壁開(kāi) 口截面型鋼 如幾字型鋼 具有加工成本較低 制作工 藝簡(jiǎn)單 材料利用率較高等特點(diǎn) 因此 其在實(shí)際工程 中得到廣泛應(yīng)用 26 28 然而 由于開(kāi)口截面屬性 幾字 型鋼構(gòu)件抗扭能力弱 截面形心與剪心不重合 在豎向 雪荷載作用下易發(fā)生失穩(wěn)破壞 29 因此 探究幾字型鋼 日光溫室拱架在雪荷載作用下的失穩(wěn)機(jī)理 計(jì)算其極限 承載力 對(duì)于提高其抗雪災(zāi)能力具有重要意義 為此 本研究以幾字型鋼日光溫室拱架為研究對(duì)象 采用ANSYS有限元分析軟件 模擬其在雪荷載作用下的 失穩(wěn)破壞過(guò)程 分析其破壞模式 計(jì)算其極限承載力 并探究縱向系桿 初始幾何缺陷 截面參數(shù)對(duì)極限承載 力的影響 從而尋求最優(yōu)截面尺寸參數(shù) 為幾字型鋼日 光溫室結(jié)構(gòu)抗雪設(shè)計(jì)提供參考 1 溫室結(jié)構(gòu)參數(shù) 本文選取某跨度為8 m 脊高為3 8 m的日光溫室為 研究對(duì)象 具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示 前屋面水平投影 6 5 m 后屋面水平投影1 5 m 后墻高2 3 m 后屋面角 45 為保證日光溫室整體穩(wěn)定性 在前屋面和屋脊處布 置4道縱向系桿 溫室前后屋面拱架選用 b h a c t 50 mm 70 mm 15 mm 12 mm 2 mm冷彎薄壁幾字型鋼 截面尺寸如圖2所示 圖1 日光溫室剖面示意圖 Fig 1 Cross section of solar greenhouse 注 a為下翼緣寬度 mm b為上翼緣寬度 mm c為翻邊寬度 mm h為腹板 高度 mm t為壁厚 mm Note a is the lower flange width mm b is the upper flange width mm c is the lip width mm h is the web depth mm t is the wall thickness mm 圖2 幾字型鋼截面尺寸示意圖 Fig 2 Schematic diagram of hat shaped steel section size 2 有限元模型 2 1 材料與單元類型 日光溫室前后拱架均采用冷彎薄壁幾字型鋼 鋼材 選用Q235 彈性模量206 GPa 泊松比0 3 鋼材密度 7 850 kg m3 鋼材按理想彈塑性材料考慮 為考慮幾字型 鋼翼緣和腹板可能發(fā)生局部屈曲問(wèn)題 本研究采用 Shell181殼單元模擬日光溫室拱架 同時(shí) 采用殼單元可 精確模擬縱向系桿對(duì)日光溫室拱架側(cè)向約束位置 2 2 荷載與邊界條件 日光溫室拱架自重由軟件自動(dòng)計(jì)算 根據(jù) 農(nóng)業(yè)溫 室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB T51183 2016 30 前屋面覆蓋 15 mm厚發(fā)泡聚乙烯保溫被 荷載取0 007 kN m2 后屋 面采用100 mm厚金屬夾芯板 荷載取0 30 kN m2 溫室 內(nèi)固定設(shè)備荷載取0 07 kN m2 由于暫未確定吊掛方式 作物荷載按單位面積荷載計(jì)算 取0 15 kN m2 30 作用于 溫室拱架上翼緣雪荷載水平投影值按式 1 計(jì)算 k r t 0s cs 1 式中sk為作用于溫室拱架上翼緣雪荷載 kN m2 r為屋 面積雪分布系數(shù) ct為加熱影響系數(shù) 對(duì)于不加熱日光溫 室 取值為1 0 30 s0為基本雪壓 kN m2 考慮到風(fēng)致積雪漂移現(xiàn)象 本研究考慮2種雪荷載 分布模式 均勻分布雪荷載和非均勻分布雪荷載 2種雪 荷載分布模式下的積雪分布系數(shù)如圖3所示 對(duì)于均勻 分布雪荷載 前屋面積雪分布系數(shù) r由前屋面水平投影 L1 6 5 m 和脊高 H 3 8 m 確定 r 2 L1 8 H 0 43 后屋面積雪分布系數(shù) r b 由后屋面角 45 確定 r b 0 8 60 30 0 40 對(duì)于非均勻分布雪荷載 日光溫室前屋面積雪分布系數(shù)呈三角形分布 且最大值 在前屋面1 3處 覆蓋保溫被時(shí) r m最大值可取2 0 30 后屋面積雪分布系數(shù)為0 75 r b 30 計(jì)算得0 30 a 均勻分布 a Uniform distribution b 非均勻分布 b Non uniform distribution 注 L 1為前屋面水平投影長(zhǎng)度 m H為脊高 m 為后屋面角度 均勻分布雪荷載工況下 r為前屋面積雪分布系數(shù) r b為后屋面積雪分布系數(shù) 非均勻分布雪荷載工況下 r m為按照覆蓋保溫被工況下前屋面積雪分布系數(shù) Note L 1 is the projection width of front roof m H is the ridge height m is the back roof angle under uniform snow loads r is the distribution coefficient of snow on the front roof r b is the distribution coefficient of snow on the back roof under non uniform snow loads r m is the distribution coefficient of snow on the front roof under the condition of covering thermal blanket 圖3 日光溫室雪荷載分布系數(shù)圖 Fig 3 Distribution coefficients of snow loads for solar greenhouse 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 174 根據(jù) 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB T51183 2016 30 日光溫室按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí) 荷載基本組合的 效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd 按式 2 計(jì)算 d G Gk Q1 Q1k Q c Qk 2 n i i iiS S S S 2 式中Sd為荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值 kN m2 G為永久 荷載分項(xiàng)系數(shù) 取值為1 0 30 SGk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì) 算的荷載效應(yīng)值 kN m2 Q1為主導(dǎo)可變荷載的分項(xiàng)系 數(shù) 對(duì)于雪荷載取值為1 2 30 SQ1k為主導(dǎo)可變荷載標(biāo)準(zhǔn) 值計(jì)算的荷載效應(yīng)值 kN m2 Qi為第i個(gè)非主導(dǎo)可變荷 載的分項(xiàng)系數(shù) 對(duì)于屋面活荷載 作物荷載 移動(dòng)設(shè)備 荷載均取1 2 30 ci為第i個(gè)非主導(dǎo)可變荷載的組合值系 數(shù) 取值為1 0 30 SQik為第i個(gè)非主導(dǎo)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值 計(jì)算的荷載效應(yīng)值 kN m2 假定本研究日光溫室拱架與基礎(chǔ)和后墻均為固接 對(duì)于幾字型鋼日光溫室 考慮縱向系桿對(duì)拱架側(cè)向位移 的限制作用 在有限元模型中 約束縱向系桿與拱架下 翼緣連接節(jié)點(diǎn)處面外自由度 2 3 模型分析方法 本研究采用一致缺陷模態(tài)法考慮日光溫室拱架初始 幾何缺陷 在ANSYS分析過(guò)程中 首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征 值屈曲分析 將得到的一階屈曲模態(tài)按照一定比例疊加 到理想模型中作為初始幾何缺陷 在彈塑性非線性分析 過(guò)程中 打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)以考慮幾何非線性 為完整追 蹤荷載 位移曲線極限點(diǎn)后的平衡路徑 即荷載 位移曲線 下降段 采用弧長(zhǎng)法計(jì)算日光溫室拱架整個(gè)破壞過(guò)程 3 結(jié)果與分析 3 1 失穩(wěn)機(jī)理 為了分析開(kāi)口截面與閉口截面日光溫室拱架在雪荷 載作用下失穩(wěn)機(jī)理 本研究選取凈截面面積 上翼緣寬 度 腹板高度和壁厚均相等的幾字型鋼與空心矩形鋼管 作對(duì)比 2種截面尺寸如圖4所示 經(jīng)計(jì)算 2種截面凈 面積均為464 mm2 對(duì)于幾字型鋼 其繞z軸的慣性矩為 3 12 105 mm4 繞y軸的慣性矩為2 85 105 mm4 對(duì)于空 心矩形鋼管 其繞z軸的慣性矩為3 27 105 mm4 繞y 軸的慣性矩為1 94 105 mm4 圖4 截面尺寸示意圖 Fig 4 Schematic diagram of section size 圖5展示了在雪荷載作用下 2種截面日光溫室拱架 屋脊節(jié)點(diǎn)荷載 位移曲線 由圖5可知 在均勻和非均勻 分布2種雪荷載工況下 拱架荷載 位移曲線變化規(guī)律相 似 當(dāng)荷載較小時(shí) 拱架主要發(fā)生繞z軸的整體彎曲變形 由于空心矩形鋼管繞z 軸的慣性矩稍大于幾字型鋼繞z 軸的慣性矩 因此 在相同荷載作用下 空心矩形鋼管 拱架位移低于幾字型鋼拱架 隨著荷載進(jìn)一步增加 拱 架截面出現(xiàn)局部屈曲 并伴隨發(fā)生繞y軸的變形 由于幾 字型鋼繞y軸的慣性矩大于空心矩形鋼管繞y軸的慣性 矩 致使幾字型鋼拱架極限承載力稍高于空心矩形鋼管 拱架極限承載力 在均勻分布雪荷載作用下 空心矩形 鋼管和幾字型鋼日光溫室拱架極限承載力分別為4 13和 4 29 kN m2 2種截面日光溫室拱架達(dá)到極限承載力時(shí)所 發(fā)生的位移分別為 26 90和39 34 mm 在非均勻分布雪 荷載作用下 空心矩形鋼管和幾字型鋼日光溫室拱架極 限承載力分別為1 17和1 21 kN m2 2種截面日光溫室拱 架達(dá)到極限承載力時(shí)所發(fā)生的位移分別為28 17 和 40 70 mm 與均勻分布雪荷載作用下的極限承載力相比 此2種截面日光溫室拱架在非均勻分布雪荷載作用下的 極限承載力僅為均勻分布雪荷載作用下的28 因此 此類日光溫室拱架對(duì)非均勻分布雪荷載更為敏感 在溫 室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注非均勻分布雪荷載情況 在 接下來(lái)的分析過(guò)程中 主要討論幾字型鋼日光溫室拱架 在非均勻分布雪荷載作用下的失穩(wěn)機(jī)理 注 A代表結(jié)構(gòu)開(kāi)始屈服 B代表結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力 C代表結(jié)構(gòu)破壞 Note A means the structure begins to yield B means the structure reaches its ultimate bearing capacity C means the structure fails 圖5 雪荷載作用下屋脊節(jié)點(diǎn)荷載 位移曲線 Fig 5 Load displacement curves of roof ridge under snow loads 為進(jìn)一步了解幾字型鋼日光溫室拱架在非均勻分布 雪荷載作用下的破壞過(guò)程 圖6展示了該溫室拱架在不 同雪荷載水平下的等效應(yīng)力發(fā)展過(guò)程 由圖6a可知 當(dāng) 雪荷載為0 92 kN m2 時(shí) 溫室屋脊和后屋面支座處開(kāi)始 屈服 而其他區(qū)域均仍處于彈性狀態(tài) 隨著荷載的不斷 增加 溫室屋脊和后支座處塑性區(qū)開(kāi)始由翼緣向腹板擴(kuò) 展 同時(shí) 前屋面2 5跨度處 距離屋脊水平投影2 65 m 也開(kāi)始進(jìn)入屈服狀態(tài) 當(dāng)荷載達(dá)1 21 kN m2 時(shí) 圖6b 屋脊和后屋面支座處全截面進(jìn)入屈服狀態(tài) 結(jié)構(gòu)達(dá)到極 限承載力 當(dāng)達(dá)到極限承載力之后 雖然降低雪荷載可 以減小屋脊處等效應(yīng)力 圖6c 然而 由于前屋面位 移持續(xù)增加 致使前屋面2 5跨度處截面應(yīng)力持續(xù)增加 當(dāng)前屋面2 5跨度處全截面進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí) 結(jié)構(gòu)最終發(fā) 生破壞 第19期 王 聰?shù)?雪荷載作用下幾字型鋼日光溫室極限承載力分析 175 圖6 非均勻分布雪荷載作用下等效應(yīng)力 Fig 6 Equivalent stress of the greenhouse under non uniform snow loads 3 2 縱向系桿對(duì)極限承載力的影響 縱向系桿不僅可以傳遞荷載 還可以為日光溫室拱 架提供平面外側(cè)向支撐 從而提高日光溫室拱架平面外 穩(wěn)定性 本研究日光溫室在前屋面和屋脊處布置4道縱 向系桿 圖1 在有限元分析過(guò)程中 通過(guò)約束縱向 系桿與拱架連接節(jié)點(diǎn)處側(cè)向位移來(lái)考慮縱向系桿對(duì)拱 架支撐作用 圖7為非均勻分布雪荷載作用下 幾字型 鋼日光溫室屋脊節(jié)點(diǎn)處荷載 位移曲線 由圖7可知 對(duì)于幾字型鋼日光溫室拱架 縱向系桿可有效抑制拱架 平面外變形 從而提高拱架極限承載力 有縱向系桿約 束條件下的極限承載力約是無(wú)縱向系桿約束條件下極 限承載力的1 25倍 因此 有效布置縱向系桿對(duì)提高 幾字型鋼日光溫室拱架極限承載力具有重要意義 圖7 有無(wú)系桿約束下荷載 位移曲線 Fig 7 Load displacement curves with or without tie bar 3 3 初始幾何缺陷對(duì)極限承載力的影響 日光溫室拱架在制作 運(yùn)輸和組裝過(guò)程中不可避免 產(chǎn)生初始幾何缺陷 由于初始幾何缺陷的存在 加劇了 荷載的二次效應(yīng) 進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)極限承載力 為了探究 初始幾何缺陷對(duì)拱架極限承載力的影響 本研究采用一 致缺陷模態(tài)法獲得拱架初始幾何缺陷 即假設(shè)拱架初始 幾何缺陷分布與其最低階屈曲模態(tài)一致 其初始幾何缺 陷如圖8a所示 圖8b為不同初始幾何缺陷幅值下 幾字 型鋼日光溫室拱架在非均勻分布雪荷載作用下的荷載 位 移曲線 由圖8b可知 該日光溫室拱架極限承載力隨初 始幾何缺陷幅值的增加而降低 當(dāng)初始幾何缺陷幅值從 5 mm增加到20 mm時(shí) 極限承載力降低了約2 說(shuō)明 該日光溫室拱架對(duì)初始幾何缺陷敏感度較低 a 初始幾何缺陷示意圖 俯視圖 a Schematic diagram of initial geometric imperfection top view b 荷載 位移曲線 b Load displacement curves 圖8 初始幾何缺陷對(duì)極限承載力的影響 Fig 8 Effects of initial geometric imperfection on the ultimate bearing capacity 3 4 截面參數(shù)對(duì)極限承載力的影響 當(dāng)前 幾字型鋼截面尺寸的選取往往依據(jù)建造者經(jīng) 驗(yàn) 且缺乏相關(guān)規(guī)范參考 本節(jié)中 以截面尺寸b 50 mm h 70 mm a 15 mm c 12 mm t 2 mm的幾字型鋼為 原型 在保證凈截面面積 即用鋼量不變的條件下 通 過(guò)改變?nèi)我?個(gè)截面參數(shù) 來(lái)探究不同截面參數(shù)對(duì)幾字 型鋼日光溫室拱架極限承載力的影響 進(jìn)而為幾字型鋼 日光溫室拱架截面選取提供參考 3 4 1 上翼緣寬度和翻邊寬度 首先 在保證凈截面面積 腹板高度 下翼緣寬度 和壁厚不變的情況下 探究上翼緣寬度和翻邊寬度對(duì)極 限承載力的影響 經(jīng)計(jì)算 當(dāng)腹板高度h 70 mm 下翼 緣寬度a 15 mm 壁厚t 2 mm 為保證凈截面面積不變 上翼緣寬度 b 與翻邊寬度 c 需滿足b 2c 74 mm 當(dāng)上翼緣寬度從30 mm增加到70 mm時(shí) 翻邊寬度則從 22 mm降到2 mm 相應(yīng)上翼緣寬度與翻邊寬度之比則從 1 36增加到35 圖9為非均勻分布雪荷載作用下 上翼 緣寬度與翻邊寬度之比對(duì)極限承載力的影響 由圖9可 知 隨著上翼緣寬度與翻邊寬度之比從1 36增加到35 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 176 極限承載力呈先增加后降低的變化規(guī)律 當(dāng)上翼緣寬度 與翻邊寬度之比小于4 17時(shí) 極限承載力隨上翼緣寬度 與翻邊寬度之比的增加而增加 當(dāng)上翼緣寬度與翻邊寬 度之比大于4 17時(shí) 極限承載力隨上翼緣寬度與翻邊寬 度之比的增加而降低 這是由于當(dāng)上翼緣寬度增加到一 定程度時(shí) 上翼緣開(kāi)始出現(xiàn)局部屈曲 此外 隨著翻邊 寬度的減小 翻邊對(duì)下翼緣的約束作用減弱 致使極限 承載力下降 當(dāng)上翼緣寬度與翻邊寬度之比從4 17增加 到35時(shí) 極限承載力下降約13 因此 建議幾字型鋼 上翼緣寬度與翻邊寬度之比宜控制在4 17左右 注 此分析為非均勻分布雪荷載工況 下同 Note This analysis is performed under non uniform snow loads The same below 圖9 上翼緣寬度與翻邊寬度之比對(duì)極限承載力的影響 Fig 9 Effects of the ratio of upper flange width to lip width on the ultimate bearing capacity 3 4 2 腹板高度和翻邊寬度 在保證凈截面面積 上翼緣寬度 下翼緣寬度和壁 厚不變的情況下 探究腹板高度和翻邊寬度對(duì)極限承載 力的影響 經(jīng)計(jì)算 當(dāng)上翼緣寬度b 50 mm 下翼緣寬 度a 15 mm 壁厚t 2 mm 為保證凈截面面積不變 腹 板高度 h 與翻邊寬度 c 需滿足h c 82 mm 當(dāng)腹 板高度從60 mm增加到80 mm時(shí) 翻邊寬度則從22 mm 降到2 mm 相應(yīng)腹板高度與翻邊寬度之比則從2 72增加 到40 圖10為非均勻分布雪荷載作用下 腹板高度與翻 邊寬度之比對(duì)極限承載力的影響 由圖10可知 當(dāng)腹板 高度與翻邊寬度之比小于9 25時(shí) 極限承載力隨腹板高 度與翻邊寬度之比的增加而增加 當(dāng)腹板高度與翻邊寬 度之比從2 72增加到9 25時(shí) 極限承載力增加約30 而當(dāng)腹板高度與翻邊寬度之比大于9 25時(shí) 極限承載力 幾乎保持不變 這是由于當(dāng)腹板增加到一定高度時(shí) 腹 板開(kāi)始出現(xiàn)屈曲 結(jié)構(gòu)極限承載力由腹板局部屈曲荷載 控制 因此 進(jìn)一步增加腹板高度并不能提高結(jié)構(gòu)極限 承載力 建議幾字型鋼腹板高度與翻邊寬度之比不大于 9 25 3 4 3 下翼緣寬度和翻邊寬度 在保證凈截面面積 上翼緣寬度 腹板高度和壁厚 不變的情況下 探究下翼緣寬度和翻邊寬度對(duì)極限承載 力的影響 經(jīng)計(jì)算 當(dāng)上翼緣寬度b 50 mm 腹板高度 h 70 mm 壁厚t 2 mm 為保證凈截面面積不變 下翼 緣寬度 a 與翻邊寬度 c 需滿足a c 27 mm 當(dāng)下 翼緣寬度從5 mm增加到25 mm時(shí) 翻邊寬度則從22 mm 降到2 mm 相應(yīng)下翼緣寬度與翻邊寬度之比則從0 23增 加到12 5 圖11為非均勻分布雪荷載作用下 下翼緣寬 度與翻邊寬度之比對(duì)極限承載力的影響 由圖11可知 當(dāng)下翼緣寬度與翻邊寬度之比小于1 7時(shí) 極限承載力隨 下翼緣寬度與翻邊寬度之比增加而增加 當(dāng)下翼緣寬度 與翻邊寬度之比從0 23增加到1 7時(shí) 極限承載力提高 約41 因此 在不增加凈截面面積 翼緣寬度和腹板 高度的情況下 僅通過(guò)改變下翼緣寬度與翻邊寬度之比 即可有效提升拱架極限承載力 然而 當(dāng)下翼緣寬度與 翻邊寬度之比大于1 7時(shí) 極限承載力幾乎不再隨著下翼 緣寬度與翻邊寬度之比增加而增加 原因?yàn)?隨著翻邊寬 度的減小 翻邊對(duì)下翼緣的約束減弱 同時(shí) 隨著下翼緣 寬度的增加 下翼緣出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象 此時(shí)拱架極限承 載力由下翼緣局部屈曲荷載控制 因此 建議幾字型鋼下 翼緣寬度與翻邊寬度之比不大于1 7 圖10 腹板高度與翻邊寬度之比對(duì)極限承載力的影響 Fig 10 Effects of the ratio of web depth to lip width on the ultimate bearing capacity 圖11 下翼緣寬度與翻邊寬度之比對(duì)極限承載力的影響 Fig 11 Effects of the ratio of lower flange width to lip width on the ultimate bearing capacity 3 4 4 上翼緣寬度和下翼緣寬度 在保證凈截面面積 腹板高度 翻邊寬度和壁厚不 變的情況下 探究上翼緣寬度和下翼緣寬度對(duì)極限承載 力的影響 經(jīng)計(jì)算 當(dāng)腹板高度h 70 mm 翻邊寬度 c 12 mm 壁厚t 2 mm 為保證凈截面面積不變 上翼 緣寬度 b 與下翼緣寬度 a 需滿足b 2a 80 mm 當(dāng) 上翼緣寬度從30 mm增加到70 mm時(shí) 下翼緣寬度則從 25 mm降到5 mm 相應(yīng)上翼緣寬度與下翼緣寬度之比從 第19期 王 聰?shù)?雪荷載作用下幾字型鋼日光溫室極限承載力分析 177 1 2增加到14 圖12為非均勻分布雪荷載作用下 上翼 緣寬度與下翼緣寬度之比對(duì)極限承載力的影響 由圖12 可知 隨著上翼緣寬度與下翼緣寬度之比的增加 極限 承載力先上升后下降 當(dāng)上翼緣寬度與下翼緣寬度之比 小于3 33時(shí) 極限承載力隨上翼緣寬度與下翼緣寬度之 比的增加而增加 而當(dāng)上翼緣寬度與下翼緣寬度之比大 于3 33時(shí) 極限承載力隨上翼緣寬度與下翼緣寬度之比 的增加而急劇下降 這是由于隨著上翼緣寬度的增加 腹板對(duì)上翼緣的約束作用減弱 同時(shí) 上翼緣寬度的增 加致使其發(fā)生局部屈曲現(xiàn)象 此外 隨著下翼緣寬度的 減小 下翼緣對(duì)腹板的約束作用減弱 致使腹板也出現(xiàn) 局部屈曲現(xiàn)象 從而造成極限承載力急劇下降 當(dāng)上翼 緣寬度與下翼緣寬度之比從3 33增加到14時(shí) 極限承載 力下降約34 因此 建議幾字型鋼上翼緣寬度與下翼 緣寬度之比宜控制在3 33左右 圖12 上翼緣寬度與下翼緣寬度之比對(duì)極限承載力的影響 Fig 12 Effects of the ratio of upper flange width to lower flange width on the ultimate bearing capacity 3 4 5 腹板高度和下翼緣寬度 在保證凈截面面積 上翼緣寬度 翻邊寬度和壁 厚不變的情況下 探究腹板高度和下翼緣寬度對(duì)極限 承載力的影響 經(jīng)計(jì)算 當(dāng)上翼緣寬度b 50 mm 翻 邊寬度c 12 mm 壁厚t 2 mm 為保證凈截面面積不 變 腹板高度 h 與下翼緣寬度 a 需滿足h a 85 mm 當(dāng)腹板高度從60 mm增加到80 mm時(shí) 下翼 緣寬度則從25 mm降到5 mm 相應(yīng)腹板高度與下翼 緣寬度之比從2 4增加到16 圖13為非均勻分布雪荷 載作用下 腹板高度與下翼緣寬度之比對(duì)極限承載力 的影響 由圖13可知 隨著腹板高度與下翼緣寬度之 比的不斷增加 極限承載力先上升后下降 當(dāng)腹板高 度與下翼緣寬度之比小于4 67時(shí) 極限承載力隨腹板 高度與下翼緣寬度之比增加而增加 然而 當(dāng)腹板高 度與下翼緣寬度之比大于4 67時(shí) 極限承載力隨腹板 高度與下翼緣寬度之比增加而下降 當(dāng)腹板高度與下 翼緣寬度之比從4 67增加到16時(shí) 極限承載力下降 約21 這是由于隨著下翼緣寬度的減小 下翼緣對(duì) 腹板的約束作用減弱 同時(shí) 由于腹板高度的增加 腹板出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象 致使極限承載力降低 當(dāng)腹 板高度與下翼緣寬度之比為4 67時(shí) 極限承載力達(dá)到 最大值 因此 建議幾字型鋼腹板高度與下翼緣寬度 之比宜控制在4 67左右 圖13 腹板高度與下翼緣寬度之比對(duì)極限承載力的影響 Fig 13 Effects of the ratio of web depth to lower flange width on the ultimate bearing capacity 4 結(jié)論與建議 本文選取某跨度為8 m 脊高為3 8 m的幾字型鋼日 光溫室為研究對(duì)象 采用ANSYS有限元軟件 對(duì)其在雪 荷載作用下的失穩(wěn)破壞過(guò)程進(jìn)行模擬 并探究了縱向系 桿 初始幾何缺陷和截面參數(shù)對(duì)其極限承載力的影響 得到結(jié)論如下 1 在凈截面面積 上翼緣寬度 腹板高度和壁厚相 同的條件下 幾字型鋼日光溫室拱架極限承載力稍高于 空心矩形鋼管日光溫室拱架極限承載力 2 相較于均勻分布雪荷載 該日光溫室拱架對(duì)非均 勻分布雪荷載更為敏感 幾字型鋼日光溫室拱架在非均 勻分布雪荷載作用下的極限承載力約是均勻分布雪荷載 作用下的28 因此 在日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 應(yīng)重點(diǎn) 關(guān)注非均勻分布雪荷載的情況 3 縱向系桿的設(shè)置可有效抑制幾字型鋼日光溫室拱 架平面外變形 從而提高結(jié)構(gòu)極限承載力 在非均勻分 布雪荷載作用下 有縱向系桿約束的極限承載力約是無(wú) 縱向系桿約束條件下的1 25倍 該幾字型鋼日光溫室拱 架對(duì)初始幾何缺陷敏感度較低 4 建議幾字型鋼上翼緣寬度與翻邊寬度之比控制在 4 17左右 腹板高度與翻邊寬度之比不大于9 25 下翼 緣寬度與翻邊寬度之比不大于1 7 上翼緣寬度與下翼緣 寬度之比控制在3 33左右 腹板高度與下翼緣寬度之比 控制在4 67左右 參 考 文 獻(xiàn) 1 魏曉明 周長(zhǎng)吉 曹楠 等 中國(guó)日光溫室結(jié)構(gòu)及性能的 演變 J 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2012 28 4 855 860 Wei Xiaoming Zhou Changji Cao Nan et al Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouse J Jiangsu Journal of Agricultural Sciences 2012 28 4 855 860 in Chinese with English abstract 2 Wang C Nan B Wang T L et al Wind pressure acting on greenhouses A review J International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2021 14 2 1 8 3 張琪靜 劉建斌 周朝輝 等 保護(hù)地設(shè)施果樹雪災(zāi)防范 與減災(zāi)技術(shù) J 北方果樹 2022 1 30 33 4 周長(zhǎng)吉 周博士考察拾零 八十二 桁架結(jié)構(gòu)日光溫室骨 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 178 架及其構(gòu)造 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2018 38 19 54 61 5 王斌 金寶宏 宋建夏 豎向荷載下日光溫室鋼骨架承載 力有限元分析 J 寧夏大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2009 30 4 336 338 Wang Bin Jin Baohong Song Jianxia Finite element analysis of load bearing capacity of steel skeletons for solar greenhouses under vertical loads J Journal of Ningxia University Natural Science Edition 2009 30 4 336 338 in Chinese with English abstract 6 唐中祺 劉麗霞 王瑞東 等 兩種日光溫室鋼骨架結(jié)構(gòu) 安全性能分析 J 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2016 51 6 53 57 Tang Zhongqi Liu Lixia Wang Ruidong et al Safety performance of two steel frames of solar greenhouse J Journal of Gansu Agricultural University 2016 51 6 53 57 in Chinese with English abstract 7 王洪義 祖歌 楊鳳軍 等 高緯度地區(qū)多功能日光溫室 設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 6 170 178 Wang Hongyi Zu Ge Yang Fengjun et al Design of multi functional solar greenhouses in high latitude areas J Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 6 170 178 in Chinese with English abstract 8 關(guān)瑞 吳堅(jiān)勇 劉中華 等 日光溫室鋼架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu) 化 J 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2019 39 6 100 106 Guan Rui Wu Jianyong Liu Zhonghua et al Analysis and optimization of greenhouse steel frame structure J Journal of Shanxi Agricultural University Natural Science Edition 2019 39 6 100 106 in Chinese with English abstract 9 郄麗娟 趙獻(xiàn)輝 許廣義 等 三連棟日光溫室拱式桁架 結(jié)構(gòu)靜力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 J 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào) 2014 30 35 242 247 Qie Lijuan Zhao Xianhui Xu Guangyi et al Static analysis of truss type steel structure for three span sunlight greenhouse J Chinese Agricultural Science Bulletin 2014 30 35 242 247 in Chinese with English abstract 10 袁余 趙驚鵬 張程 等 日光溫室結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 2013 35 10 55 59 Yuan Yu Zhao Jingpeng Zhang Cheng et al The topological optimization design of the structure of the solar greehouse J Journal of Agricultural Mechanization Research 2013 35 10 55 59 in Chinese with English abstract 11 周鳳 何斌 日光溫室新型裝配式骨架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與有限元 分析 J 北方園藝 2021 12 50 56 Zhou Feng He Bin Design and finite element analysis of new fabricated skeleton joints in solar greenhouse J Northern Horticulture 2021 12 50 56 in Chinese with English abstract 12 姜迎春 白義奎 王永剛 等 考慮脈動(dòng)風(fēng)速的平面剛架 日光溫室結(jié)