柔性保溫墻橢圓管單管拱架日光溫室內(nèi)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 閆冬梅 徐開(kāi)亮 周長(zhǎng)吉 張秋生 1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100125 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100125 摘 要 針對(duì)柔性材料圍護(hù)橢圓管單管拱架日光溫室跨度不斷加大 而標(biāo)準(zhǔn)化管材市場(chǎng)供應(yīng)截面單一帶來(lái)的結(jié)構(gòu)安全性 問(wèn)題 該研究基于北京地區(qū)的風(fēng) 雪荷載 依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB T 51 183 2016 和 農(nóng)業(yè)溫 室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB T 51 424 2022 選用截面80 mm 30 mm 2 0 mm 高 寬 壁厚 橢圓管 以12 m跨度日光溫 室為基準(zhǔn) 使用Midas Gen有限元軟件建立模型 分析不同作物吊掛模式 后墻立柱不同結(jié)構(gòu)形式以及拱架與基礎(chǔ)不同 連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響 尋找結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力最小的作物吊掛模式和結(jié)構(gòu)形式 結(jié)果顯示 柱腳鉸接的單管拱架 作物荷載2點(diǎn)吊掛時(shí) 出現(xiàn)強(qiáng)烈的局部應(yīng)力集中 且作物荷載為主要控制荷載 其中后墻立柱作物吊掛點(diǎn)位置最大應(yīng)力 值為1 146 7 N mm2 其余位置平均應(yīng)力值為445 4 N mm2 作物荷載為3個(gè)吊掛點(diǎn)時(shí) 拱架應(yīng)力系數(shù)為0 61 作物荷載 退化為次要控制荷載 吊掛點(diǎn)個(gè)數(shù) 4時(shí) 拱架應(yīng)力系數(shù)降低到約0 51 作物荷載完全退出控制作用 拱架最大應(yīng)力仍 超出材料允許強(qiáng)度 因此 采用局部加強(qiáng)措施同時(shí)結(jié)合柱腳連接形式尋找更加合理的拱架結(jié)構(gòu) 并最終提出該溫室結(jié)構(gòu) 采用前柱腳鉸接 后柱腳固接 后墻立柱為格構(gòu)柱時(shí)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力最小 應(yīng)力分布最合理 研究可為北京地區(qū)柔性保 溫墻橢圓管單管拱架日光溫室的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)用材提供參考 關(guān)鍵詞 溫室 作物 荷載 單管拱架 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 橢圓管 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303034 中圖分類號(hào) S26 TU261 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2023 14 0215 08 閆冬梅 徐開(kāi)亮 周長(zhǎng)吉 等 柔性保溫墻橢圓管單管拱架日光溫室內(nèi)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2023 39 14 215 222 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303034 http www tcsae org YAN Dongmei XU Kailiang ZHOU Changji et al Internal force analysis and structure optimization of single oval tube arch solar greenhouse with flexible insulation wall J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2023 39 14 215 222 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303034 http www tcsae org 0 引 言 在中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中 日光溫室在提高中國(guó) 北方地區(qū)冬季蔬菜供應(yīng)量和農(nóng)民收入方面發(fā)揮了重要作 用 傳統(tǒng)的日光溫室主要由后墻及前后屋面拱架兩部分 構(gòu)成 后墻多為厚重的土墻和石墻 1 5 占地面積大 施 工速度慢 前后屋面拱架大多采用鋼管 鋼筋焊接桁架形 式 6 7 這種結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng) 但焊接量大 質(zhì)量也較難 保證 隨著設(shè)施園藝的不斷發(fā)展創(chuàng)新 眾多學(xué)者將裝配 式結(jié)構(gòu)引入溫室設(shè)計(jì)中 逐步開(kāi)發(fā)出不同種類的裝配式 日光溫室 8 此類溫室可在工廠預(yù)制完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組 裝 具有施工速度快 節(jié)約土地 不破壞耕地等優(yōu)點(diǎn) 目前裝配式日光溫室主要集中在溫室后墻以及拱架 兩部分的研究 如白義奎 9 10 的落地裝配式全鋼骨架結(jié) 構(gòu)日光溫室 整體采用全鋼骨架 拱架分為橢圓管單管 及桁架兩種形式 周長(zhǎng)吉 11 基于主動(dòng)儲(chǔ)放熱理論的柔性 保溫墻單管拱架日光溫室 對(duì)北京老舊溫室改造提供了 新的思路及方式 周長(zhǎng)吉等 12 17 對(duì)裝配式墻體的性能進(jìn) 行了一系列的研究 周鳳等 18 對(duì)裝配式溫室的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 進(jìn)行了研究分析 趙發(fā)軍等 19 對(duì)裝配式日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu) 化設(shè)計(jì)做了一些研究 以上研究成果能較好的適應(yīng)生產(chǎn)需要 但仍存在一 定的局限性 一是溫室跨度相對(duì)較小 傳統(tǒng)日光溫室的 跨度主要集中在8 10 m之間 近年來(lái) 隨著日光溫室 室內(nèi)環(huán)境控制水平的提高和機(jī)械化作業(yè)裝備的引入 日 光溫室跨度逐漸加大 從9 10 12到16 m 甚至20 m 以上 20 溫室的脊高也從3 m左右提高到6 m以上 二 是拱架桿件多采用相同的截面尺寸 單管拱架截面尺寸 高 寬 壁厚 主要采用 60 80 mm 30 mm 2 0 mm 橢圓管 18 22 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和諸多工程實(shí)例發(fā)現(xiàn) 由于 標(biāo)準(zhǔn)化管材市場(chǎng)供應(yīng)截面單一等原因 不同建設(shè)地點(diǎn)及 不同幾何尺寸的日光溫室卻采用相同的截面 這將對(duì)大 跨度的單管拱架日光溫室?guī)?lái)結(jié)構(gòu)安全性的問(wèn)題 為保證溫室結(jié)構(gòu)的安全性 本研究基于北京地區(qū)的 風(fēng) 雪荷載 選用截面80 mm 30 mm 2 0 mm 高 寬 壁厚 橢圓管 以12 m跨度日光溫室為基準(zhǔn) 使用 Midas Gen有限元軟件建立模型 分析不同作物吊掛模 式 后墻立柱不同結(jié)構(gòu)形式以及拱架與基礎(chǔ)不同連接形 式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響 尋找結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力最小的作 物吊掛模式和結(jié)構(gòu)形式 為今后北京地區(qū)柔性保溫墻橢 圓管單管拱架日光溫室的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)用材提供參考 收稿日期 2023 03 06 修訂日期 2023 05 16 基金項(xiàng)目 河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 20326901D 作者簡(jiǎn)介 閆冬梅 碩士 高級(jí)工程師 研究方向?yàn)樵O(shè)施結(jié)構(gòu)工程和設(shè)計(jì) Email 851251116 通信作者 周長(zhǎng)吉 博士 研究員 研究方向?yàn)闇厥夜こ碳夹g(shù)的研究 設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化 Email zhoucj 第 39 卷 第 14 期農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 39 No 14 2023 年 7 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering July 2023 215 1 日光溫室結(jié)構(gòu)選型 1 1 日光溫室總體尺寸確定 本研究選定12 m跨日光溫室為研究對(duì)象 按照 日 光溫室設(shè)計(jì)規(guī)范 NY T 3 223 2016 23 要求 以北 緯40 為計(jì)算條件 確定主體結(jié)構(gòu)尺寸為 脊高5 526 m 前屋面水平投影寬度9 68 m 后屋面水平投影寬度2 32 m 沿日光溫室長(zhǎng)度方向布置間距為1 0 m 拱架前后柱腳均 采用鉸接 在溫室屋脊下方位置設(shè)置水平拉桿 與拱架 采用鉸接 拱架共設(shè)置10道縱向系桿 其中屋脊處設(shè) 置1道 后墻立柱與后屋面拱架交接處設(shè)置1道 前屋 面設(shè)置5道 后屋面設(shè)置1道 后墻設(shè)置2道 日光溫 室結(jié)構(gòu)總體尺寸及布置見(jiàn)圖1 縱向系桿 縱向系桿 拱架 水平拉桿 Horizontal tie rod 15 9 680 2 320 12 000 5 4 000 5 526 Longitudinal tie rod 縱向系桿 Longitudinal tie rod Longitudinal tie rod Arch 圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)總體尺寸 Fig 1 Overall dimensions of solar greenhouse structure 1 2 結(jié)構(gòu)桿件參數(shù) 溫室前屋面 后屋面以及后墻立柱采用同一截面尺 寸的一體化構(gòu)件 定義為拱架 溫室主要結(jié)構(gòu)桿件參數(shù) 如下 拱架桿件采用80 mm 30 mm 2 0 mm 高 寬 壁 厚 橢圓管 水平拉桿采用 32 mm 2 0 mm圓管 縱向 系桿采用 25 mm 2 0 mm圓管 溫室結(jié)構(gòu)桿件截面特性 見(jiàn)表1 桿件材質(zhì)均為Q235 24 表 1 日光溫室鋼結(jié)構(gòu)桿件截面特性表 Table 1 Section characteristics of steel structure members of solar greenhouse 名稱 Name 截面 Section mm 截面面積 Section area cm2 慣性矩 Moment of inertia cm4 截面模數(shù) Section modulus cm3 Ix Iy Wx Wy 拱架 Arch橢圓管80 30 2 0 3 759 24 75 5 66 6 187 3 733 水平拉桿 Horizontal tie rod圓管 32 2 0 1 885 2 130 2 662 縱向系桿 Longitudinal tie rod圓管 25 2 0 1 445 1 926 1 54 注 Ix I y分別為x y 軸慣性矩 cm4 Wx Wy分別為x y軸截面模數(shù) cm3 Note Ix and Iy are x axis and y axis moment of inertia respectively cm4 Wx and Wy are x axis and y axis cross sectional modulus respectively cm3 1 3 荷載及荷載組合 依據(jù) 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 25 確定各項(xiàng)荷載 荷載代表值見(jiàn)2 綜合考慮屋面活荷載與雪荷載不同 時(shí)計(jì)入的互斥荷載情況 進(jìn)行全荷載組合 25 26 共形成 649種工況 部分荷載組合及組合系數(shù) 25 見(jiàn)表3 表 2 日光溫室荷載標(biāo)準(zhǔn)值 Table 2 Characteristic value of load case for solar greenhouse 編號(hào) No 荷載名稱 Load name 荷載工況 Load case 荷載標(biāo)準(zhǔn)值 Characteristic value of load 備注 Remark 1永久荷載Permanent load G 鋼結(jié)構(gòu)自重G1 軟件自行計(jì)算 前屋面薄膜G2 0 001 kN m 2 0 08 mm厚 后屋面及后墻保溫材料G3 0 03 kN m 2質(zhì)量3 0 kg m 2 后墻太陽(yáng)能集散熱水袋G4 0 01 kN m 2 2作物荷載Crop load C作物荷載C 0 15 kN m 2 2點(diǎn)式吊掛 3屋面活荷載Live load L R 屋面活荷載LR 0 15 kN m 2 4保溫被荷載Insulation quilt load Q保溫被均布荷載Q1 0 015 kN m 2質(zhì)量1 50 kg m 2 保溫被集中荷載Q2 0 19 kN覆蓋總弧長(zhǎng)為12 825 m 5雪荷載Snow load S均布雪荷載S1 0 11 kN m 2 北京地區(qū)10 a基本雪壓為0 25 kN m 2 不均勻雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為加載的最大值不均布雪荷載S 2 0 25 kN m 2 6風(fēng)荷載Wind load W 0 左風(fēng)荷載Ws 北京地區(qū)10 a基本風(fēng)壓為0 37 kN m 20 右風(fēng)荷載Wn 90 風(fēng)荷載Ww 表 3 荷載組合及組合系數(shù) 部分 Table 3 Load combination and combination coefficient Part 編號(hào) No 荷載組合 Load combination 1 0 95G 1 0Wn 2 0 95G 1 2C 0 6Wn 3 0 95G 1 0Wn 0 84C 4 1 0G 1 2 S2 0 6Q1 0 84C 5 1 0G 1 2 LR 0 84Q2 0 84C 6 1 0G 1 2S2 0 84Q1 7 1 0G 1 2S2 0 84Q2 日光溫室的作物吊掛形式及種類 25 較為多樣化 作 物通過(guò)不超過(guò)三級(jí)吊線的模式進(jìn)行荷載傳遞 25 日光溫 室吊線示意圖見(jiàn)2 一級(jí)吊線為日光溫室拱架中間位 置設(shè)置與地面垂直的吊掛線 二級(jí)吊線為沿日光溫室長(zhǎng) 度方向通長(zhǎng)布置的吊掛線 兩端在山墻位置固定 三級(jí) 吊線為沿拱架相同方向布置 與拱架后墻和前屋面連接 的吊掛線 根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及實(shí)際需求 本研究作物吊掛形 式選用2點(diǎn)式 作物種類選擇茄果 西甜瓜類 25 其中 2點(diǎn)式吊掛形式 設(shè)三級(jí)吊線分別連接到前屋面拱架和 后墻拱架上 中間不設(shè)垂直吊線 一級(jí)吊線 后墻位 置吊掛點(diǎn)高度h1為2 77 m 前屋面吊掛點(diǎn)位置高度h2 為2 0 m 作物荷載的單位面積荷載為0 15 kN m2 圖3 為2點(diǎn)式吊掛的作物荷載布置圖 216農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2023 年 6 7 3 3 1 2 5 4 h 2h 1 1 一級(jí)吊線 2 二級(jí)吊線 3 三級(jí)吊線 4 吊蔓線 5 拱架 6 后墻 7 后墻吊掛線 固定點(diǎn) 1 The first level suspension line 2 The second level suspension line 3 The thirdlevel suspension line 4 The suspension line 5 The arch frame 6 The rear wall 7 The fixing point of the rear wall suspension line 注 h1為后墻位置吊掛點(diǎn)高度 h2為前屋面位置吊掛點(diǎn)高度 m Note h1 is the height of the rear wall hanging point and h2 is the height of the front roof hanging point m 圖2 日光溫室吊線示意圖 Fig 2 Schematic diagram of hanging line of solar greenhouse 4 190 4 190 0 840 0 840 注 圖中數(shù)據(jù)單位為kN Note In the figure the data unit is kN 圖3 2點(diǎn)式吊掛作物荷載布置圖 Fig 3 Layout diagram of 2 point hanging crop load 2 日光溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析 2 1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析軟件 本研究結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析采用Midas Gen 27 29 有限元軟 件 此軟件適用范圍廣泛 可對(duì)日光溫室 文洛型連棟 溫室 異形塑料大棚等各種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的溫室大棚結(jié) 構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化分析 可導(dǎo)入任意的桿件截面形式 保證 建模精度 軟件建模和內(nèi)力計(jì)算的基本步驟為 1 在Midas Gen 有限元軟件中 采用連續(xù)折線梁?jiǎn)卧獙?duì)日光溫室前屋面 弧形拱架進(jìn)行擬合 2 添加橢圓管單管拱架及水平拉桿 的實(shí)際截面 其中橢圓管截面在Midas Gen軟件截面庫(kù) 中未包含 采用CAD繪制橢圓管截面曲線 導(dǎo)入Midas Gen軟件 3 指定桿件截面及參數(shù) 設(shè)置縱向系桿 建 立三維模型 4 設(shè)置拱架的邊界條件 5 依據(jù) 農(nóng)業(yè)溫 室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 25 相關(guān)規(guī)定布置荷載并進(jìn)行計(jì)算分析 得到拱架的內(nèi)力 再依據(jù) 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 30 設(shè)定相關(guān)參數(shù) 進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì) 2 2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與分析 通過(guò)對(duì)2點(diǎn)式吊掛模式 柱腳鉸接的橢圓管單管拱 架日光溫室建立模型 應(yīng)用Midas Gen軟件進(jìn)行內(nèi)力分 析 得到拱架的最不利荷載組合為0 95G 1 2C 0 6Wn 作物荷載為主要控制荷載 風(fēng)荷載為次要控制荷載 最 不利荷載組合對(duì)應(yīng)的拱架內(nèi)力如圖4所示 可以看出最 大軸力值為3 9 kN 位于水平拉桿位置 最大彎矩值為 7 0 kN m 最大應(yīng)力值為 1146 7 N mm2 均位于后墻拱 架吊掛點(diǎn)位置 拱架最大應(yīng)力位置與最大彎矩位置一 致 主要影響因素為彎矩作用 當(dāng)采用2點(diǎn)式吊掛時(shí) 由于后墻拱架位置吊掛點(diǎn)的水平荷載較大 導(dǎo)致拱架出 現(xiàn)強(qiáng)烈的局部應(yīng)力集中情況 單榀拱架平均應(yīng)力值為 445 4 N mm2 最大應(yīng)力值與平均值相比差值較大 1 4 a 軸力圖 a Axial force diagram 0 90 4 0 0 6 1 0 1 5 2 0 2 5 2 9 3 4 3 9 Axial force kN Bending moment kN m 7 06 1 5 24 3 3 32 4 1 50 6 0 1 2 2 1 3 0 Stress N mm 2 496 7347 3 197 90 100 9 250 3 399 7 549 1 698 5 847 9 997 3 1146 7 b 彎矩圖 b Bending moment diagram c 應(yīng)力圖 c Stress diagram 圖4 單管拱架日光溫室內(nèi)力圖 Fig 4 Internal force diagram of single tube arch solar greenhouse 以上研究發(fā)現(xiàn)柱腳鉸接的單管拱架 作物荷載2點(diǎn) 吊掛時(shí) 吊掛點(diǎn)數(shù)量少 吊點(diǎn)處集中荷載大是造成拱架 內(nèi)力分布極不均勻的主因 因此 增加吊掛點(diǎn)數(shù)量 分 散并減小局部集中荷載 提高結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的均勻度 是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主攻方向 3 單管拱架日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化 3 1 增加吊掛點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小及分布的影響 3 1 1 吊掛點(diǎn)模式 本研究在上述2點(diǎn)吊掛模式的基礎(chǔ)上 增加作物吊 掛點(diǎn) 在拱架中間位置的三級(jí)吊線跨度范圍內(nèi)等間距增 設(shè)一級(jí)吊線 分別設(shè)置3 4 5和6個(gè)吊掛點(diǎn) 25 不同 吊掛點(diǎn)為一種計(jì)算模型 共5個(gè) 具體編號(hào)詳見(jiàn)表4 3 1 2 不同吊掛點(diǎn)的作物荷載 按照 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 25 作物荷載的計(jì)算 方法 得出不同吊掛點(diǎn)作物荷載的作用位置和荷載值 具體布置見(jiàn)圖5 表 4 不同吊掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型編號(hào) Table 4 Calculation model number of different hanging point structure 模型編號(hào) Model No 吊掛點(diǎn) Hanging point 柱腳形式 Plinth form D2JJ 2點(diǎn)式 D2 前 后柱腳鉸接 JJ D3JJ 3點(diǎn)式 D3 前 后柱腳鉸接 JJ D4JJ 4點(diǎn)式 D4 前 后柱腳鉸接 JJ D5JJ 5點(diǎn)式 D5 前 后柱腳鉸接 JJ D6JJ 6點(diǎn)式 D6 前 后柱腳鉸接 JJ 3 1 3 分析指標(biāo) 為便于比較增加作物吊掛點(diǎn)后溫室結(jié)構(gòu)的彎矩和應(yīng)力 變化 本研究采用彎矩系數(shù)和應(yīng)力系2個(gè)分析指標(biāo) 31 第 14 期閆冬梅等 柔性保溫墻橢圓管單管拱架日光溫室內(nèi)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化217 0 420 2 100 a 3 point hanging 0 420 0 840 2 100 a 3點(diǎn)式 0 560 0 560 0 280 1 410 b 4 point hanging 0 280 1 410 b 4點(diǎn)式 0 420 0 210 0 420 0 420 0 210 1 050 1 050 c 5 point hanging c 5點(diǎn)式 0 8400 840 0 335 0 335 0 335 0 335 0 170 0 170 d 6 point hanging d 6點(diǎn)式 注 圖中數(shù)據(jù)單位為kN Note In the figure the data unit is kN 圖5 不同吊掛點(diǎn)作物荷載布置圖 Fig 5 Layout diagram of different hanging point for crop load 1 彎矩系數(shù)Mc 日光溫室結(jié)構(gòu)在全荷載組合下的最大彎矩值為Md 定義彎矩系數(shù)Mc 按式 1 計(jì)算 Mc Mdn Md0 1 式中Md0為2點(diǎn)式吊掛在全荷載組合下結(jié)構(gòu)的最大彎矩 值 kN m Mdn為3點(diǎn)及以上吊掛點(diǎn)的最大彎矩值 kN m n 3 4 5 6 2 應(yīng)力系數(shù)Sc 日光溫室結(jié)構(gòu)在全荷載組合下的最大應(yīng)力為Sd 定 義應(yīng)力系數(shù)Sc 按式 2 計(jì)算 Sc Sdn Sd0 2 式中Sd0為2點(diǎn)式吊掛在全荷載組合下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力 N mm2 Sdn為3點(diǎn)及以上吊掛點(diǎn)的最大應(yīng)力值 N mm2 n 3 4 5 6 3 1 4 結(jié)果分析 永久荷載和風(fēng) 雪荷載等條件一致的前提下 通過(guò) 調(diào)整作物荷載吊掛點(diǎn)數(shù)量 計(jì)算得出不同吊掛點(diǎn)模型拱 架最大彎矩系數(shù)和應(yīng)力系數(shù) 見(jiàn)圖6 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 D2JJ D3JJ D4JJ D5JJ D6JJ 內(nèi)力比系數(shù) 不同吊掛點(diǎn)模型 彎矩系數(shù)Coefficient of bending moment 應(yīng)力系數(shù)Coefficient of stress Models with different Hanging point Internal force ratio coefficient 圖6 單管拱架日光溫室內(nèi)力比系數(shù) Fig 6 The internal force ratio coefficient of single tube arch solar greenhouse 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出 1 通過(guò)調(diào)整作物荷載吊掛模式 拱架的彎矩系數(shù)和 應(yīng)力系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致 隨著吊掛點(diǎn)數(shù)量增加呈下 降趨勢(shì) 作物荷載為3個(gè)吊掛點(diǎn)時(shí) 拱架應(yīng)力系數(shù)為 0 61 作物荷載為4個(gè)吊掛點(diǎn)時(shí) 拱架應(yīng)力系數(shù)降低到 約0 51 作物荷載為5 6個(gè)吊掛點(diǎn)時(shí) 應(yīng)力系數(shù)與4點(diǎn) 式相同 不再繼續(xù)下降 2 從最不利荷載組合的主控荷載看 2點(diǎn)吊掛模型 最不利荷載組合為0 95G 1 2C 0 6Wn 作物荷載起主要 控制作用 3點(diǎn)吊掛模型最不利荷載組合為0 95G 1 0Wn 0 84C 風(fēng)荷載起主要控制作用 作物荷載變?yōu)榇?要控制荷載 4點(diǎn)以上吊掛模型最不利荷載組合均為 0 95G 1 0Wn 風(fēng)荷載起主要控制作用 作物荷載退出控 制荷載 以上研究發(fā)現(xiàn) 柱腳鉸接的單管拱架通過(guò)增加作物 荷載吊掛點(diǎn)可有效分散應(yīng)力 減小應(yīng)力集中 建議采用 4點(diǎn)及以上吊掛模式 但以上形式拱架的最大應(yīng)力仍超 出材料允許強(qiáng)度 為此 需進(jìn)一步對(duì)最大應(yīng)力部位采取 局部加強(qiáng)措施 尋找減小最大應(yīng)力的合理結(jié)構(gòu) 3 2 局部加強(qiáng)后墻拱架對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及分布的影響 3 2 1 局部加強(qiáng)后墻拱架方案 為減小后墻拱架吊掛點(diǎn)位置的最大應(yīng)力 可采用以 下方式進(jìn)行優(yōu)化 一是對(duì)不利位置進(jìn)行局部增強(qiáng) 減小 其應(yīng)力 二是調(diào)整結(jié)構(gòu)整體拱架曲線 通過(guò)改變內(nèi)力分 布來(lái)減小不利位置的應(yīng)力 在結(jié)構(gòu)用材和其他荷載不變的條件下 以4點(diǎn)吊掛 模型為基礎(chǔ) 與結(jié)構(gòu)分析和工程實(shí)踐相結(jié)合 提出3種 加強(qiáng)方案 模型編號(hào)見(jiàn)表5 新增桿件材質(zhì)均為Q235 3種方案的加強(qiáng)方式及位置如下 1 危險(xiǎn)部位局部加強(qiáng) 在后墻拱架與后屋面拱桿間增設(shè)加強(qiáng)撐桿 圖7a 提 升該部位的抗彎能力 2 后墻與后屋面連接由折角改為 圓弧過(guò)渡 后墻柱頂處45 折角 易形成應(yīng)力集中 將 其調(diào)整為弧線線形 圖7b 可減弱應(yīng)力集中問(wèn)題 3 加強(qiáng)后墻拱架整體承載力 將后墻單管拱架調(diào)整為格構(gòu) 柱 圖7c 提高拱架整體抗側(cè)剛度及承載力 表 5 日光溫室局部加強(qiáng)后墻拱架方案及計(jì)算模型 Table 5 The arch frame schemes and calculation models for partially strengthened rear wall of solar greenhouse 模型編號(hào) Model No 局部加強(qiáng)后墻拱架方案 Arch frame scheme of partially strengthened rear wall 柱腳形式 Plinth form 備注 Remark D4JJ A后墻拱架最不利位置增加撐桿 A 前 后柱腳鉸接 JJ 撐桿桿件截面為40 mm 2 0 mm方管 D4JJ B后墻拱架調(diào)整線形 B 前 后柱腳鉸接 JJ D4JJ C后墻拱架由單管柱調(diào)整為格構(gòu)柱 C 前 后柱腳鉸接 JJ 格構(gòu)柱桿件截為60 mm 30 mm 2 0 mm矩管 3 2 2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力與結(jié)果分析 在荷載不變的條件下 計(jì)算表5的3個(gè)模型的最大 彎矩及應(yīng)力 具體數(shù)值見(jiàn)圖8 圖9 以D4JJ模型內(nèi)力 為參照對(duì)象 3個(gè)模型的彎矩系數(shù)和應(yīng)力系數(shù)見(jiàn)圖10 由以上計(jì)算結(jié)果可以得出 1 模型D4JJ A的最大應(yīng)力為633 4 N mm2 最不 利位置為后墻加固撐桿兩端 與模型D4JJ對(duì)比 拱架的 應(yīng)力系數(shù)為1 10 增設(shè)撐桿后拱架最大應(yīng)力值增大約 10 這種加強(qiáng)措施并未取得改善效果 2 模型D4JJ B的最大應(yīng)力為575 2 N mm2 最不利 位置為后墻拱架吊掛點(diǎn) 與模型D4JJ對(duì)比 將后墻拱架 與后屋面拱桿連接調(diào)整為弧線后 拱架的應(yīng)力系數(shù)為1 00 218農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2023 年 單管拱架的最大應(yīng)力值基本未變 這種措施改善效果也未達(dá)到 3 模型D4JJ C的最大應(yīng)力為301 2 N mm2 最不 利位置在后屋面拱桿與格構(gòu)柱連接點(diǎn) 與模型D4JJ對(duì)比 將后墻拱架由單管調(diào)整為格構(gòu)柱后明顯提升了日光溫室 的整體剛度 拱架的應(yīng)力系數(shù)為0 52 即拱架應(yīng)力降低 約48 此種改善措施效果明顯 加強(qiáng)撐桿 Strengthening broce后墻調(diào)整線形 Restructuring the linear of the rear wall 格構(gòu)柱 Latticed column a D4JJ A b D4JJ B c D4JJ C 圖7 日光溫室局部加強(qiáng)后墻拱架方案示意圖 Fig 7 Schematic diagram of partially strengthened rear wall column of solar greenhouse 彎矩Bending moment kN m 3 53 0 2 62 1 1 61 2 0 70 0 2 0 7 1 2 1 6 彎矩Bending moment kN m 1 20 9 0 70 4 0 0 2 0 5 0 7 1 0 1 3 1 6 1 8 彎矩Bending moment kN m 3 93 4 2 92 4 2 01 5 1 00 6 0 0 4 0 9 1 3 a D4JJ A b D4JJ B c D4JJ C 圖8 局部加強(qiáng)后墻拱架的單管拱架日光溫室彎矩圖 Fig 8 Bending moment diagram of single pipe arch solar greenhouse with partially strengthened rear wall column 218 4141 0 63 60 91 3 168 8 246 2 323 6 401 1 478 5 555 9 633 4 270 8193 9 117 040 1 0 113 7 190 6 267 5 344 5 421 4 498 3 575 2 301 2255 8 210 3164 9 119 574 1 28 70 62 2 107 6 153 0 198 4 應(yīng)力Stress N mm 2 應(yīng)力Stress N mm 2 應(yīng)力Stress N mm 2 a D4JJ A b D4JJ B c D4JJ C 圖9 局部加強(qiáng)后墻拱架的單管拱架日光溫室應(yīng)力圖 Fig 9 Stress diagram of single tube arch solar greenhouse with partially strengthened rear wall column 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 彎矩系數(shù)Coefficient of bending moment 應(yīng)力系數(shù)Coefficient of stress 內(nèi)力比系數(shù) D4JJ A D4JJ B D4JJ C 局部加強(qiáng)后墻拱架模型 Models with partially strengthened rear wall arch Internal force ratio coefficient 圖10 局部加強(qiáng)后墻拱架模型的內(nèi)力比系數(shù) Fig 10 The Internal force ratio coefficient of partially strengthened rear wall arch 3 3 柱腳連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及分布的影響 3 3 1 柱腳連接形式 溫室拱架柱腳主要有鉸接 J 和固接 G 2種連 接形式 前述研究主要針對(duì)拱架前后柱腳均為鉸接 JJ 形式進(jìn)行分析 為了探明拱架柱腳不同連接形式對(duì)結(jié)構(gòu) 內(nèi)力的影響 參照模型D4JJ和D4JJ C 按后墻為單管 柱和格構(gòu)柱2種模式分別對(duì)柱腳連接形式進(jìn)行分析 柱 腳連接形式分別采用3種組合方式 前柱腳為鉸接 后 柱腳為固接 JG 前柱腳為固接 后柱腳為鉸接 GJ 前 后柱腳均為固接 GG 共計(jì)6個(gè)模型 模 型編號(hào)分別為D4JG D4GJ D4GG D4JG C D4GJ C D4GG C 3 3 2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力與結(jié)果分析 通過(guò)對(duì)以上6個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算 得到各模型的最大 彎矩及應(yīng)力 圖11 圖12分別為6個(gè)模型的內(nèi)力圖 彎矩系數(shù)和應(yīng)力系數(shù)見(jiàn)圖13 由上述模型計(jì)算結(jié)果可以得出 1 單管拱架形式的D4JG D4GJ D4GG3個(gè)模型 中 D4JG的最大應(yīng)力為577 6 N mm2 最不利位置為后 柱腳位置 D4GJ的最大應(yīng)力為476 0 N mm2 最不利位 置為前柱腳位置 D4GG的最大應(yīng)力為449 8 N mm2 最 不利位置為后柱腳 2 與模型D4JJ進(jìn)行對(duì)比 柱腳連接形式為固接時(shí) 拱架內(nèi)力最不利位置多集中在柱腳處 其中前后柱腳均 為固接形式 D4GG 時(shí) 拱架應(yīng)力系數(shù)最小 為0 78 可降低應(yīng)力值約22 對(duì)拱架內(nèi)力改善效果最好 3 后墻格構(gòu)柱形式的D4JG C D4GJ C D4GG C3 個(gè)模型中 D4JG C的最大應(yīng)力為300 6 N mm2 最不利位 置在立柱柱頂 D4GJ C的最大應(yīng)力為304 7 N mm2 最 不利位置為前柱腳 D4GG C的最大應(yīng)力為308 3 N mm2 最不利位置為前柱腳 4 與模型D4JJ C進(jìn)行對(duì)比 前柱腳連接形式為固 接 D4GJ C D4GG C 時(shí) 前柱腳承擔(dān)了較大彎矩作 第 14 期閆冬梅等 柔性保溫墻橢圓管單管拱架日光溫室內(nèi)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化219 用 因此最不利位置多集中在前柱腳處 D4JG C模型的 應(yīng)力系數(shù)為0 99 其余2個(gè)模型的應(yīng)力系數(shù)均大于1 0 前柱腳為鉸接 后柱腳為固接 D4JG C 時(shí) 拱架最大 應(yīng)力最小 2 41 9 1 30 8 0 0 3 0 8 1 4 1 9 2 4 3 0 3 5 2 92 5 2 11 8 1 41 0 0 60 3 0 0 5 0 9 1 3 1 91 5 1 00 6 0 0 2 0 6 1 1 1 5 1 9 2 3 2 7 577 6489 2 400 8312 4 224 0135 6 47 20 129 6 218 0 306 4 394 8 206 5144 5 82 40 41 7 103 7 165 7 227 8 289 8 351 9 413 9 476 0 449 8381 0 312 2243 4 174 6105 8 37 00 100 7 169 5 238 3 307 1 彎矩Bending moment kN m 彎矩Bending moment kN m 彎矩Bending moment kN m D4JG D4GJ a 彎矩 a Bending moment b 應(yīng)力 b Stress D4GG D4JG D4GJ D4GG 應(yīng)力Stress N mm 2 應(yīng)力Stress N mm 2 應(yīng)力Stress N mm 2 圖11 單管拱架日光溫室內(nèi)力圖 Fig 11 Stress diagram of single tube arch solar greenhouse 1 20 9 0 60 4 0 0 2 0 5 0 7 1 0 1 3 1 6 1 8 1 81 5 1 20 9 0 70 4 0 0 2 0 4 0 7 1 0 1 3 1 81 5 1 20 9 0 70 4 0 0 2 0 4 0 7 1 0 1 3 300 6256 9 211 5166 0 120 675 1 29 60 61 3 106 7 152 2 197 6 207 3162 2 117 172 1 27 00 63 2 108 3 153 4 198 5 243 6 304 7 208 4163 0 117 572 0 26 60 64 4 109 9 155 3 200 8 246 3 308 3 彎矩Bending moment kN m 彎矩Bending moment kN m 彎矩Bending moment kN m 應(yīng)力Stress N mm 2 應(yīng)力Stress N mm 2 應(yīng)力Stress N mm 2 D4JG C D4GJ C a 彎矩 a Bending moment b 應(yīng)力 b Stress D4GG C D4JG C D4GJ C D4GG C 圖12 后墻格構(gòu)柱形式單管拱架日光溫室內(nèi)力圖 Fig 12 Stress diagram of single tube arch solar greenhouse in the form of truss column 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 D4JG D4GJ 不同柱腳形式模型 D4GG D4JG C D4GJ C D4GG C Models of different column base forms 內(nèi)力比系數(shù) 彎矩系數(shù)Coefficient of bending moment 應(yīng)力系數(shù)Coefficient of stress Internal force ratio coefficient 圖13 不同柱腳形式日光溫室內(nèi)力比系數(shù) Fig 13 The Internal force ratio coefficient of solar greenhouse with different column bases 4 結(jié) 論 以12 m跨單管拱架日光溫室為基準(zhǔn) 對(duì)不同作物荷 載吊掛模式 后墻立柱結(jié)構(gòu)形式以及拱架與基礎(chǔ)連接形 式進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和優(yōu)化研究 得出如下結(jié)論 1 增加作物荷載吊掛點(diǎn)可分散應(yīng)力 減小應(yīng)力集中 單管拱架日光溫室作物荷載為3個(gè)吊掛點(diǎn)時(shí) 拱架應(yīng)力 系數(shù)為0 61 作物荷載退為次要控制荷載 吊掛點(diǎn)個(gè)數(shù) 4時(shí) 拱架應(yīng)力系數(shù)降低到0 51 作物荷載完全退出控 制作用 增加作物荷載吊掛點(diǎn)可以降低作物荷載的集中 力對(duì)日光溫室單管拱架的內(nèi)力影響 2 后墻單管柱形式調(diào)整為格構(gòu)柱后 可有效提高結(jié) 構(gòu)的承載能力 通過(guò)對(duì)后墻與后屋面拱架進(jìn)行局部加強(qiáng) 不能降低拱架的最大應(yīng)力 拱架后墻單管柱調(diào)整為格構(gòu) 柱后 拱架的彎矩系數(shù)與應(yīng)力系數(shù)降低至0 52 可有效 220農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2023 年 提高拱架的承載能力 3 改變柱腳的連接形式對(duì)降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有一定作 用 對(duì)于單管拱架形式的日光溫室 當(dāng)柱腳采用固接形 式時(shí) 柱腳處的內(nèi)力因剛度變化進(jìn)行了重新分配 削減 了拱架中部的彎矩 可有效提升拱架整體承載能力 建 議單管拱架日光溫室的前 后柱腳均采用固接形式 對(duì) 于后墻為格構(gòu)柱形式的單管拱架日光溫室 前柱腳為鉸 接 后柱腳固接時(shí) 拱架的內(nèi)力最小 因此 該溫室結(jié) 構(gòu)采用前柱腳鉸接 后柱腳固接 后墻立柱為格構(gòu)柱時(shí) 結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力最小 應(yīng)力分布最合理 參 考 文 獻(xiàn) 張亞敏 淺談日光溫室節(jié)能墻體材料的發(fā)展 J 磚瓦 2016 346 10 104 105 ZHANG Yamin Development of energy saving wall materials in solar greenhouse J Brick Tile 2016 346 10 104 105 1 田興運(yùn) 何斌 朱雄偉 日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀與新思路 探索 J 東北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 45 4 58 62 TIAN Xingyun HE Bin ZHU Xiongwei Current situation and further discussion on the optimization of solargreenhouse structure Journal of Northeast Agric