收稿日期 2020 05 31 基金項目 甘肅省自然科學基金項目 1610 JZA090 甘肅農(nóng)業(yè)大學盛彤笙科技創(chuàng)新基金項目 GSAU STS 1626 甘肅農(nóng) 業(yè)大學水利水電工程學院青年教師科技創(chuàng)新基金項目 SLSDXY QN2018 11 甘肅農(nóng)業(yè)大學 2020 年 S TP 項目 作者簡介 劉麗霞 1972 女 副教授 碩士 主要從事土木工程結構方面的教學及研究 E mail liulixia gsau edu cn 第 48 卷 第 9 期 2020 年 9 月 林業(yè)機械與木工設備 FO EST Y MACHINE Y WOODWO KING EQUIPMENT Vol 48 No 9 Sep 2020 研究與設計 日光溫室結構極限承載力及熱負荷分析 劉麗霞 甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院 甘肅 蘭州 730070 摘 要 為研究日光溫室結構的承載能力影響因素及其采暖熱負荷 選擇兩種不同結構形式的日光溫室 工程為研究背景 基于豎向及側向非線性靜力推覆分析方法 對結構在不同跨度 長細比 構件銹蝕程度的情 況下進行極限承載能力計算 量化日光溫室結構的承載能力影響因素 對日光溫室結構進行了采暖熱負荷計 算 為日光溫室結構安裝采暖裝置提供依據(jù) 研究結果表明 鋼桁架結構極限承載能力大于鋼拱架結構 隨跨 度增大 構件長細比增大 結構極限承載力下降 溫室熱負荷隨維護材料傳熱系數(shù)增大而增大 隨溫室空間增 大而增大 關鍵詞 日光溫室 鋼拱架 鋼桁架 極限承載力 熱負荷 中圖分類號 S214 文獻標識碼 A 文章編號 2095 2953 2020 09 0049 06 Analysis of the Ultimate Bearing Capacity and Heating Load of Solar Greenhouse Structure LIU Li xia College of Water Conservancy and Hydropower Engineering Gansu Agriculture University Lanzhou Gansu 730070 China Abstract In order to study the factors influencing the bearing capacity of solar greenhouse structures and their heat ing loads with actual solar greenhouse engineering with two different structural forms as the research background ul timate bearing capacity was calculated and the factors influencing the bearing capacity of the solar greenhouse struc tures were qualified with vertical and lateral nonlinear static pushover analysis methods under the conditions of differ ent spans slenderness ratios and component corrosion degrees The heating heat load calculation of the solar green house structure was conducted providing basis for installing heating devices in the solar greenhouse structure The re search result shows that the ultimate bearing capacity of the steel truss structure was greater than that of the steel arch structure as the span increased the slenderness ratio of the members increased and the ultimate bearing capacity of the structure decreased the heat load of the greenhouse increased with the increase in the heat transfer coefficient of the maintenance materials and with the increase in the space of the greenhouse Key words solar greenhouse steel arch steel truss ultimate bearing capacity heat load DOI 10 13279 ki fmwe 2020 0106 林業(yè)機械與木工設備 第 48 卷 近年來我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速 其中日光溫室 結構在生產(chǎn)上有非常普遍的應用 但其既不屬于民 用建筑 也不屬于工業(yè)建筑 因此設計及施工沒有合 理的土木工程行業(yè)規(guī)范 現(xiàn)行溫室結構設計規(guī)范重 點是溫室形狀及尺寸規(guī)劃 在設計方面通常模仿他 人或依據(jù)實踐經(jīng)驗 由于缺乏有力的理論計算依 據(jù) 忽略溫室結構可靠性方面研究 導致我國很多已 建或在建的溫室存在一定的安全隱患 近年來發(fā)生 多起由于大風或大雪導致溫室結構倒塌的工程事 故 造成了極大的經(jīng)濟損失和社會影響 1 3 因此 日光溫室建設必須正規(guī)系列化 嚴密科學化 經(jīng)濟實 用化 使用安全化 只有這樣才能廣泛推廣大棚 工程 針對溫室結構安全性能的研究 近年來國內(nèi)外 學者也開始有所關注 梁宗敏 4 對連棟溫室結構抗 風可靠度進行了理論研究 王永宏等 5 對一種日光 節(jié)能溫室結構進行了參數(shù)的選擇與設計 白義奎 等 6 探討了影響日光溫室鋼骨架結構安全及耐久性 能的因素 尹素杰等 7 針對新型農(nóng)業(yè)大棚骨架的受 力性能進行分析 俞永華等 8 對塑料大棚結構承載 特性進行研究 解恒燕等 9 對鋼拱單棟塑料大棚的 平面內(nèi)極限承載力進行了分析 從以上研究可以獲 得溫室結構承載能力的一般規(guī)律 但目前針對承載 能力影響因素的研究不足 掌握溫室結構承載能力 影響因素 可在設計中對各參數(shù)進行更有效的設置 把握結構承載基本規(guī)律 為溫室結構的安全設計提 供理論支撐 此外 我國溫室大棚采暖一般都是憑經(jīng)驗進行 基本沒有溫室大棚采暖熱負荷的計算 對溫室結構 熱負荷的計算及其影響因素的量化 可為溫室選擇 安裝采暖裝置時提供依據(jù) 本文為確定塑料溫室結構的實際承載特性及熱 負荷能力 結合實際工程作為研究背景 基于非線性 靜力推覆分析方法得到日光溫室結構極限承載能 力 模擬結構失去抵抗力的全過程 對結構極限承載 能力影響因素進行分析 并對日光溫室結構進行了 采暖熱負荷計算 1 分析方法 1 1 極限承載力分析 為得到溫室結構在豎向均布荷載和側向均布荷 載作用下的極限承載力 可采用非線性靜力推覆分 析方法 具體方法如下 沿高度施加豎向和側向 均布作用荷載 逐級施加豎向和側向荷載 對結構 進行推覆分析 以結構失穩(wěn)作為控制標準 并記錄 極限承載力 該過程使結構由彈性工作狀態(tài)逐步進 入彈塑性工作狀態(tài) 最終達到并超過規(guī)定的彈塑性 位移 同時可按順序計算結構反應并記錄結構在每 級荷載下的開裂 屈服直至破壞等性能 并據(jù)此找到 結構極限承載能力 10 16 加載示意圖如 1 圖所示 圖 1 加載示意圖 1 2 采暖熱負荷計算 溫室大棚的總熱負荷 Q Q Q 1 Q 2 Q 3 1 式中 Q 1 為圍護材料的傳熱損失 Q 2 為滲透熱損失 Q 3 為地面熱損失 1 圍護材料的傳熱損失 Q 1 Q 1 k j F j t n t w 2 式中 k j 為第 j 種圍護物的傳熱系數(shù) F j 為該面圍護 物的散熱面積 t n 為室內(nèi)空氣計算溫度 t w 為供暖室 外計算溫度 2 滲透熱損失 Q 2 Q 2 0 5KVN t n t w 3 式中 K 為風力因子 可取 1 0 V 為溫室空氣體積 N 為每小時換氣次數(shù) 可取 1 2 3 地面熱損失 Q 3 Q 3 u i A i t n t w 4 式中 u i 為第 i 區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù) A i 為第 i 區(qū)面積 1 3 分析流程 首先采用非線性靜力推覆分析方法 對結構在 不同跨度 長細比 構件銹蝕程度的情況下進行極限 承載能力計算 量化日光溫室結構的承載能力影響 因素 然后對日光溫室結構進行采暖熱負荷計算 為 日光溫室結構安裝采暖裝置提供理論依據(jù) 分析流 05 第 9 期 劉麗霞 日光溫室結構極限承載力及熱負荷分析 程如圖 2 所示 圖 2 分析流程 2 算例信息 2 1 溫室結構基本參數(shù) 本文以溫室大棚實際工程為例 該結構跨度為 8 m 脊高為 4 m 溫室骨架間距為 1 m 考慮到溫室內(nèi) 部作業(yè)時的可操作性及采光性 前屋面角 66 直桿 與水平面夾角 15 后屋面仰角 45 前屋面形式為二 折式 即前半部分為弧長約為 5 m 的拱形結構 后半 部分為長度約為 3 m 的直桿 溫室骨架均采用 Q235 鋼 設定兩種不同的截面形式 鋼拱架截面及鋼桁架 截面 用 于 對 比 分 析 鋼拱架截面拱桿為 DN25 1 吋 鍍鋅鋼管 外徑 33 5 mm 壁厚 3 25 mm 鋼 桁架截面上弦桿為 DN25 1 吋 鍍鋅鋼管 外徑 33 5 mm 壁厚 3 25 mm 下弦桿為 12 圓鋼 腹桿 為 10 圓鋼 兩種溫室骨架如圖 3 所示 荷載統(tǒng)計 依據(jù)建筑結構荷載規(guī)范 見表 1 圖 3 鋼拱架骨架側視圖 表 1 骨架荷載統(tǒng)計 結構 形式 恒載 g kN m 1 雪荷載 S kN m 1 風荷載 w kN m 1 g 1 g 2 g 3 S 1 S 2 S 3 w 1 w 2 w 3 w 4 使用活荷載 q 1 kN m 1 屋面集中活荷載 F kN 鋼拱架 2 904 2 661 1 440 0 112 0 28 0 28 0 357 0 56 0 35 0 42 21 1 643 鋼桁架 3 925 2 661 1 440 0 112 0 28 0 28 0 357 0 56 0 35 0 42 21 1 643 2 2 有限元模型建立 利用 SAP2000 建立模型 將實體模型中的倒角 土 墻等對分析影響不大的特征去掉 試驗溫室大棚結構 桿件采用梁單元模擬 截面形式為管狀 兩種溫室結構 的頂部支撐采用桁架單元 截面形式為圓管形 半徑 0 03 m 厚度 4 mm 對于桁架結構 每根桿件作為一個 單元 在該研究中 柱底部固結 不考慮土和基礎的相 互作用 鋼拱架有限元模型圖如圖 4 所示 圖 4 鋼拱架有限元模型 15 林業(yè)機械與木工設備 第 48 卷 3 極限承載力分析 利用豎向及側向非線性靜力推覆分析方法對結 構進行推覆分析 獲得溫室結構極限承載力 分別 以結構形式 跨度 長細比 構件銹蝕程度作為變量 分析不同變量對溫室結構承載能力的影響規(guī)律 3 1 不同結構形式對承載力的影響 基于非線性靜力推覆分析理論 對溫室結構在 豎向均布荷載和側向均布荷載作用下平面內(nèi)極限承 載力進行分析 采用位移控制 得到結構均布荷載 與定點位移 P 曲線 如圖 5 所示 其中結構跨 度選擇為 L 8 m 由圖 5 可見 隨荷載逐漸增加 結構豎向位移逐 漸增加 超過極限位移時 荷載不再增大 且有一定 下降趨勢 在相同的矢跨比和長細比情況下 鋼桁架 結構的極限承載力高于鋼拱架結構的極限承載力 豎向極限荷載高出 33 3 側向極限荷載高出 8 8 這是由于拱架僅是起到支撐作用的弧形支 架 而桁架結構由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成 主要承受軸向拉力或壓力 從而能充分利用材料的 強度 在跨度較大時可比實腹梁節(jié)省材料 減輕自重 和增大剛度 3 2 跨度對承載力的影響 分析跨度對鋼結構極限承載力的影響時 分別 選取跨度為 4 m 6 m 8 m 10 m 及 12 m 的鋼拱結構 及鋼桁架結構進行對比分析 加載方式為豎向均布 加載及側向均布加載 不同溫室結構極限荷載與跨 度關系曲線如圖 6 所示 圖 5 結構 P 曲線 圖 6 極限承載力 跨度曲線 從圖 6 可以看出 隨跨度增大 結構豎向及側向 極限承載能力均有所下降 豎向荷載受跨度影響更 大 其最大和最小下降幅度分別為 14 3 和 12 5 而側向極限承載力受跨度影響低于豎向 其最大和 最小下降幅度分別為 8 6 和 3 3 可見 在對溫 室結構選型時 應選擇合理跨度 否則影響其承載能 力 以避免承載能力不足導致結構破壞 3 3 長細比對承載力的影響 長細比 s i 5 式中 為計算長度系數(shù) 當拱為兩端固結時 0 5 i 為截面的回轉半徑 分析長細比對鋼結構極限承載力的影響時 分 別選取跨度為 L 8 m 的鋼拱結構及鋼桁架結構進 25 第 9 期 劉麗霞 日光溫室結構極限承載力及熱負荷分析 行對比分析 加載方式為豎向均布加載及側向均布 加載 通過改變截面尺寸來改變截面的回轉半徑 i 從而改變結構的長細比 不同溫室結構極限荷載 與長細比關系曲線如圖 7 所示 由圖 7 可見 鋼結構在長細比變化時 承載力隨 著長細比的增加而減小 這是由于隨著構件的截面 增大 結構的抗彎剛度隨之增加 極限承載力也相應 增加 但在實際工程中 應采用合理長細比 保證結 構承載能力的同時不造成過多材料浪費 3 4 鋼材銹蝕對承載力的影響 銹蝕會降低鋼材性能 從而影響溫室結構極限 承載能力 本文采用 Lee 等試驗研究 鋼筋隨銹蝕 模型對溫室鋼材的銹蝕進行模擬 材料性能如式 6 9 所示 f yc 1 1 98 m f y 6 f uc 1 1 57 m f u 7 E sc 1 1 15 m E ss 8 c 1 2 59 m s 9 式中 f y f u E ss s 分別為原始鋼材屈服強度 抗拉強 度 彈性模量和極限應變 f yc f uc E sc c 分別為銹蝕 后鋼材屈服強度 抗拉強度 彈性模量和極限應變 m 為鋼筋的質(zhì)量銹蝕率 分析銹蝕對鋼拱結構極限承載力的影響時 分 別選擇銹蝕率 m 為 10 20 30 40 的鋼拱結 構及鋼桁架結構進行對比分析 加載方式為豎向均 布加載及側向均布加載 不同溫室結構極限荷載與 鋼材致銹率關系曲線如圖 8 所示 圖 7 極限承載力 長細比曲線 圖 8 極限承載力 銹蝕率曲線 由圖 8 可見 在鋼材致銹率變化時 結構的承載 力隨著致銹率的增加而減小 拱架結構豎向荷載最 大和最小下降幅度分別為 18 86 和 5 63 桁架結 構豎向荷載最大和最小下降幅度分別為 17 46 和 5 56 而側向極限承載力受跨度影響低于豎向 拱 架結構側向荷載最大和最小下降幅度分別為 6 25 和 2 91 桁架結構豎向荷載最大和最小下降幅度 分別為 6 25 和 1 43 當致銹率為 10 時 結構 極限承載力下降不大 低于 5 致銹率增大至 30 40 時 結構的極限承載力下降近 35 致銹率增 大至 50 時 結構承載力下降超過 50 此時結構 十分危險 隨著結構材料致銹率的增大 材料性能 衰減 極限承載力也相應減小 溫室結構在使用過 程中會遭遇干濕循環(huán) 凍融循環(huán) 風雪等災害 導致 鋼材易銹蝕 從而影響結構安全性 因此 在實際工 程中 應注意對材料的保護 增大其耐久性 延長溫 室結構使用壽命 4 采暖熱負荷分析 通常溫室內(nèi)最大熱負荷出現(xiàn)在冬季最寒冷的夜 35 林業(yè)機械與木工設備 第 48 卷 間 不同的作物 不同品種 不同生長階段 對溫度有 不同的要求 設置本溫室結構室內(nèi)溫度為 10 取 室外溫度為 20 提取圍護材料傳熱系數(shù)及溫室 空間為變量 量化溫室采暖熱負荷影響規(guī)律 4 1 圍護材料的影響 外圍護材是結構與外界直接接觸的主要部位 直接與外界進行熱量傳遞 由于圍護材料的傳熱系 數(shù)在一定程度上決定了外墻熱工性能的優(yōu)劣 所以 本文以圍護材料傳熱系數(shù)為變量 分析其對溫室熱 負荷的影響 常用的溫室圍護材料為單層聚乙烯膜 其傳熱 系數(shù) K 為 6 8 W m 2 K 厚度為 0 03 m 覆棉氈的 導熱系數(shù) 為 0 04 通過改變材料形式 厚度等方 式設置 3 0 10 W m 2 K 8 種不同圍護傳熱系數(shù) 程度計算模擬負荷 得到建筑冷熱負荷與外墻傳熱 系數(shù)的關系如圖 9 所示 圖 9 熱負荷 傳熱系數(shù)曲線 從圖 9 可以看出 建筑的冷 熱及總負荷均隨外 墻傳熱系數(shù)的增大而增大 呈現(xiàn)一定的線性增長 擬 合總負荷關系式為 y 3 7381x 33 202 2 0 998 熱負荷的最大及最小增長幅度分別為 5 09 和 11 53 可見 當滿足日照 采光及作物生長需 求的條件下 應盡可能選擇傳熱系數(shù)較小的圍護材 料 使溫室能耗降低 4 2 溫室空間的影響 溫室屬于封閉且具有一定蓄熱能力的建筑物 溫室空間的大小在一定程度上影響熱能滲透及地面 熱損失 所以本文以溫室空間為變量 分析其對溫室 熱負荷的影響 在進行溫室空間影響分析時 設置 溫室為一個區(qū) 其余條件均不變 僅設置 500 3 000 m 3 6 種不同溫室空間計算模擬負荷 得到建筑 冷 熱負荷與溫室空間關系如圖 10 所示 圖 10 熱負荷 溫室空間曲線 從圖 10 可以看出 建筑的冷 熱及總負荷均隨 外墻傳熱系數(shù)的增大而增大 擬合線性關系式為 y 0 9141x 31 333 2 0 6941 熱負荷的最大及最 小增長幅度分別為 5 2 和 11 7 可見 在滿足 作物生長及產(chǎn)量需求的條件下 應盡可能控制溫室 空間的大小 使溫室更加節(jié)能 5 結束語 本文結合實際工程 基于非線性靜力推覆分析 方法得到日光溫室結構極限承載能力 并對其影響 因素進行分析 計算了溫室結構熱負荷 為日光溫 室安裝采暖裝置提供理論依據(jù) 1 非線性靜力推覆方法可用于日光溫室大棚 的極限承載能力分析 鋼桁架溫室結構極限承載能 力高于鋼拱架結構 2 溫室結構的極限承載力隨著跨度的增加而 減小 隨著長細比的增加而減小 隨構件銹蝕率的增 大而減小 在實際工程實施中 應合理選擇結構跨 度 構件截面 并注重構件的防銹工作 3 溫室結構的熱負荷隨圍護材料傳熱系數(shù)增 大而增大 隨溫室空間增大而增大 在工程應用中 在滿足作物生長及產(chǎn)量需求的條件下 應盡可能選 擇傳熱系數(shù)小的圍護材料 控制溫室空間的大小 降 低溫室能耗 參考文獻 1 陳端生 中國節(jié)能型日光溫室建筑與環(huán)境研究進展 J 農(nóng)業(yè)工 程學報 1994 10 1 123 129 2 劉志杰 鄭文剛 胡清華 等 中國日光溫室結構優(yōu)化研究現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢 J 中國農(nóng)學通報 2007 23 2 449 453 3 李天來 我國日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學 學報 2005 36 2 131 138 4 梁宗敏 連棟溫室結構抗風可靠度設計理論研究 D 北京 中 國農(nóng)業(yè)大學 2004 下轉第 58 頁 45 林業(yè)機械與木工設備 第 48 卷 的度量值 圖 7 六種連續(xù)去回動作陀螺儀傳感器輸出信號 4 結束語 本文信號前處理雜波濾波機制主要是通過目測 觀察頸部動作信號波形的平滑程度來選擇濾波參 數(shù) 未來可針對參數(shù)值對頸部動作正確辨識率的影 響進行研究 以找出更佳的參數(shù)值 由于加速度傳 感器與陀螺儀傳感器所感應的物理量不同 本文僅 將此兩種傳感器的輸出信號調(diào)整至相近的基本位準 與振幅范圍 未來可進一步研究如何才能更有效地 融合不同種類的傳感器信號 以提升系統(tǒng)的運算效 能及正確辨識率 參考文獻 1 林憲旗 建立多姿態(tài)特征融合的人體行為識別 J 電子技術與 軟件工程 2013 16 111 111 2 徐寧 王偉 楊玉婷 便攜式人體姿態(tài)實時檢測系統(tǒng)設計 J 儀 表技術 2013 6 40 41 54 3 趙雄偉 人體行為特征融合與行為識別的分析 J 無線互聯(lián)科 技 2017 12 104 105 4 王蓓蓓 劉文金 陳耿 等 基于 Holt Winters 算法的定制家具生 產(chǎn)需求預測研究 J 林產(chǎn)工業(yè) 2018 45 1 44 47 5 于娜 吳沛雯 家具數(shù)控崗位工人體腦疲勞情況調(diào)研與分 析 J 林產(chǎn)工業(yè) 2018 45 9 48 51 6 黃國范 李亞 人體動作姿態(tài)識別綜述 J 電腦知識與技術 2013 9 1 133 135 7 黃啟友 基于陀螺儀傳感器的一種人機交互技術 D 湘潭 湘 潭大學 2011 8 郭志虎 費潔 錢峰 基于微慣性全姿態(tài)測量的人體運動捕捉系 統(tǒng)研究 J 微型電腦應用 2013 29 2 29 32 責任編輯 王琦 櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂 上接第 54 頁 5 王永宏 張得儉 劉滿元 日光節(jié)能溫室結構參數(shù)的選擇與設 計 J 機械研究與應用 2003 16 S1 101 103 6 白義奎 明月 影響日光溫室鋼骨架結構安全及耐久性能因素 分析 J 房材與應用 2005 5 14 15 7 尹素杰 李軍 李海迎 等 新型農(nóng)業(yè)大棚骨架的性能分析 J 中國農(nóng)學通報 2017 33 18 159 164 8 俞永華 盧如國 塑料大棚結構承載特性的分析研究 J 農(nóng)機 化研究 2011 33 1 165 168 9 解恒燕 陳斌 柴冬冬 鋼拱單棟塑料大棚平面內(nèi)極限承載力分 析 J 低溫建筑技術 2015 37 8 46 49 10 薛東巖 黃光潔 陳啟永 等 溫室大棚采暖熱負荷計算 J 吉 林農(nóng)業(yè) 2016 23 58 58 11 中華人民共和國建設部 GB 50009 2001 建筑結構荷載設計 規(guī)范 S 北京 中國建筑工業(yè)出版社 2006 12 葛玉猛 李玉順 童科挺 等 薄壁型鋼 重組竹組合工字形梁 受剪性能研究 J 森林工程 2018 34 6 72 79 13 蔣慧 李希勝 基于 BIM 的建筑結構協(xié)同設計關鍵問題研 究 J 森林工程 2018 34 6 102 108 14 連彩萍 劉嶸 張淑琴 等 竹材維管束解剖構造的研究進 展 J 林產(chǎn)工業(yè) 2018 45 9 8 12 15 汪仁斌 杜春貴 竹材徑向動態(tài)力學性能研究 J 林產(chǎn)工業(yè) 2018 45 8 14 16 22 16 Lee H S Cho Y S Evaluation of the mechanical properties of steel reinforcement embedded in concrete specimen as a function of the degree of reinforcement corrosion J International Journal of Frac ture 2009 157 1 2 81 88 責任編輯 王琦 85