日光温室钢架结构分析及优

化关瑞，吴坚勇，刘中华*，刘振宇

(1.山西职业技术学院，山西 太原 030006；2.山西农业大学 城乡建设学院，山西 太谷 030801；3.山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801)

温室的结构类型受到地域、环境和气候条件等因素的影响[1]。目前，我国常用的温室类型有塑料温室、玻璃温室和日光温室等[2～4]。其中日光温室具有节能环保、投资低、受环境因素制约小等优点，已逐渐成为了当代温室的主流[5]。

日光温室的骨架结构通常由竹子、木头、钢材和玻璃丝等材料制作而成[6]。在我国北方地区，温室骨架多采用钢结构制作，由小截面钢构件组成，作为薄壁型钢结构，稳定性和安全性是构件设计的关键[7]。但是由于某些构件的长细比经常达不到现行规划的要求，在外部荷载的影响下，温室被风吹塌或被雪压塌的情况经常发生，这就对温室的材料和截面面积提出要求，需尽量减少截面面积以保证在外力荷载条件下，结构能足以承受而不至于倒塌[8]。

近几年，国内外对温室结构的优化极为重视，并进行了相关研究。Castellano S等[9]对欧洲斜屋顶钢温室的结构特性进行了全尺度荷载试验，并对温室结构进行了优化分析。Morcous, G等[10]根据ASCE 7-05标准，建立了一个普通温室设计的全尺寸模型，并在风荷载和雪荷载作用下对其性能进行了分析优化。张鹰等[11]对日光温室钢桁架在最不利荷载作用下进行了受力试验，得出了钢桁架的实际应力值，为设计安全经济的温室钢桁架提供了依据。宋丹等[12]提出了一种适于日光温室的新型钢架组合墙体结构，分析并优化了该墙体的结构承力和稳定性分析方法。

在上述研究的基础上，本文针对当前日光温室安全性和稳定性低的情况，对日光温室的钢骨架结构的材料、尺寸、受力、骨架的弧度等进行了优化分析规范了建造技术的要求，达到了节约能源、节省材料和提高温室安全稳定的目的，增加了经济效益，成为了继续推进温室发展的基本理论支撑。

1 日光温室的基本数据及力学分析建模

1.1 基本数据

太谷县位于山西省中部，境内四季分明，交通便利，农业生产条件较好，是传统的农业县。该地区的温室大棚上方铺的太空棉重量为2 kg·m-2，建造时间为2013年，主梁的材料为镀锌钢管，壁厚为2.75 mm，桁架材料为实心圆管。太谷温室全景图如图1所示。从高度跨度长度入手，对太谷县当地骨架较为完整的一个镀锌钢结构温室大棚的基本参数进行了统计，实地调研的温室具体情况如表1所示(因施工过程中存在不合理施工行为以及使用过程中的变形，测得数据有一定误差)。

表1 太谷县钢结构温室基本参数Table 1 Basic parameters of steel structure greenhouse in Taigu County

图1 太谷温室全景图Fig.1 Panoramic view of greenhouse in Taigu

本文取太谷县地区荷载。在太谷县风荷载和雪荷载的条件下计算日光温室一榀钢骨架的受力情况。表2为太谷地区风荷载和雪荷载的基本参数。

表2 太谷地区风荷载、雪荷载Table 2 Wind load and snow load in taigu area

由表2可知，太谷地区十年一遇的雪荷载和风荷载分别为0.2 kN·m-2和0.2 kN·m-2，五十年一遇的雪荷载和风荷载分别为0.3 kN·m-2和0.3 kN·m-2，一百年一遇的雪荷载和风荷载分别为0.35 kN·m-2和0.35 kN·m-2。由此可以得出，太谷地区的风、雪荷载量随着时间的累积在逐渐增加。因此，对于日光温室每平方米的荷载承受能力需要进一步加强，并要保证日光温室的耐久性、完整性和安全性，同时也要减少建造成本。

圆管截面剖面图和圆形截面直径示意图如图2所示，图3为温室骨架节点号与单元号的仿真图，呈圆弧形。主梁的材料为镀锌钢管，桁架材料为空芯圆管。

由图2所知，日光温室的圆管截面剖面图和圆形截面直径示意图的直径为2.5 cm。由图3a中可知，有57个节点号，各节点均采用焊接，各节点编号从桁架前底脚至后坡依次排列(上弦节点至下弦节点依次排列)，由图3b可知，有109个单元号。

图2 圆管截面剖面图和圆形截面直径示意图Fig.2 Pipe section and diameters of circular section

图3 节点号与单元号图Fig.3 Node number and cell number diagrams

1.2 钢架材料参数

该工程只使用一种Q235B材料：弹性模量是2.06×105 Gpa，泊松比0.30，线膨胀系数是1.20×10-5，质量密度是7 850 kg·m-3。

1.3 结构荷载分析基本理论

钢结构的承载能力极限状态，需要按照荷载组合进行计算分析[13]，在各种组合情况下，可以进一步得到不同因素对钢承载能力的影响效果，其表达式如下：

γ0Sd≤Rd

(1)

式中：γ0-结构重要性系数，按规定采用；Sd-荷载组合的效应设计值；Rd-结构构件抗力的设计值。

其中Rd的取值，需要从荷载组合值中取用最不利的效应设计值确定[14]：

可变荷载控制的效应设计值：

(2)

式中：γGi-第j个永久荷载的分项系数；γQi-第i个可变荷载的分项系数；γLi-第i个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数；SGjK-按第j个永久荷载标准值GjK计算的荷载效应值；SGiK按第i个可变荷载标准值GiK计算的荷载效应值；ψci第i个可变荷载Qi的组合值系数；m-参与组合的永久荷载数；n-参与组合的可变荷载[15]。

2 温室结构荷载分析

2.1 荷载大小组合

由表3可知，共有4荷载类型，其工况号0、1、22、3分别对应的荷载类型为恒、活、风、雪。而且结构重要性系数为0.90。

在不考虑地震作用、温度作用的情况下，荷载组合情况如下所示：

(1)1.20×0+1.40×0.2

(2)1.20×0+1.40×0.2

(3)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(4)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(5)1.00×0+1.40×0.2

(6)1.20×0

(7)1.20×0+1.40×0.2

(8)1.20×0+1.40×0.70×0.2

(9)1.20×0+1.40×0.60×0.2

(10)1.20×0+1.40×0.2

(11)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(12)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(13)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.60×0.2

(14)1.20×0+1.40×0.2

(15)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(16)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(17)1.20×0+1.40×0.60×0.2

(18)1.20×0+1.40×0.2

(19)1.20×0+1.40×0.2+1.40×0.60×0.2

(20)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.2

(21)1.20×0+1.40×0.70×0.2+1.40×0.60×0.2

(22)1.00×0+1.40×0.2

表3 输入荷载库中的荷载Table 3 load in the input load cell

2.2 节点荷载

由表3可知，其荷载数值的确定是根据荷载库中的数值按照组合情况确定的，其中，工况0节点中Px、Py、Pz的压力和Mx、My、Mz的弯矩力均为0，说明在工况0情况下，温室所受到的荷载压力为自己本身；工况1节点中Px、Py的压力和Mx、My、Mz的弯矩力均为0，Pz压力为-0.2kN，说明温室的自然荷载为垂直方向上的-0.2kN；工况3节点中Px、Py的压力和Mx、My、Mz的弯矩力均为0，Pz压力为-0.1kN，说明温室受到的雪压为-0.1kN；工况22节点中Px、Pz的压力和Mx、My、Mz的弯矩力均为0，Py的压力为-0.1kN，说明温室水平方向上受到的荷载压力为-0.1kN。

2.3 荷载组合分析

根据规范[16]：建筑结构设计应根据使用过程中的结构上可能出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载(效应)组合，并取各自的最不利的效应组合进行设计。

2.4 应力比

应力比是指对试件最小应力与最大应力之比(或试件的最小荷载与最大载荷之比)。

3 结果与分析

根据计算分析模型，验算，应力比最大值是106.01。图4为一榀钢骨架总体应力比分布图。

图4 杆件应力比分布图Fig.4 Bar stress ratio layout

由图4可知，在输入相关参数后，得到了温室在受到荷载情况下的最大应力比为106.01 MPa，说明在单元号108处温室承受的应力值最大，设计结构时应该进行加固改进。在所有的单元号中，杆件应力比集中分布在单元号28～37和51附近的范围内且数值较大，说明单元号的应力值不满足安全荷载承受应力，需要对其进行优化。

通过图5～图9，表4～表8可得：在最不利荷载组合工况下(即组合19，恒荷载+雪荷载+风荷载)，需要计算整体钢结构的稳定性和长细比的几何变形，进一步分析温室受到荷载情况下钢结构整体的应力分布和钢管的变形状况。构件的强度应力比集中范围在0.50～0.01之间，占比95.4%，说明结构基本处于安全情况下；绕y方向整体稳定应力比范围集中在0.50～0.00之间，占比65.1%，在106.01～1.00之间，占比达到了24.8%，说明在垂直方向的荷载情况下，钢结构整体受力不均匀，24.8%的单元号受到应力值较大，对骨架的整体稳定性造成了影响；绕z方向整体稳定应力比范围集中在0.50～0.00之间，占比78.9%，在2.49～1.00之间，占比达到了13.8%，说明大部分单元处于安全范围内，但是有13.8%的单元号需要进行优化改进；绕y方向细比范围集中在1091～180与150～120之间，分别占比45.0%与42.2%，绕z方向细比范围集中在209～180，占比43.1%，且范围180～150、150～120和80～50的占比分别为12.8%、17.4%和24.8%差别不大，说明钢管在受到荷载的情况下，发生了较大的形变，其大部分的形变超出了安全范围，对骨架的安全造成了影响。因此，温室结构在荷载组合工况下，按照上述占比要求，进行验算分析，得到的设计验算表(表9)。

图5 以“强度应力比”显示构件不同颜色Fig.5 Shows the different colors of the members in terms of “strength to stress ratio”

表4 “强度应力比”统计结果Table 4 statistical results of "intensity stress ratio

表9验算结果得出了各个单元号是否处于安全荷载承受应力范围内的分析结果，进而计算出了日光温室承载荷载应力的最低控制标准，为骨架的设计提供了有效的参考标准。最严控制表见表10，通过对不满足结果进行强度应力比、整体稳定应力比以及绕x和y方向的应力比进行优化，使温室钢结构达到理想效果。

图6 绕y方向显示构件不同颜色Fig.6 Display components in different colors around the y direction

表5统计结果为“绕y方向整体稳定应力比”

Table5 The statistical result is“overall stable stress ratio around y direction”.

范围Range106.01～1.001.00～0.900.90～0.700.70～0.500.50～0.01单元数2714671百分比24.8%0.9%3.7%5.5%65.1%

图7 按z方向显示构件不同颜色Fig.7 Display component colors in the z direction

表6按“绕z方向整体稳定应力比”统计结果

Table6 According to the statistical result of“overall stable stress ratio around z direction”

范围Range2.49～1.001.00～0.900.90～0.700.70～0.500.50～0.01单元数1524286百分比13.8%1.8%3.7%1.8%78.9%

图8 以“绕y方向长细比”显示构件不同颜色Fig.8 Display components in different colors with "length-to-fineness ratio around y direction“2”

表7以“绕y方向长细比”统计结果

Table7 Statistical results were obtained by"length-fineness ratio around y direction"

范围Range1091～180180～150150～120120～80<80单元数49144600百分比45.0%12.8%42.2%0.0%0.0%

图9 按“绕z方向轴长细比”显示构件颜色Fig.9 Press "length-fineness ratio around z-axis" to display component color

表8按“绕z方向轴长细比”统计结果表

Table8 According to the statistical result table of"length-fineness ratio around z-axis"

范围Range1091～180180～150150～120120～8080～50单元数471419227百分比43.1%12.8%17.4%1.8%24.8%

表9 设计验算结果表Table 9 Design Check Results Table

表10 最严控制表 (强度和整体稳定为(应力/设计强度))Table 10 The most tightly controlled TAB (strength and overall stability is (stress/design strength))

在表10中，从109个单元中选取了7有代表性的单元进行优化(选取依据为单元号的首位两侧，中间及1/3和2/3处)，在7个单元中将钢架与地面接触的单元0设置为参考点，其应力数值为0，并对其它6个单元形成刚性约束。因此，在太谷地区荷载条件下，按照表10中各单元的统计结果，以及表10中的计算结果，将下弦杆的截面改成与上弦杆一样，使用的材料不变为Q235B，腹杆直径改成12 mm，增加下弦杆侧向支撑间隔为1.5 m。优化后，钢骨架结构的应力值均匀分布在各个单元号上，使得骨架的整体承受能力达到了设计标准。该优化方案满足了温室钢骨架结构在风雪荷载下的承受能力。

4 结论

(1)本试验对太谷地区传统的日光温室钢结构进行了分析，分析结果表明，在109个单元中，有52个单元号的应力值不满足安全荷载承受应力，且各个单元号受到的应力分布不均匀，影响了温室的安全性和稳定性。

(2)在太谷地区荷载条件下，使用材料Q235B，将下弦杆的在直径改为33 mm，腹杆直径改成12 mm，下弦杆侧向支撑间隔为1.5 m，该优化方案满足了日光温室在10年、50年和100年期间风雪气候条件下的荷载承受能力。