柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室内力分析及结构优化.pdf

柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室内力分析及结构优化 闫冬梅 徐开亮 周长吉 张秋生 1 农业农村部规划设计研究院 北京 100125 2 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室 北京 100125 摘 要 针对柔性材料围护椭圆管单管拱架日光温室跨度不断加大 而标准化管材市场供应截面单一带来的结构安全性 问题 该研究基于北京地区的风 雪荷载 依据国家标准 农业温室结构荷载规范 GB T 51 183 2016 和 农业温 室结构设计标准 GB T 51 424 2022 选用截面80 mm 30 mm 2 0 mm 高 宽 壁厚 椭圆管 以12 m跨度日光温 室为基准 使用Midas Gen有限元软件建立模型 分析不同作物吊挂模式 后墙立柱不同结构形式以及拱架与基础不同 连接形式对结构内力分布的影响 寻找结构最大应力最小的作物吊挂模式和结构形式 结果显示 柱脚铰接的单管拱架 作物荷载2点吊挂时 出现强烈的局部应力集中 且作物荷载为主要控制荷载 其中后墙立柱作物吊挂点位置最大应力 值为1 146 7 N mm2 其余位置平均应力值为445 4 N mm2 作物荷载为3个吊挂点时 拱架应力系数为0 61 作物荷载 退化为次要控制荷载 吊挂点个数 4时 拱架应力系数降低到约0 51 作物荷载完全退出控制作用 拱架最大应力仍 超出材料允许强度 因此 采用局部加强措施同时结合柱脚连接形式寻找更加合理的拱架结构 并最终提出该温室结构 采用前柱脚铰接 后柱脚固接 后墙立柱为格构柱时结构的最大应力最小 应力分布最合理 研究可为北京地区柔性保 温墙椭圆管单管拱架日光温室的结构形式和结构用材提供参考 关键词 温室 作物 荷载 单管拱架 结构优化 椭圆管 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303034 中图分类号 S26 TU261 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2023 14 0215 08 闫冬梅 徐开亮 周长吉 等 柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室内力分析及结构优化 J 农业工程学报 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 在中国社会经济发展过程中 日光温室在提高中国 北方地区冬季蔬菜供应量和农民收入方面发挥了重要作 用 传统的日光温室主要由后墙及前后屋面拱架两部分 构成 后墙多为厚重的土墙和石墙 1 5 占地面积大 施 工速度慢 前后屋面拱架大多采用钢管 钢筋焊接桁架形 式 6 7 这种结构承载能力强 但焊接量大 质量也较难 保证 随着设施园艺的不断发展创新 众多学者将装配 式结构引入温室设计中 逐步开发出不同种类的装配式 日光温室 8 此类温室可在工厂预制完成后进行现场组 装 具有施工速度快 节约土地 不破坏耕地等优点 目前装配式日光温室主要集中在温室后墙以及拱架 两部分的研究 如白义奎 9 10 的落地装配式全钢骨架结 构日光温室 整体采用全钢骨架 拱架分为椭圆管单管 及桁架两种形式 周长吉 11 基于主动储放热理论的柔性 保温墙单管拱架日光温室 对北京老旧温室改造提供了 新的思路及方式 周长吉等 12 17 对装配式墙体的性能进 行了一系列的研究 周凤等 18 对装配式温室的节点设计 进行了研究分析 赵发军等 19 对装配式日光温室结构优 化设计做了一些研究 以上研究成果能较好的适应生产需要 但仍存在一 定的局限性 一是温室跨度相对较小 传统日光温室的 跨度主要集中在8 10 m之间 近年来 随着日光温室 室内环境控制水平的提高和机械化作业装备的引入 日 光温室跨度逐渐加大 从9 10 12到16 m 甚至20 m 以上 20 温室的脊高也从3 m左右提高到6 m以上 二 是拱架杆件多采用相同的截面尺寸 单管拱架截面尺寸 高 宽 壁厚 主要采用 60 80 mm 30 mm 2 0 mm 椭圆管 18 22 通过现场调研和诸多工程实例发现 由于 标准化管材市场供应截面单一等原因 不同建设地点及 不同几何尺寸的日光温室却采用相同的截面 这将对大 跨度的单管拱架日光温室带来结构安全性的问题 为保证温室结构的安全性 本研究基于北京地区的 风 雪荷载 选用截面80 mm 30 mm 2 0 mm 高 宽 壁厚 椭圆管 以12 m跨度日光温室为基准 使用 Midas Gen有限元软件建立模型 分析不同作物吊挂模 式 后墙立柱不同结构形式以及拱架与基础不同连接形 式对结构内力分布的影响 寻找结构最大应力最小的作 物吊挂模式和结构形式 为今后北京地区柔性保温墙椭 圆管单管拱架日光温室的结构形式和结构用材提供参考 收稿日期 2023 03 06 修订日期 2023 05 16 基金项目 河北省重点研发计划项目 20326901D 作者简介 闫冬梅 硕士 高级工程师 研究方向为设施结构工程和设计 Email 851251116 通信作者 周长吉 博士 研究员 研究方向为温室工程技术的研究 设计和标准化 Email zhoucj 第 39 卷 第 14 期农 业 工 程 学 报 Vol 39 No 14 2023 年 7 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering July 2023 215 1 日光温室结构选型 1 1 日光温室总体尺寸确定 本研究选定12 m跨日光温室为研究对象 按照 日 光温室设计规范 NY T 3 223 2016 23 要求 以北 纬40 为计算条件 确定主体结构尺寸为 脊高5 526 m 前屋面水平投影宽度9 68 m 后屋面水平投影宽度2 32 m 沿日光温室长度方向布置间距为1 0 m 拱架前后柱脚均 采用铰接 在温室屋脊下方位置设置水平拉杆 与拱架 采用铰接 拱架共设置10道纵向系杆 其中屋脊处设 置1道 后墙立柱与后屋面拱架交接处设置1道 前屋 面设置5道 后屋面设置1道 后墙设置2道 日光温 室结构总体尺寸及布置见图1 纵向系杆 纵向系杆 拱架 水平拉杆 Horizontal tie rod 15 9 680 2 320 12 000 5 4 000 5 526 Longitudinal tie rod 纵向系杆 Longitudinal tie rod Longitudinal tie rod Arch 图1 日光温室结构总体尺寸 Fig 1 Overall dimensions of solar greenhouse structure 1 2 结构杆件参数 温室前屋面 后屋面以及后墙立柱采用同一截面尺 寸的一体化构件 定义为拱架 温室主要结构杆件参数 如下 拱架杆件采用80 mm 30 mm 2 0 mm 高 宽 壁 厚 椭圆管 水平拉杆采用 32 mm 2 0 mm圆管 纵向 系杆采用 25 mm 2 0 mm圆管 温室结构杆件截面特性 见表1 杆件材质均为Q235 24 表 1 日光温室钢结构杆件截面特性表 Table 1 Section characteristics of steel structure members of solar greenhouse 名称 Name 截面 Section mm 截面面积 Section area cm2 惯性矩 Moment of inertia cm4 截面模数 Section modulus cm3 Ix Iy Wx Wy 拱架 Arch椭圆管80 30 2 0 3 759 24 75 5 66 6 187 3 733 水平拉杆 Horizontal tie rod圆管 32 2 0 1 885 2 130 2 662 纵向系杆 Longitudinal tie rod圆管 25 2 0 1 445 1 926 1 54 注 Ix I y分别为x y 轴惯性矩 cm4 Wx Wy分别为x y轴截面模数 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 荷载及荷载组合 依据 农业温室结构荷载规范 25 确定各项荷载 荷载代表值见2 综合考虑屋面活荷载与雪荷载不同 时计入的互斥荷载情况 进行全荷载组合 25 26 共形成 649种工况 部分荷载组合及组合系数 25 见表3 表 2 日光温室荷载标准值 Table 2 Characteristic value of load case for solar greenhouse 编号 No 荷载名称 Load name 荷载工况 Load case 荷载标准值 Characteristic value of load 备注 Remark 1永久荷载Permanent load G 钢结构自重G1 软件自行计算 前屋面薄膜G2 0 001 kN m 2 0 08 mm厚 后屋面及后墙保温材料G3 0 03 kN m 2质量3 0 kg m 2 后墙太阳能集散热水袋G4 0 01 kN m 2 2作物荷载Crop load C作物荷载C 0 15 kN m 2 2点式吊挂 3屋面活荷载Live load L R 屋面活荷载LR 0 15 kN m 2 4保温被荷载Insulation quilt load Q保温被均布荷载Q1 0 015 kN m 2质量1 50 kg m 2 保温被集中荷载Q2 0 19 kN覆盖总弧长为12 825 m 5雪荷载Snow load S均布雪荷载S1 0 11 kN m 2 北京地区10 a基本雪压为0 25 kN m 2 不均匀雪荷载标准值为加载的最大值不均布雪荷载S 2 0 25 kN m 2 6风荷载Wind load W 0 左风荷载Ws 北京地区10 a基本风压为0 37 kN m 20 右风荷载Wn 90 风荷载Ww 表 3 荷载组合及组合系数 部分 Table 3 Load combination and combination coefficient Part 编号 No 荷载组合 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 日光温室的作物吊挂形式及种类 25 较为多样化 作 物通过不超过三级吊线的模式进行荷载传递 25 日光温 室吊线示意图见2 一级吊线为日光温室拱架中间位 置设置与地面垂直的吊挂线 二级吊线为沿日光温室长 度方向通长布置的吊挂线 两端在山墙位置固定 三级 吊线为沿拱架相同方向布置 与拱架后墙和前屋面连接 的吊挂线 根据相关规范要求及实际需求 本研究作物吊挂形 式选用2点式 作物种类选择茄果 西甜瓜类 25 其中 2点式吊挂形式 设三级吊线分别连接到前屋面拱架和 后墙拱架上 中间不设垂直吊线 一级吊线 后墙位 置吊挂点高度h1为2 77 m 前屋面吊挂点位置高度h2 为2 0 m 作物荷载的单位面积荷载为0 15 kN m2 图3 为2点式吊挂的作物荷载布置图 216农业工程学报 http www tcsae org 2023 年 6 7 3 3 1 2 5 4 h 2h 1 1 一级吊线 2 二级吊线 3 三级吊线 4 吊蔓线 5 拱架 6 后墙 7 后墙吊挂线 固定点 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为后墙位置吊挂点高度 h2为前屋面位置吊挂点高度 m Note h1 is the height of the rear wall hanging point and h2 is the height of the front roof hanging point m 图2 日光温室吊线示意图 Fig 2 Schematic diagram of hanging line of solar greenhouse 4 190 4 190 0 840 0 840 注 图中数据单位为kN Note In the figure the data unit is kN 图3 2点式吊挂作物荷载布置图 Fig 3 Layout diagram of 2 point hanging crop load 2 日光温室结构内力分析 2 1 结构内力分析软件 本研究结构内力分析采用Midas Gen 27 29 有限元软 件 此软件适用范围广泛 可对日光温室 文洛型连栋 温室 异形塑料大棚等各种复杂空间结构的温室大棚结 构进行精细化分析 可导入任意的杆件截面形式 保证 建模精度 软件建模和内力计算的基本步骤为 1 在Midas Gen 有限元软件中 采用连续折线梁单元对日光温室前屋面 弧形拱架进行拟合 2 添加椭圆管单管拱架及水平拉杆 的实际截面 其中椭圆管截面在Midas Gen软件截面库 中未包含 采用CAD绘制椭圆管截面曲线 导入Midas Gen软件 3 指定杆件截面及参数 设置纵向系杆 建 立三维模型 4 设置拱架的边界条件 5 依据 农业温 室结构荷载规范 25 相关规定布置荷载并进行计算分析 得到拱架的内力 再依据 农业温室结构设计标准 30 设定相关参数 进行构件设计 2 2 内力计算结果与分析 通过对2点式吊挂模式 柱脚铰接的椭圆管单管拱 架日光温室建立模型 应用Midas Gen软件进行内力分 析 得到拱架的最不利荷载组合为0 95G 1 2C 0 6Wn 作物荷载为主要控制荷载 风荷载为次要控制荷载 最 不利荷载组合对应的拱架内力如图4所示 可以看出最 大轴力值为3 9 kN 位于水平拉杆位置 最大弯矩值为 7 0 kN m 最大应力值为 1146 7 N mm2 均位于后墙拱 架吊挂点位置 拱架最大应力位置与最大弯矩位置一 致 主要影响因素为弯矩作用 当采用2点式吊挂时 由于后墙拱架位置吊挂点的水平荷载较大 导致拱架出 现强烈的局部应力集中情况 单榀拱架平均应力值为 445 4 N mm2 最大应力值与平均值相比差值较大 1 4 a 轴力图 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 弯矩图 b Bending moment diagram c 应力图 c Stress diagram 图4 单管拱架日光温室内力图 Fig 4 Internal force diagram of single tube arch solar greenhouse 以上研究发现柱脚铰接的单管拱架 作物荷载2点 吊挂时 吊挂点数量少 吊点处集中荷载大是造成拱架 内力分布极不均匀的主因 因此 增加吊挂点数量 分 散并减小局部集中荷载 提高结构内力分布的均匀度 是结构优化的主攻方向 3 单管拱架日光温室结构优化 3 1 增加吊挂点对结构内力大小及分布的影响 3 1 1 吊挂点模式 本研究在上述2点吊挂模式的基础上 增加作物吊 挂点 在拱架中间位置的三级吊线跨度范围内等间距增 设一级吊线 分别设置3 4 5和6个吊挂点 25 不同 吊挂点为一种计算模型 共5个 具体编号详见表4 3 1 2 不同吊挂点的作物荷载 按照 农业温室结构荷载规范 25 作物荷载的计算 方法 得出不同吊挂点作物荷载的作用位置和荷载值 具体布置见图5 表 4 不同吊挂点结构计算模型编号 Table 4 Calculation model number of different hanging point structure 模型编号 Model No 吊挂点 Hanging point 柱脚形式 Plinth D2JJ 2点式 D2 前 后柱脚铰接 JJ D3JJ 3点式 D3 前 后柱脚铰接 JJ D4JJ 4点式 D4 前 后柱脚铰接 JJ D5JJ 5点式 D5 前 后柱脚铰接 JJ D6JJ 6点式 D6 前 后柱脚铰接 JJ 3 1 3 分析指标 为便于比较增加作物吊挂点后温室结构的弯矩和应力 变化 本研究采用弯矩系数和应力系2个分析指标 31 第 14 期闫冬梅等 柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室内力分析及结构优化217 0 420 2 100 a 3 point hanging 0 420 0 840 2 100 a 3点式 0 560 0 560 0 280 1 410 b 4 point hanging 0 280 1 410 b 4点式 0 420 0 210 0 420 0 420 0 210 1 050 1 050 c 5 point hanging c 5点式 0 8400 840 0 335 0 335 0 335 0 335 0 170 0 170 d 6 point hanging d 6点式 注 图中数据单位为kN Note In the figure the data unit is kN 图5 不同吊挂点作物荷载布置图 Fig 5 Layout diagram of different hanging point for crop load 1 弯矩系数Mc 日光温室结构在全荷载组合下的最大弯矩值为Md 定义弯矩系数Mc 按式 1 计算 Mc Mdn Md0 1 式中Md0为2点式吊挂在全荷载组合下结构的最大弯矩 值 kN m Mdn为3点及以上吊挂点的最大弯矩值 kN m n 3 4 5 6 2 应力系数Sc 日光温室结构在全荷载组合下的最大应力为Sd 定 义应力系数Sc 按式 2 计算 Sc Sdn Sd0 2 式中Sd0为2点式吊挂在全荷载组合下结构的最大应力 N mm2 Sdn为3点及以上吊挂点的最大应力值 N mm2 n 3 4 5 6 3 1 4 结果分析 永久荷载和风 雪荷载等条件一致的前提下 通过 调整作物荷载吊挂点数量 计算得出不同吊挂点模型拱 架最大弯矩系数和应力系数 见图6 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 D2JJ D3JJ D4JJ D5JJ D6JJ 内力比系数 不同吊挂点模型 弯矩系数Coefficient of bending moment 应力系数Coefficient of stress Models with different Hanging point Internal force ratio coefficient 图6 单管拱架日光温室内力比系数 Fig 6 The internal force ratio coefficient of single tube arch solar greenhouse 根据计算结果可以得出 1 通过调整作物荷载吊挂模式 拱架的弯矩系数和 应力系数变化趋势基本一致 随着吊挂点数量增加呈下 降趋势 作物荷载为3个吊挂点时 拱架应力系数为 0 61 作物荷载为4个吊挂点时 拱架应力系数降低到 约0 51 作物荷载为5 6个吊挂点时 应力系数与4点 式相同 不再继续下降 2 从最不利荷载组合的主控荷载看 2点吊挂模型 最不利荷载组合为0 95G 1 2C 0 6Wn 作物荷载起主要 控制作用 3点吊挂模型最不利荷载组合为0 95G 1 0Wn 0 84C 风荷载起主要控制作用 作物荷载变为次 要控制荷载 4点以上吊挂模型最不利荷载组合均为 0 95G 1 0Wn 风荷载起主要控制作用 作物荷载退出控 制荷载 以上研究发现 柱脚铰接的单管拱架通过增加作物 荷载吊挂点可有效分散应力 减小应力集中 建议采用 4点及以上吊挂模式 但以上形式拱架的最大应力仍超 出材料允许强度 为此 需进一步对最大应力部位采取 局部加强措施 寻找减小最大应力的合理结构 3 2 局部加强后墙拱架对结构内力及分布的影响 3 2 1 局部加强后墙拱架方案 为减小后墙拱架吊挂点位置的最大应力 可采用以 下方式进行优化 一是对不利位置进行局部增强 减小 其应力 二是调整结构整体拱架曲线 通过改变内力分 布来减小不利位置的应力 在结构用材和其他荷载不变的条件下 以4点吊挂 模型为基础 与结构分析和工程实践相结合 提出3种 加强方案 模型编号见表5 新增杆件材质均为Q235 3种方案的加强方式及位置如下 1 危险部位局部加强 在后墙拱架与后屋面拱杆间增设加强撑杆 图7a 提 升该部位的抗弯能力 2 后墙与后屋面连接由折角改为 圆弧过渡 后墙柱顶处45 折角 易形成应力集中 将 其调整为弧线线形 图7b 可减弱应力集中问题 3 加强后墙拱架整体承载力 将后墙单管拱架调整为格构 柱 图7c 提高拱架整体抗侧刚度及承载力 表 5 日光温室局部加强后墙拱架方案及计算模型 Table 5 The arch frame schemes and calculation models for partially strengthened rear wall of solar greenhouse 模型编号 Model No 局部加强后墙拱架方案 Arch frame scheme of partially strengthened rear wall 柱脚形式 Plinth 备注 Remark D4JJ A后墙拱架最不利位置增加撑杆 A 前 后柱脚铰接 JJ 撑杆杆件截面为40 mm 2 0 mm方管 D4JJ B后墙拱架调整线形 B 前 后柱脚铰接 JJ D4JJ C后墙拱架由单管柱调整为格构柱 C 前 后柱脚铰接 JJ 格构柱杆件截为60 mm 30 mm 2 0 mm矩管 3 2 2 结构内力与结果分析 在荷载不变的条件下 计算表5的3个模型的最大 弯矩及应力 具体数值见图8 图9 以D4JJ模型内力 为参照对象 3个模型的弯矩系数和应力系数见图10 由以上计算结果可以得出 1 模型D4JJ A的最大应力为633 4 N mm2 最不 利位置为后墙加固撑杆两端 与模型D4JJ对比 拱架的 应力系数为1 10 增设撑杆后拱架最大应力值增大约 10 这种加强措施并未取得改善效果 2 模型D4JJ B的最大应力为575 2 N mm2 最不利 位置为后墙拱架吊挂点 与模型D4JJ对比 将后墙拱架 与后屋面拱杆连接调整为弧线后 拱架的应力系数为1 00 218农业工程学报 http www tcsae org 2023 年 单管拱架的最大应力值基本未变 这种措施改善效果也未达到 3 模型D4JJ C的最大应力为301 2 N mm2 最不 利位置在后屋面拱杆与格构柱连接点 与模型D4JJ对比 将后墙拱架由单管调整为格构柱后明显提升了日光温室 的整体刚度 拱架的应力系数为0 52 即拱架应力降低 约48 此种改善措施效果明显 加强撑杆 Strengthening broce后墙调整线形 Restructuring the linear of the rear wall 格构柱 Latticed column a D4JJ A b D4JJ B c D4JJ C 图7 日光温室局部加强后墙拱架方案示意图 Fig 7 Schematic diagram of partially strengthened rear wall column of solar greenhouse 弯矩Bending moment kN m 3 53 0 2 62 1 1 61 2 0 70 0 2 0 7 1 2 1 6 弯矩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 弯矩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 图8 局部加强后墙拱架的单管拱架日光温室弯矩图 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 应力Stress N mm 2 应力Stress N mm 2 应力Stress N mm 2 a D4JJ A b D4JJ B c D4JJ C 图9 局部加强后墙拱架的单管拱架日光温室应力图 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 弯矩系数Coefficient of bending moment 应力系数Coefficient of stress 内力比系数 D4JJ A D4JJ B D4JJ C 局部加强后墙拱架模型 Models with partially strengthened rear wall arch Internal force ratio coefficient 图10 局部加强后墙拱架模型的内力比系数 Fig 10 The Internal force ratio coefficient of partially strengthened rear wall arch 3 3 柱脚连接形式对结构内力及分布的影响 3 3 1 柱脚连接形式 温室拱架柱脚主要有铰接 J 和固接 G 2种连 接形式 前述研究主要针对拱架前后柱脚均为铰接 JJ 形式进行分析 为了探明拱架柱脚不同连接形式对结构 内力的影响 参照模型D4JJ和D4JJ C 按后墙为单管 柱和格构柱2种模式分别对柱脚连接形式进行分析 柱 脚连接形式分别采用3种组合方式 前柱脚为铰接 后 柱脚为固接 JG 前柱脚为固接 后柱脚为铰接 GJ 前 后柱脚均为固接 GG 共计6个模型 模 型编号分别为D4JG D4GJ D4GG D4JG C D4GJ C D4GG C 3 3 2 结构内力与结果分析 通过对以上6个模型进行计算 得到各模型的最大 弯矩及应力 图11 图12分别为6个模型的内力图 弯矩系数和应力系数见图13 由上述模型计算结果可以得出 1 单管拱架形式的D4JG D4GJ D4GG3个模型 中 D4JG的最大应力为577 6 N mm2 最不利位置为后 柱脚位置 D4GJ的最大应力为476 0 N mm2 最不利位 置为前柱脚位置 D4GG的最大应力为449 8 N mm2 最 不利位置为后柱脚 2 与模型D4JJ进行对比 柱脚连接形式为固接时 拱架内力最不利位置多集中在柱脚处 其中前后柱脚均 为固接形式 D4GG 时 拱架应力系数最小 为0 78 可降低应力值约22 对拱架内力改善效果最好 3 后墙格构柱形式的D4JG C D4GJ C D4GG C3 个模型中 D4JG C的最大应力为300 6 N mm2 最不利位 置在立柱柱顶 D4GJ C的最大应力为304 7 N mm2 最 不利位置为前柱脚 D4GG C的最大应力为308 3 N mm2 最不利位置为前柱脚 4 与模型D4JJ C进行对比 前柱脚连接形式为固 接 D4GJ C D4GG C 时 前柱脚承担了较大弯矩作 第 14 期闫冬梅等 柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室内力分析及结构优化219 用 因此最不利位置多集中在前柱脚处 D4JG C模型的 应力系数为0 99 其余2个模型的应力系数均大于1 0 前柱脚为铰接 后柱脚为固接 D4JG C 时 拱架最大 应力最小 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 弯矩Bending moment kN m 弯矩Bending moment kN m 弯矩Bending moment kN m D4JG D4GJ a 弯矩 a Bending moment b 应力 b Stress D4GG D4JG D4GJ D4GG 应力Stress N mm 2 应力Stress N mm 2 应力Stress N mm 2 图11 单管拱架日光温室内力图 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 弯矩Bending moment kN m 弯矩Bending moment kN m 弯矩Bending moment kN m 应力Stress N mm 2 应力Stress N mm 2 应力Stress N mm 2 D4JG C D4GJ C a 弯矩 a Bending moment b 应力 b Stress D4GG C D4JG C D4GJ C D4GG C 图12 后墙格构柱形式单管拱架日光温室内力图 Fig 12 Stress diagram of single tube arch solar greenhouse in the of truss column 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 D4JG D4GJ 不同柱脚形式模型 D4GG D4JG C D4GJ C D4GG C Models of different column base s 内力比系数 弯矩系数Coefficient of bending moment 应力系数Coefficient of stress Internal force ratio coefficient 图13 不同柱脚形式日光温室内力比系数 Fig 13 The Internal force ratio coefficient of solar greenhouse with different column bases 4 结 论 以12 m跨单管拱架日光温室为基准 对不同作物荷 载吊挂模式 后墙立柱结构形式以及拱架与基础连接形 式进行结构内力分析和优化研究 得出如下结论 1 增加作物荷载吊挂点可分散应力 减小应力集中 单管拱架日光温室作物荷载为3个吊挂点时 拱架应力 系数为0 61 作物荷载退为次要控制荷载 吊挂点个数 4时 拱架应力系数降低到0 51 作物荷载完全退出控 制作用 增加作物荷载吊挂点可以降低作物荷载的集中 力对日光温室单管拱架的内力影响 2 后墙单管柱形式调整为格构柱后 可有效提高结 构的承载能力 通过对后墙与后屋面拱架进行局部加强 不能降低拱架的最大应力 拱架后墙单管柱调整为格构 柱后 拱架的弯矩系数与应力系数降低至0 52 可有效 220农业工程学报 http www tcsae org 2023 年 提高拱架的承载能力 3 改变柱脚的连接形式对降低结构内力具有一定作 用 对于单管拱架形式的日光温室 当柱脚采用固接形 式时 柱脚处的内力因刚度变化进行了重新分配 削减 了拱架中部的弯矩 可有效提升拱架整体承载能力 建 议单管拱架日光温室的前 后柱脚均采用固接形式 对 于后墙为格构柱形式的单管拱架日光温室 前柱脚为铰 接 后柱脚固接时 拱架的内力最小 因此 该温室结 构采用前柱脚铰接 后柱脚固接 后墙立柱为格构柱时 结构的最大应力最小 应力分布最合理 参 考 文 献 张亚敏 浅谈日光温室节能墙体材料的发展 J 砖瓦 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 田兴运 何斌 朱雄伟 日光温室结构优化现状与新思路 探索 J 东北农业科学 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