新型铝合金型材日光温室结构静力性能分析_李泽志.pdf

农业与技术 农业工程 新型铝合金型材日光温室结构静力性能分析 李泽志赵林李方慧王成海王震马志涛 黑龙江大学建筑工程学院 哈尔滨 摘 要 为评估新型铝合金型材在日光温室骨架结构中的适用性 基于有限元软件建立了铝合金型材日光温室结 构模型 考虑了永久荷载 雪荷载 风荷载 作物荷载及施工检修荷载等 种典型工况组合 系统分析了骨架的 位移与应力分布规律 确定了最不利荷载工况 采用弧长法对骨架在非均匀雪荷载作用下的非线性失稳全过程进 行追踪 探讨了结构跨度 与型材壁厚 对稳定承载力的影响规律 结果表明 非均匀雪荷载是控制结构设计的最不利因素 在该工况下骨架最大竖向位移达 最大弯曲应 力达 显著高于其他工况 骨架的失稳破坏始于前屋面基础及屋脊连接处 当基本雪压达 时 结构达到极限承载力 极限承载力对跨度变化极为敏感 当跨度从 增至 时 承载力降幅高达 增加壁厚虽可提升承载力 但力学效率呈下降趋势 壁厚从 增至 承载力仅提高 而材料用量增加 本研究为铝合金型材日光温室的结构抗灾设计及优化提供了理论依据 关键词 铝合金温室 荷载 静力分析 承载力 中图分类号 文献标志码 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 光伏屋面体系风吹雪机理及其雪荷载研究 项目编号 年度省属本科高校基本科 研业务费 编号 作者简介 李泽志 男 硕士在读 研究方向 设施农业 通信作者赵林 男 博士 副教授 研究方向 空间结构体 系 设施农业 农业工程 农业与技术 引言 日光温室作为我国北方特色农业设施 凭借其独 特的光热调控优势 在现代化农业生产中展现出显著 价值 近年来 随着气候变化加剧 我国极端灾害性 天气事件频发 对农业设施尤其是日光温室结构的安 全性提出了严峻挑战 针对这一突出的结构问题 许多学者在力学性能方面 深入分析在各种荷载作用 下温室结构的失效模式 如 向彬涛等 通过分析型 钢截面类型 温室跨度 雪荷载分布形态等因素 揭 示雪荷载分布对日光温室稳定承载力的量化影响 关 瑞等 对钢材结构的日光温室骨架进行了优化分析 提出的优化方案显著增强了温室在风雪气候条件下的 荷载承受能力 白义奎等 采用全尺寸结构试验 证 实了钢骨架日光温室可承受 年一遇的风雪荷载 等 运用 软件 对日光温室单管结构 的静动力响应及其失效机理进行了分析 采用 有限元法 对 跨度的塑料大棚在不同荷载工况下 的强度 刚度及稳定性等力学性能进行了全面评估 闫冬梅等 采用 分析了拉杆位置变化对椭圆 单管拱架内力分布的作用规律 周长吉 通过对日 光温室圆管骨架进行强度分析 构建了相应的内力计 算优化模型 丁敏等 以矩形管日光温室为对象 研究了在极端风雪荷载作用下的力学行为 完整呈现 了该温室从受力到失稳破坏的全过程 王聪等 基 于有限单元法 对某跨度为 脊高为 的日 光温室展开分析 该研究旨在揭示几字型钢温室在雪 荷载下的失稳破坏机理 并探讨了其截面参数对结构 极限承载力的影响 王朝栋等 运用 软件 对空心圆管拱架日光温室的截面应力进行了分析 目前 日光温室骨架材料的研究与应用主要集中 于钢骨架结构 钢材凭借其较高的强度 低廉的成本 以及成熟的加工工艺 长期以来在温室建设中占据主 导地位 然而 钢骨架温室在实际应用中也存在 一定局限性 如在高湿高腐蚀 环境中会发生锈蚀 影响使用寿命等 相比之下 铝合金骨架具有轻 质高强 耐腐蚀 可回收利用等显著优势 更加符合 现代农业绿色低碳和可持续发展的要求 然而 当前铝合金在温室中的应用多集中于覆盖系统 门窗 等非承重构件 针对在日光温室骨架结构中应用 的力学响应特征及构造适应性研究相对较少 相关结 论仍有待进一步补充 因此 有必要对铝合金型材日光温室骨架展开研 究 明确其在各类荷载工况下的变形规律与应力分布 特征 重点探究不同跨度与截面形式的骨架在不均匀 雪载下的承载性能 本研究旨在为推动日光温室建设 向高效 节能 环保的方向发展提供有益的理论依据 与技术支撑 铝合金型材日光温室结构设计 该日光温室主体是由铝合金型材骨架和纵向两端 及后侧的山墙结构共同构成 墙体与温室骨架通过高 强度连接件紧固 形成了一个稳定的空间受力体 系 为专注于分析铝合金型材骨架本身 本研究 暂不考虑墙体结构 温室骨架的整体设计布局如图 所示 其尺寸参数详见表 图 铝合金型材日光温室示意图 表 铝合金型材日光温室剖面参数 跨度 曲率 半径 曲率 半径 前屋 面角 后屋 面角 前屋面 水平投影 后屋面 水平投影 脊高 后墙高 常用的欧标铝合金型材截面图见图 详细标示 了其几何形状及关键尺寸参数 截面面积及惯性矩参 数见表 其中惯性矩采用几何分解法计算得出 铝合金型材日光温室骨架静力响应特征 骨架材料与有限元模型 铝合金型材温室骨架截面选用图 壁厚 农业与技术 农业工程 为参考截面进行计算分析 材料为 屈服强 度 弹性模量 泊松比 材料密度 温室的主体结构通过固接方式与 基础及周边墙体连接 结构分析中采用 有限 元分析软件对温室骨架进行非线性模拟 开启几何非 线性选项 采用理想弹塑性本构模型 以考虑大变形效应及由此引起的几何刚度影响 采用 弧长法求解非线性问题 该方法能够有效追踪结构在 失稳后的行为 从而获得包含下降段的完整荷载 位 移曲线 曲线的峰值点对应结构在当前条件下的极限 承载力 图 截面尺寸图 表 铝合金型材面积及惯性矩 截面壁厚 截面面积 截面绕强 轴的惯性矩 荷载工况 永久荷载 骨架自重通过材料密度和重力加速度在软件自动 计算 温室的前屋面采用厚度为 的聚乙烯 膜作为透光覆盖材料 其单位面积自重为 北屋面则选用 厚的草苫作为覆盖材 料 在潮湿状态下单位面积的自重为 当温室内未明确固定设备荷载时 根据 农业温室结构 荷载规范 可按 的 竖向均布荷载进行计算 可变荷载 温室中计算的可变荷载包括雪荷载 风荷载 作 物荷载 屋面活荷载及施工检修集中荷载 按照 农 业温室结构荷载规范 的要 求 温室骨架所承受的雪荷载水平投影值计算公式 式中 为雪荷载标准值 为屋面 积雪分布系数 取值依据图 确定 为加热影响系 数 对于不加热日光温室 取值取 表示基 本雪压 取值为 哈尔滨地区 年重 现期 雪荷载计算考虑两种分布模式 见图 一 种是均匀分布雪荷载 另一种考虑到风致积雪漂 移现象下的非均匀分布雪荷载 图 屋面积雪分布系数 温室风荷载标准值 按垂直作用于温室屋面计 算 公式如下 式中 为风荷载标准值 为风荷 载体型系数 取值依据图 确定 为风压高度变 化系数 取值为 表示基本风压 取值为 哈尔滨地区 年重现期 在南风 向作用下的温室屋面风荷载为 北风向作用下的 温室屋面风荷载为 依据规范 作物荷载因吊挂方式未定 按 的单位面积荷载取值 屋面活荷载在 本研究中指保温被荷载 采用 厚草苫 其在潮 湿状态下的自重取为 保温被荷载可 分为 种典型工况 全展开状态下的均布荷载 卷起停置于屋脊时的竖向集中荷载 和卷放过程中 最不利位置 距前屋面基础水平距离 的荷载 施工检修集中荷载 仅与屋面材料自重和作物 荷载组合计算 不与其他荷载同时计入 且作用在结 构最不利位置 距前屋面基础水平距离 当施 工检修荷载超过 时 因按照实际情况采用 本 文计算取值 农业工程 农业与技术 图 不同风向下的风压系数 荷载组合 温室按承载能力极限状态设计时 采用荷载效应 基本组合 计算公式 式中 为结构重要性系数 取 为结构 构件抗力设计值 为荷载基本组合的效应设计值 其具体值计算公式 式中 为永久荷载分项系数 为主导可变 荷载分项系数 为第 个可变荷载分项系数 为 永久荷载标准值计算的荷载效应值 为主导可变 荷载效应值 为第 个可变荷载标准值计算的荷载 效应值 为第 个可变荷载的组合值系数 为参 与组合的可变荷载数 本研究考虑的荷载类型在作物荷载 雪荷载 屋 面活荷载和施工检修荷载的分项系数为 永久 荷载和风荷载的分项系数为 参与组合的可变 荷载为作物荷载 屋面活荷载和施工检修荷载 且组 合系数均为 对于不参与组合的永久荷载 雪 荷载和风荷载 荷载组合系数取 因此 共计 算了 种典型荷载组合工况 见表 表 荷载工况表 工况编号荷载组合 静力响应分析 为明确铝合金型材日光温室的静力特性 变形及 内力分布规律 本文分析了 种荷载工况 并确定了 最不利工况 图 所示 在荷载工况 工况 和工 况 作用下骨架竖向位移极值出现在跨中区域 这是 由于受雪荷载与集中荷载的作用 在该区域产生较大 的弯矩 从而导致骨架发生向下弯曲 在其他 种荷 载工况下 骨架的竖向最大位移主要集中于前屋面中 部及屋脊附近 其在于风荷载的主导作用 当风压力 作用于屋面时 骨架产生向下弯曲 而当风吸力作用 时 则导致骨架向上拱起 所有工况中 骨架的最大 竖向位移为 出现在荷载工况 对应位置 为距前屋面基础水平距离 处 注 骨架竖直向下位移为正 图 骨架竖向位移分布曲线 如图 所示 所有荷载工况下的总位移最大值均 发生在前屋面 以雪荷载和集中荷载为主的工况 工况 和工况 下 曲线形态相似 同样 以风荷载 农业与技术 农业工程 为主的工况 下 曲线形态也彼此接近 这表明 当主导荷载类型相同时 骨架的受力响应模式也基本 一致 在荷载工况 作用下 总位移曲线变化显著大 于其他荷载工况 在距前屋面基础距离 处达 到峰值为 图 骨架总位移分布曲线 如图 所示 在所有工况下 骨架均承受轴向压 应力 且最大轴向压应力均出现在前屋面基础位置 说明该区域为主要承压区 其中 荷载工况 下的轴 向压应力最大 达到 显著高于其他工况 注 负值代表骨架所受压应力 图 骨架轴向应力分布曲线 如图 所示 骨架弯曲应力分布随荷载形式变化 显著 在荷载工况 和 作用下 最大 弯曲应力出现在前屋面底部 而在南风主导的荷载工 况 作用下 最大值则位于后屋面与墙体连接 处 其中 在荷载工况 作用下弯曲应力达到峰值 为 表明不均匀雪荷载在骨架上产生了附 加弯矩 并在刚度突变区域引发应力集中 揭示了结 构对不均匀雪荷载极为敏感 在荷载工况 作用下 距离前屋面基础 处的弯曲应力曲线出现明显 尖点 说明该位置所受集中荷载影响 为典型的局部 应力集中现象 此外 在南风主导的工况 工况 工况 与北风主导的工况 工况 工况 作用下 弯曲应力分布规律基本一致 表明保温被在不同位置 加载对骨架受力影响较小 通过应力对比分析可知 骨架的弯曲应力在数值 上显著高于其轴向应力 这表明在所述荷载工况下 弯矩是结构响应中的决定性因素 骨架的受力行为更 接近于受弯构件 而非以承受轴向力为主 注 图中的正应力表明下翼缘受拉 上翼缘受压 负值表示下翼缘 受压 上翼缘受拉 图 骨架弯曲应力分布曲线 对该铝合金型材日光温室在 种不同荷载工况下 的响应极值情况进行了汇总 见表 分析结果显示 在所有荷载工况中 最大位移 轴向压应力以及弯曲 应力响应极值均出现在荷载工况 铝合金型材日光温室骨架稳定性分析 参考截面的稳定承载力分析 本研究通过调整荷载工况 中的基本雪压 分析 其不均匀雪荷载对骨架稳定承载力的影响 同时 揭 示了在不均匀雪荷载作用时所呈现出的失稳破坏全过 程 农业工程 农业与技术 表 静力分析表 荷载工况最大总位移最大弯曲应力 最大轴向应力 由图 可知 在不均匀雪荷载作用下骨架结构的 荷载 位移曲线可分为 个阶段 线性增长段 段 非线性增长段 段 和下降段 段 在 段基本雪压低于 时曲线比较陡峭 表明当位移较小时 荷载随着位移的增加而快速上 升 骨架处于弹性状态 此时骨架结构的位移量与所 施加的荷载呈线性递增关系 随着荷载持续增大 直 至进入非线性 段 荷载 位移曲线的斜率逐渐减 小 尽管荷载数值仍在上升 但材料内部开始出现塑 性变形 骨架结构的部分区域逐步进入屈服状态 结 构的整体刚度也随之不断退化 并在 点达到其所能 承受的极限荷载 当骨架结构达到极限承载能力后 即便荷载有所降低 段 位移量却持续增大 最 终导致温室结构发生破坏 该铝合金型材骨架达到极 限承载力时的基本雪压为 此时的竖向 位移为 图 参考截面在基本雪压下的荷载 位移曲线 为进一步阐明铝合金型材骨架在不均匀雪荷载作 用下的失稳破坏过程 图 与图 展示了其等效应 力的发展过程 由图 可看出 当基本雪压为 时 除前屋面基础外 骨架的其余部分均处 于弹性变形阶段 如图 所示 随着荷载的不断增 加 当基本雪压为 时 前屋面基础最先 进入屈服状态 跨中和后屋面与后墙连接位置开始进 入屈服状态 骨架截面塑性区域开始由上下翼缘向截 面内部扩展 此时该骨架结构达到极限承载力 该骨 架结构最终因刚度退化导致变形过大而发生破坏 图 基本雪压 作用下的等效应力云图 图 基本雪压 作用下的等效应力云图 跨度对稳定承载力的影响 为研究跨度对铝合金型材骨架极限承载力的影 响 建立 种不同跨度骨架 且截面 壁厚均为 在不均匀雪荷载作用下 其极限承 载力分析结果如图 所示 当骨架跨度从 依次增 加至 和 其极限承载力对应的基本雪压从 农业与技术 农业工程 降至 和 竖向最 大位移则由 增大至 和 与 跨度相比 和 跨度骨架的承载力显著下 降 降幅分别约为 和 说明跨度对温 室骨架极限承载力影响显著 较小跨度能有效提升结 构的稳定性 需要指出的是 当跨度增大至 时 结构在不均匀雪荷载作用下的极限承载力已低于规范 设计要求 该工况仅用于分析跨度变化趋势 而不代 表可行的工程设计方案 图 不同跨度在基本雪压下的荷载 位移曲线 截面壁厚对稳定承载力的影响 为研究铝合金型材壁厚对骨架极限承载力的影 响 以跨度 的温室骨架为对象 对壁厚分别为 和 种截面进行对比分析 在 不均匀雪荷载作用下 计算了截面壁厚对骨架极限承 载力的影响 如图 所示 当铝合金型材壁厚为 和 时 骨架在极限承载力下 对应的基本雪压分别为 和 其竖向最大位移分别为 和 与 壁厚相比 和 壁厚对应的极限承载力分别提高了约 和 但材料用量也相应增加了 和 这表明 虽然增加壁厚可在一定程度上提 升结构稳定性 但其力学效率却有所下降 讨论与结论 本文以铝合金型材日光温室骨架结构为研究对 象 对不同荷载组合工况下的结构力学响应进行了计 算分析 进而探讨了骨架跨度与截面壁厚在不均匀雪 荷载作用下的极限承载力 主要结论如下 通过对多种荷载工况进行分析 表明不均匀雪荷 载是铝合金型材骨架结构的主导性控制因素 因此 在骨架结构设计中 应将不均匀分布的雪荷载作为主 要控制工况予以重点考虑 以有效避免其可能产生的 不利影响 图 不同截面壁厚在基本雪压下的荷载 位移曲线 在不均匀雪荷载作用下 与 跨度相比 和 跨度的铝合金型材骨架结构极限承载力分别下 降了 和 在设计中增加温室跨度时 应充分考虑其对结构稳定性的不利影响 与 壁厚相比 当截面壁厚为 和 时 结构的极限承载力分别提高了 和 增加壁厚可提高结构承载能力 但其提升 幅度与材料用量增加并不呈线性关系 表明单纯依靠 增大壁厚并非提高结构效率的最优途径 参考文献 杨升华 刘雪迎 蒋秀根 基于临时加固策略的日光温室极端 风雪灾害对策 江苏大学学报 自然科学版 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 农业工程学报 向彬涛 郭华 王军林 等 型钢拱架日光温室结构稳定性能 及参数分析 农业工程学报 关瑞 吴坚勇 刘中华 等 日光温室钢架结构分析及优化 山西农业大学学报 自然科学版 白义奎 王鸿 王铁良 等 新型钢骨架结构日光温室设计与 测试 沈阳农业大学学报 农业工程 农业与技术 闫冬梅 胡林 周长吉 等 椭圆管单管拱架日光温室结构 性能分析 农业工程学报 周长吉 有立柱钢管骨架日光温室的结构优化 农业工 程学报 丁敏 施旭栋 李密密 等 薄膜承载力及其对日光温室结 构稳定性能的影响 农业工程学报 王聪 姜迎春 徐占洋 等 雪荷载作用下几字型钢日光温 室极限承载力分析 农业工程学报 王朝栋 史为民 裴先文 种曲线形日光温室前屋面采光 性能及其拱架力学性能的比较 西北农林科技大学学报 自然科学版 王文明 王志强 孙永利 等 中国设施果树栽培装备研究 现状与展望 果树学报 于晓东 王秀峰 窦巧惠 等 日光温室环境气体变化及影 响因素 北方园艺 梁钰嵩 日光温室骨架锈蚀引发性能退化研究 咸阳 西北农林科技大学 马泽亚 惠存 柳明亮 等 铝合金材料在大跨结构中的应 用研究 中国力学学会结构工程专业委员会 江西理工 大学 中国力学学会 工程力学 编委会 清华大学土木工 程系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 清华大 学 第 届全国结构工程学术会议论文集 第 册 中原 工学院建筑工程学院 陕西省建筑科学研究院有限公司 王国佐 满建政 徐剑峰 等 装配式铝合金结构在车棚类 建筑中的应用 江苏建筑 邢国华 王晓盼 李翔宇 等 铝合金材料在建筑结构中的 应用研究进展 结构工程师 王聪 落地装配式日光温室静动力特性及稳定性分析 沈阳 沈阳农业大学 李天来 邹志荣 马承伟 节能日光温室设计建造规程 北京 中国农业出版社 中华人民共和国住房和城乡建设部 农业温室结构荷载规范 北京 中国计划出版社 中华人民共和国住房和城乡建设部 农业温室结构设计标准 北京 中国计划出版社 中华人民共和国建设部 铝合金结构设计规范 北京 中国计划出版社 全国有色金属标准化技术委员会 铝合金建 筑型材第 部分 基材 北京 中 国标准出版社 许晶 胡昊楠 廖政铭 等 柔性保温后墙日光温室骨架静 力分析及其优化 中国农业大学学报 齐飞 闫冬梅 魏晓明 日光温室前屋面支撑位置对实腹式 骨架安全性的影响 农业工程学报 史旖旎 基于功能提升的桁架拱塑料大棚骨架使用阶段受力 性能研究 大庆 黑龙江八一农垦大学 责任编辑 任鹏