保温被滑动开启式日光温室竖向荷载结构性能评估与优化_闫冬梅.pdf

保温被滑动开启式日光温室竖向荷载结构性能评估与优化 闫冬梅1 2 徐开亮1 2 温 昱1 2 黄逸飞3 张秋生1 2 黄文永3 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 3 辽宁新奇特农业科技有限公司 沈阳 110300 摘 要 针 对 保 温 被 滑 动 开 启 式 日 光 温 室 在 骨 架 结 构 参 数 荷 载 作 用 形 式 及 结 构 受 力 特 性 等 方 面 研 究 不 充 分 的 现 状 该 研 究 开 展 其 竖 向 荷 载 作 用 下 的 力 学 性 能 评 估 与 结 构 优 化 研 究 研 究 以 沈 阳 地区13 6 m跨 度 的 日 光 温 室 骨 架 为 研 究 对 象 采用1 1足 尺 骨 架 加 载 试 验与Midas Gen有 限 元 模 拟 相 结 合 的 方 法 在 前 屋 面 施 加 竖 向 荷 载 监 测 后 屋 面 底 部 后 墙 立 柱 拐 点 及 前 屋 面 跨 中 三 个 测 点 的 荷 载 位 移 响 应 分 析 内 力 分 布 特 征 并 确 定 薄 弱 部 位 在 此 基 础 上 进 一 步 探 究 加 密 后 墙 立 柱 拐 点 位 置 的 纵 向 系 杆 布 置 间 距 和 调 整 边 界 条 件 两 种 优 化 策 略 对 结 构 性 能 的 影 响 结 果 表 明 试 验 与 有 限 元 模 拟 所 得 荷 载 位 移 曲 线 均 呈 现 两 阶 段 变 化 趋 势 3个 测 点 位 移 的 相 对 误 差 最 大 为 11 39 二 者 吻 合 度 良 好 有 限 元 模 型 极 限 承 载 力为24 19 kN 略 高 于 试 验 均值23 35 kN 相 对 误 差为3 62 模 型 精 度 满 足 工 程 分 析 要 求 结 构 优 化 结 果 表 明 1 后 墙 立 柱 拐 点 纵 向 系 杆 布 置 间 距 由 原 模 型的1 8 m 依 次 减 小至1 5 1 2 m 加 密 布 置 间 距 的 两 个 模 型 与 原 模 型 相 比 极 限 荷 载 值 分 别 提升10 76 和26 90 2 将 后 墙 立 柱 柱 脚 边 界 条 件 调 整 为 崁 固 M2 GGGZ 时 内 力 重 分 布 使 薄 弱 部 位 发 生 转 移 与 原 模 型 相 比 极 限 荷 载 提升16 99 加 强 后 墙 立 柱 拐 点 的 平 面 外 约 束 和 优 化 柱 脚 边 界 条 件 均 可 有 效 改 善 骨 架 受 力 性 能 提 升 极 限 承 载 能 力 可 为 增 强 该 类 温 室 结 构 安 全 裕 度 提 供 设 计 参 考 该 研 究 为 保 温 被 滑 动 开 启 式 日 光 温 室在竖向荷载工况下的安全评估与优化设计提供了有效方法和理论支撑 关键词 日光温室 保温被滑动开启式 竖向荷载 力学性能 骨架试验 有限元分析 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202506189 中图分类号 S126 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2026 10 0270 08 闫 冬 梅 徐 开 亮 温 昱 等 保 温 被 滑 动 开 启 式 日 光 温 室 竖 向 荷 载 结 构 性 能 评 估 与 优 化 J 农 业 工 程 学 报 2026 42 10 270 277 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202506189 http www tcsae org YAN Dongmei XU Kailiang WEN Yu et al Structural performance evaluation and optimization of sliding thermal blanket adapted solar greenhouses under vertical loads J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2026 42 10 270 277 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202506189 http www tcsae org 0 引 言 日 光 温 室 作 为 最 具 中 国 特 色 的 农 业 设 施 类 型 在 中 国 设 施 蔬 菜 生 产 中 占 有 重 要 地 位 为 解 决 北 方 冬 季 蔬 菜 供 应 难 题 节 约 能 源 与 资 源 推 动 农 业 产 业 结 构 优 化 等 方面发挥了显著作用 1 3 日 光 温 室 的 核 心 竞 争 力 在 于 对 光 热 湿 等 环 境 因 子 的 精 准 调 控 传 统 卷 被 式 日 光 温 室 依 托 柔 性 保 温 被 与 卷 轴 启 闭 结 构 实 现 保 温 调 控 长 期 工 程 应 用 表 明 该 结 构 存 在 显 著 缺 陷 屋面V型 槽 易 堆 积 积 雪 融 雪 渗 入 导 致 保 温 材 料 热 工 性 能 衰 减 外 露 式 传 动 机 构 不 仅 易 出 现 保 温 被 跑 偏 卷 绕 不 齐 过 卷 遮 光 等 故 障 还 存 在 较 高 的 机 械 作 业 与 人 身 安 全 隐 患 骨 架 抗 雪 载 能 力 弱 运 维 安 全 性 差 难 以 适 配 极 端 气 候 下 的 设 施 安 全 生 产 需 求 4 6 滑 动 开 启 式 温 室 通 过 改 变 保 温 被 开 合 方 式 可 有 效 解 决 顶 部 积 雪 问 题 提 升 了 温 室 的 抗 灾 能 力 与 运 行 安 全 性 国 内 众 多 学 者 围 绕 滑 动 开 启 式 温 室 的 结 构 力 学 材 料 适 配 等 方 面 开 展 了 系 列 深 化 研 究 为 该 类 型 温 室 的 应 用 推 广 奠 定 了 初 步 研 究 基 础 周 长 吉 等 7 8 对 不 同 发 展 阶 段 的 滑 动 开 启 式 温 室 进 行 了 调 研 介 绍 了 温 室 的 组 成 部 分 及 使 用 现 状 明 确 了 滑 动 开 启 式 温 室 相 较 于 传 统 卷 被 式 温 室 的 技 术 优 势 王 文 武 等 9 11 针 对 传 统 圆 拱 形 滑 动 开 启 式 温 室 钢 桁 架 结 构 开 展 多 工 况 竖 向 加 载 试 验 探 明 了 常 规 圆 拱 骨 架 在 雪 荷 载 自 重 等 竖 向 荷 载 作 用 下 的 变 形 规 律 与 力 学 响 应 特 征 为 滑 动 开 启 式 温 室 基 础 结 构 力 学 研 究 提 供 了 试 验 支 撑 但 现 有 工 程 应 用 与 研 究 中 的 滑 动 开 启 式 温 室 多 采 用 圆 拱 形 骨 架 外 形 类 似 塑 料 大 棚 搭 配 金 属 夹 芯 板 等 刚 性 保 温 材 料 12 13 存 在 占 地 面 积 较 大 和 材 料 成 本 偏 高 的 问 题 制 约 了 该 技 术 的 规 模 化 推 广 应用 在 常 规 日 光 温 室 结 构 设 计 方 面 农 业 温 室 结 构 荷 载 规 范 日 光 温 室 设 计 规 范 等 多 项 国 家 行 业 规 范 及 标 准 填 补 了 国 内 温 室 结 构 标 准 化 设 计 与 规 范 化 建 造 的 技 术 空 白 为 该 类 温 室 结 构 研 究 提 供 了 依 据 与 规 范 支 撑 在 结 构 性 能 试 验 与 数 值 模 拟 研 究 方 面 诸 多 学 者 也 做 了 收稿日期 2025 06 24 修订日期 2026 03 16 基金项目 农 业 农 村 部 农 业 设 施 结 构 设 计 与 智 能 建 造 重 点 实 验室2024年 度 开 放 课 题 农 业 农 村 部 规 划 设 计 研 究 院 自 主 研 发 项 目 QD202411 河 北 省重点研发计划项目 22327214D 作者简介 闫 冬 梅 高 级 工 程 师 研 究 方 向 为 温 室 结 构 设 备 材 料 和 产 业发展 Email 851251116 通信作者 黄 文 永 高 级 农 业 技 师 研 究 方 向 为 日 光 温 室 的 设 计 使 用 等 Email lnxqtny 第 42 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol 42 No 10 270 2026 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2026相 关 的 分 析 与 研 究 如 白 义 奎 等 14 对 跨 度为8 0 m的 平 椭 圆 管 落 地 式 日 光 温 室 骨 架 开 展 加 载 试 验 用 沙 袋 模 拟 集 中 荷 载 研 究 了 骨 架 的 极 限 承 载 力 位 移 破 坏 局 部 屈 曲 等 揭 示 了 跨 度 与 矢 高 对 结 构 稳 定 性 的 关 键 影 响 李 晓 野 15 对 跨度10 0 m的 平 椭 圆 管 落 地 式 日 光 温 室 拱 架 进 行 了 加 载 试 验 分 析 了 骨 架 的 应 力 分 布 特 征 验 证 了 有 限 元 模 型 的 准 确 性 王 聪 16 采用6点 式 沙 袋 加 载 方 式 对 不 同 截 面 形 式 的 温 室 拱 架 进 行 了 承 载 力 测 试 为 结 构 选 型 提 供 了 依 据 验 证 了 有 限 元 模 型 的 准 确 性 史 旖 旎 等 17 对 桁 架 式 塑 料 大 棚 开 展 竖 向 荷 载 加 载 研 究 分 析 骨 架 在 竖 向 荷 载 作 用 下 的 试 验 现 象 骨 架 极 限 荷 载 及 位 移 等 数 据 确 定 影 响 骨 架 承 载 力 的 因 素 翟 乃 月 等 18 对 跨度8 0 m 3种 不 同 肩 高 和 脊 高 的 拱 棚 进 行 了 加 载 试 验 采 用 悬 吊 重物5点 加 载 的 方 式 验 证 了 有 限 元 模 型 的 有 效 性 郄 丽 娟 等 19 通 过 有 限 元 软件ANSYS对3连 栋 日 光 温 室 拱 式 桁 架 结 构 进 行 了 三 维 空 间 建 模 开 展 多 种 荷 载 组 合 工 况 下 进 行 静 力 分 析 探 讨 了 计 算 方 法 和 结 构 的 优 化 方 法 向 彬 涛 等 20 针 对 型 钢 拱 架 温 室 开 展 结 构 稳 定 性 与 参 数 敏 感 性 分 析 明 确 了 杆 件 截 面 跨 度 矢 高 对 骨 架 承 载 性 能 的 影 响 规 律 齐 飞 等 21 采用Midas gen分 析 了 日 光 温 室 前 屋 面 的 内 力 分 布 确 定 了 最 佳 支 撑 点 并 给 出 设 置 区 域 的 建 议 闫 冬 梅 等 22 采用3D3S对 单 管 椭 圆 管 日 光 温 室 拱 架 开 展 研 究 分 析 水 平 拉 杆 设 置 位 置 的 变 化 对 拱 架 的 内 力 影 响 规 律 确 定 最 优 设 置 方 式 许 晶 等 23 采用ANSYS软 件对16 m跨 度 的 桁 架 式 柔 性 保 温 后 墙 温 室 开 展 分 析 并 开 展 改 变 骨 架 截 面 尺 寸 和 调 整 腹 杆 布 局 两 种 方 法 进 行 优 化 为 该 类 温 室 建 造 成 本 提 供计算依据 现 有 研 究 主 要 集 中 于 传 统 拱 形 骨 架 或 平 面 桁 架 形 式 本 研 究 针 对 的 保 温 被 滑 动 开 启 式 日 光 温 室 骨 架 采 用 等 腰 倒 三 角 空 间 桁 架 形 式 此 类 型 骨 架 结 构 参 数 荷 载 形 式 及 受 力 特 性 等 方 面 的 研 究 尚 不 充 分 缺 乏 实 测 数 据 支 撑 现 有 设 计 规 范 与 研 究 结 论 无 法 精 准 适 配 该 温 室 的 结 构 设 计 制 约 了 该 温 室 在 寒 区 设 施 农 业 中 的 推 广 应 用 基 于 上 述 研 究 空 白 与 工 程 实 际 需 求 本 研 究 以 此 类 日 光 温 室 骨 架 为 研 究 对 象 针 对 沈 阳 地区13 6 m跨 度 保 温 被 滑 动 开 启 日 光 温 室 开展1 1足 尺 骨 架 承 载 能 力 加 载 试 验 并 借助Midas Gen有 限 元 软 件 进 行 模 拟 与 验 证 系 统 探 究 等 腰 倒 三 角 空 间 桁 架 形 式 骨 架 在 竖 向 荷 载 作 用 下 的 内 力 分 布 位 移 变 化 规 律 及 极 限 承 载 特 性 揭 示 骨 架 结 构 的 受 力 协 同 机 制 与 破 坏 机 理 在 此 基 础 上 开 展 结 构 参 数 优 化 分 析 提 出 兼 顾 承 载 效 率 与 经 济 性 的 改 进 方 案 旨 在 明 确 该 温 室 的 竖 向 承 载 性 能 完 善 保 温 被 滑 动 开 启 式 日 光 温 室 结 构 设 计 理 论 与 性 能 评 估 体 系 为 同 类 温 室 的 工 程 设 计 荷 载 校 核 及 行 业 标 准 完 善 提 供 科学依据与技术支撑 1 日光温室骨架参数 1 1 基本参数 研 究 的 日 光 温 室 跨 度为13 6 m 脊 高为6 21 m 屋 面 主 拱 架 采 用 等 腰 倒 三 角 空 间 桁 架 上 弦 杆 水 平 间 距0 12 m 上 下 弦 杆 竖 向 间距0 28 m 副 拱 架 为 单 管 骨 架 后 墙 立 柱 采 用 平 面 桁 架 上 下 弦 杆 间距0 6 m 主 拱 架 在 开 间 方向2 0 m间 距 布 置 一 榀 副 拱 架 在 开 间 方 向 1 33 m间 距 布 置 一 榀 位 置 为 两 榀 主 拱 架 之 间 主 拱 架 弦 杆 与 腹 杆 焊 接 前 后 柱 脚 与 地 面 预 埋 件 焊 接 预 埋 件 通 过 地 钉 固 定 于 地 面 拱 架 上 弦 杆 沿 开 间 方 向 设 置 纵 向 系 杆 布 置 间 距 不 大于2 0 m 以 两 榀 主 拱 架 布 置 为 例 温室骨架布置示意见图1 后墙立柱 Rear wall column 后墙立柱纵向系杆 Longitudinal tie rod of rear wall column 后墙立柱 Rear wall column 主拱架下弦杆 Lowerchord of main arch skeleton 主拱架上弦杆 Upperchord of main arch skeleton 副拱架 Secondary arch skeleton 屋面纵向系杆 Roof longitudinal tie rod 后墙立柱支撑 Rear wall pillar support 屋面支撑 Roof support 腹杆 Web member 图1 日光温室示意图 Fig 1 Schematic diagram of solar greenhouse 1 2 杆件材料及截面 日 光 温 室 钢 结 构 杆 件 截 面 及 参 数 见表1 材 质 除 特 殊备注外均为Q235B 表 1 日光温室钢结构杆件截面尺寸 Table 1 Cross sectional dimensions of steel structural members for solar greenhouse 杆件名称 Member name 杆件截面 Cross section of the member 备注 Notes 主拱架上弦杆Upper chord of main arch skeleton 21 5 mm 2 2 mm 圆管 双排布置 主拱架下弦杆Lower chord of main arch skeleton 21 5 mm 2 2 mm 圆管 腹杆Web member 8 mm 10 mm 和 14 mm 钢筋 副拱架 Secondary arch skeleton 21 5 mm 2 2 mm 圆管 开间内 三等分布置 后墙立柱 Rear wall column 33 5 mm 2 5 mm 圆管 后墙立柱纵向系杆 Longitudinal tie rod of rear wall column 40 mm 2 0 mm 圆管 内外侧 各布置2道 屋面纵向系杆 Roof longitudinal tie rod 25 mm 2 0 mm 圆管 布置间距 不大于2 0 m 支撑Support 25 1 5 mm 圆管 布置在两端开间位置 2 日光温室骨架试验 2 1 试验设计 为 准 确 评 估 日 光 温 室 骨 架 在 真 实 工 况 下 的 受 力 性 能 参 照 文 献 中 骨 架 加 载 试 验 的 经 验 与 方 法 依 据 日 光 温 室 骨 架 基 本 参 数 及表1的 杆 件 截 面 尺 寸 加工4榀1 1足 尺 温 室 骨 架 其 中 第2榀 编号GJ 1 与第3榀 编 号GJ 2 作 为 监 测 温 室 骨 架 用 于 采 集 关 键 测 点 位 移 响 应数据 温室骨架安装于试验场地 图2 2 2 杆件材料性能 根 据 金 属 材 料 拉 伸 试 验 第1部 分 室 温 试 验 方 法 GBT228 1 2021 24 对 圆 管 杆 件 进 行 单 轴 拉 伸 试验 材料试件力学性能见表2 第 10 期 闫冬梅等 保温被滑动开启式日光温室竖向荷载结构性能评估与优化 271