日光温室结构极限承载力及热负荷分析.pdf

收稿日期 2020 05 31 基金项目 甘肃省自然科学基金项目 1610 JZA090 甘肃农业大学盛彤笙科技创新基金项目 GSAU STS 1626 甘肃农 业大学水利水电工程学院青年教师科技创新基金项目 SLSDXY QN2018 11 甘肃农业大学 2020 年 S TP 项目 作者简介 刘丽霞 1972 女 副教授 硕士 主要从事土木工程结构方面的教学及研究 E mail liulixia gsau edu cn 第 48 卷 第 9 期 2020 年 9 月 林业机械与木工设备 FO EST Y MACHINE Y WOODWO KING EQUIPMENT Vol 48 No 9 Sep 2020 研究与设计 日光温室结构极限承载力及热负荷分析 刘丽霞 甘肃农业大学水利水电工程学院 甘肃 兰州 730070 摘 要 为研究日光温室结构的承载能力影响因素及其采暖热负荷 选择两种不同结构形式的日光温室 工程为研究背景 基于竖向及侧向非线性静力推覆分析方法 对结构在不同跨度 长细比 构件锈蚀程度的情 况下进行极限承载能力计算 量化日光温室结构的承载能力影响因素 对日光温室结构进行了采暖热负荷计 算 为日光温室结构安装采暖装置提供依据 研究结果表明 钢桁架结构极限承载能力大于钢拱架结构 随跨 度增大 构件长细比增大 结构极限承载力下降 温室热负荷随维护材料传热系数增大而增大 随温室空间增 大而增大 关键词 日光温室 钢拱架 钢桁架 极限承载力 热负荷 中图分类号 S214 文献标识码 A 文章编号 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 林业机械与木工设备 第 48 卷 近年来我国设施农业发展迅速 其中日光温室 结构在生产上有非常普遍的应用 但其既不属于民 用建筑 也不属于工业建筑 因此设计及施工没有合 理的土木工程行业规范 现行温室结构设计规范重 点是温室形状及尺寸规划 在设计方面通常模仿他 人或依据实践经验 由于缺乏有力的理论计算依 据 忽略温室结构可靠性方面研究 导致我国很多已 建或在建的温室存在一定的安全隐患 近年来发生 多起由于大风或大雪导致温室结构倒塌的工程事 故 造成了极大的经济损失和社会影响 1 3 因此 日光温室建设必须正规系列化 严密科学化 经济实 用化 使用安全化 只有这样才能广泛推广大棚 工程 针对温室结构安全性能的研究 近年来国内外 学者也开始有所关注 梁宗敏 4 对连栋温室结构抗 风可靠度进行了理论研究 王永宏等 5 对一种日光 节能温室结构进行了参数的选择与设计 白义奎 等 6 探讨了影响日光温室钢骨架结构安全及耐久性 能的因素 尹素杰等 7 针对新型农业大棚骨架的受 力性能进行分析 俞永华等 8 对塑料大棚结构承载 特性进行研究 解恒燕等 9 对钢拱单栋塑料大棚的 平面内极限承载力进行了分析 从以上研究可以获 得温室结构承载能力的一般规律 但目前针对承载 能力影响因素的研究不足 掌握温室结构承载能力 影响因素 可在设计中对各参数进行更有效的设置 把握结构承载基本规律 为温室结构的安全设计提 供理论支撑 此外 我国温室大棚采暖一般都是凭经验进行 基本没有温室大棚采暖热负荷的计算 对温室结构 热负荷的计算及其影响因素的量化 可为温室选择 安装采暖装置时提供依据 本文为确定塑料温室结构的实际承载特性及热 负荷能力 结合实际工程作为研究背景 基于非线性 静力推覆分析方法得到日光温室结构极限承载能 力 模拟结构失去抵抗力的全过程 对结构极限承载 能力影响因素进行分析 并对日光温室结构进行了 采暖热负荷计算 1 分析方法 1 1 极限承载力分析 为得到温室结构在竖向均布荷载和侧向均布荷 载作用下的极限承载力 可采用非线性静力推覆分 析方法 具体方法如下 沿高度施加竖向和侧向 均布作用荷载 逐级施加竖向和侧向荷载 对结构 进行推覆分析 以结构失稳作为控制标准 并记录 极限承载力 该过程使结构由弹性工作状态逐步进 入弹塑性工作状态 最终达到并超过规定的弹塑性 位移 同时可按顺序计算结构反应并记录结构在每 级荷载下的开裂 屈服直至破坏等性能 并据此找到 结构极限承载能力 10 16 加载示意图如 1 图所示 图 1 加载示意图 1 2 采暖热负荷计算 温室大棚的总热负荷 Q Q Q 1 Q 2 Q 3 1 式中 Q 1 为围护材料的传热损失 Q 2 为渗透热损失 Q 3 为地面热损失 1 围护材料的传热损失 Q 1 Q 1 k j F j t n t w 2 式中 k j 为第 j 种围护物的传热系数 F j 为该面围护 物的散热面积 t n 为室内空气计算温度 t w 为供暖室 外计算温度 2 渗透热损失 Q 2 Q 2 0 5KVN t n t w 3 式中 K 为风力因子 可取 1 0 V 为温室空气体积 N 为每小时换气次数 可取 1 2 3 地面热损失 Q 3 Q 3 u i A i t n t w 4 式中 u i 为第 i 区地面传热系数 A i 为第 i 区面积 1 3 分析流程 首先采用非线性静力推覆分析方法 对结构在 不同跨度 长细比 构件锈蚀程度的情况下进行极限 承载能力计算 量化日光温室结构的承载能力影响 因素 然后对日光温室结构进行采暖热负荷计算 为 日光温室结构安装采暖装置提供理论依据 分析流 05 第 9 期 刘丽霞 日光温室结构极限承载力及热负荷分析 程如图 2 所示 图 2 分析流程 2 算例信息 2 1 温室结构基本参数 本文以温室大棚实际工程为例 该结构跨度为 8 m 脊高为 4 m 温室骨架间距为 1 m 考虑到温室内 部作业时的可操作性及采光性 前屋面角 66 直杆 与水平面夹角 15 后屋面仰角 45 前屋面形式为二 折式 即前半部分为弧长约为 5 m 的拱形结构 后半 部分为长度约为 3 m 的直杆 温室骨架均采用 Q235 钢 设定两种不同的截面形式 钢拱架截面及钢桁架 截面 用 于 对 比 分 析 钢拱架截面拱杆为 DN25 1 吋 镀锌钢管 外径 33 5 mm 壁厚 3 25 mm 钢 桁架截面上弦杆为 DN25 1 吋 镀锌钢管 外径 33 5 mm 壁厚 3 25 mm 下弦杆为 12 圆钢 腹杆 为 10 圆钢 两种温室骨架如图 3 所示 荷载统计 依据建筑结构荷载规范 见表 1 图 3 钢拱架骨架侧视图 表 1 骨架荷载统计 结构 形式 恒载 g kN m 1 雪荷载 S kN m 1 风荷载 w kN m 1 g 1 g 2 g 3 S 1 S 2 S 3 w 1 w 2 w 3 w 4 使用活荷载 q 1 kN m 1 屋面集中活荷载 F kN 钢拱架 2 904 2 661 1 440 0 112 0 28 0 28 0 357 0 56 0 35 0 42 21 1 643 钢桁架 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 将实体模型中的倒角 土 墙等对分析影响不大的特征去掉 试验温室大棚结构 杆件采用梁单元模拟 截面形式为管状 两种温室结构 的顶部支撑采用桁架单元 截面形式为圆管形 半径 0 03 m 厚度 4 mm 对于桁架结构 每根杆件作为一个 单元 在该研究中 柱底部固结 不考虑土和基础的相 互作用 钢拱架有限元模型图如图 4 所示 图 4 钢拱架有限元模型 15 林业机械与木工设备 第 48 卷 3 极限承载力分析 利用竖向及侧向非线性静力推覆分析方法对结 构进行推覆分析 获得温室结构极限承载力 分别 以结构形式 跨度 长细比 构件锈蚀程度作为变量 分析不同变量对温室结构承载能力的影响规律 3 1 不同结构形式对承载力的影响 基于非线性静力推覆分析理论 对温室结构在 竖向均布荷载和侧向均布荷载作用下平面内极限承 载力进行分析 采用位移控制 得到结构均布荷载 与定点位移 P 曲线 如图 5 所示 其中结构跨 度选择为 L 8 m 由图 5 可见 随荷载逐渐增加 结构竖向位移逐 渐增加 超过极限位移时 荷载不再增大 且有一定 下降趋势 在相同的矢跨比和长细比情况下 钢桁架 结构的极限承载力高于钢拱架结构的极限承载力 竖向极限荷载高出 33 3 侧向极限荷载高出 8 8 这是由于拱架仅是起到支撑作用的弧形支 架 而桁架结构由杆件彼此在两端用铰链连接而成 主要承受轴向拉力或压力 从而能充分利用材料的 强度 在跨度较大时可比实腹梁节省材料 减轻自重 和增大刚度 3 2 跨度对承载力的影响 分析跨度对钢结构极限承载力的影响时 分别 选取跨度为 4 m 6 m 8 m 10 m 及 12 m 的钢拱结构 及钢桁架结构进行对比分析 加载方式为竖向均布 加载及侧向均布加载 不同温室结构极限荷载与跨 度关系曲线如图 6 所示 图 5 结构 P 曲线 图 6 极限承载力 跨度曲线 从图 6 可以看出 随跨度增大 结构竖向及侧向 极限承载能力均有所下降 竖向荷载受跨度影响更 大 其最大和最小下降幅度分别为 14 3 和 12 5 而侧向极限承载力受跨度影响低于竖向 其最大和 最小下降幅度分别为 8 6 和 3 3 可见 在对温 室结构选型时 应选择合理跨度 否则影响其承载能 力 以避免承载能力不足导致结构破坏 3 3 长细比对承载力的影响 长细比 s i 5 式中 为计算长度系数 当拱为两端固结时 0 5 i 为截面的回转半径 分析长细比对钢结构极限承载力的影响时 分 别选取跨度为 L 8 m 的钢拱结构及钢桁架结构进 25 第 9 期 刘丽霞 日光温室结构极限承载力及热负荷分析 行对比分析 加载方式为竖向均布加载及侧向均布 加载 通过改变截面尺寸来改变截面的回转半径 i 从而改变结构的长细比 不同温室结构极限荷载 与长细比关系曲线如图 7 所示 由图 7 可见 钢结构在长细比变化时 承载力随 着长细比的增加而减小 这是由于随着构件的截面 增大 结构的抗弯刚度随之增加 极限承载力也相应 增加 但在实际工程中 应采用合理长细比 保证结 构承载能力的同时不造成过多材料浪费 3 4 钢材锈蚀对承载力的影响 锈蚀会降低钢材性能 从而影响温室结构极限 承载能力 本文采用 Lee 等试验研究 钢筋随锈蚀 模型对温室钢材的锈蚀进行模拟 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 分别为原始钢材屈服强度 抗拉强 度 弹性模量和极限应变 f yc f uc E sc c 分别为锈蚀 后钢材屈服强度 抗拉强度 弹性模量和极限应变 m 为钢筋的质量锈蚀率 分析锈蚀对钢拱结构极限承载力的影响时 分 别选择锈蚀率 m 为 10 20 30 40 的钢拱结 构及钢桁架结构进行对比分析 加载方式为竖向均 布加载及侧向均布加载 不同温室结构极限荷载与 钢材致锈率关系曲线如图 8 所示 图 7 极限承载力 长细比曲线 图 8 极限承载力 锈蚀率曲线 由图 8 可见 在钢材致锈率变化时 结构的承载 力随着致锈率的增加而减小 拱架结构竖向荷载最 大和最小下降幅度分别为 18 86 和 5 63 桁架结 构竖向荷载最大和最小下降幅度分别为 17 46 和 5 56 而侧向极限承载力受跨度影响低于竖向 拱 架结构侧向荷载最大和最小下降幅度分别为 6 25 和 2 91 桁架结构竖向荷载最大和最小下降幅度 分别为 6 25 和 1 43 当致锈率为 10 时 结构 极限承载力下降不大 低于 5 致锈率增大至 30 40 时 结构的极限承载力下降近 35 致锈率增 大至 50 时 结构承载力下降超过 50 此时结构 十分危险 随着结构材料致锈率的增大 材料性能 衰减 极限承载力也相应减小 温室结构在使用过 程中会遭遇干湿循环 冻融循环 风雪等灾害 导致 钢材易锈蚀 从而影响结构安全性 因此 在实际工 程中 应注意对材料的保护 增大其耐久性 延长温 室结构使用寿命 4 采暖热负荷分析 通常温室内最大热负荷出现在冬季最寒冷的夜 35 林业机械与木工设备 第 48 卷 间 不同的作物 不同品种 不同生长阶段 对温度有 不同的要求 设置本温室结构室内温度为 10 取 室外温度为 20 提取围护材料传热系数及温室 空间为变量 量化温室采暖热负荷影响规律 4 1 围护材料的影响 外围护材是结构与外界直接接触的主要部位 直接与外界进行热量传递 由于围护材料的传热系 数在一定程度上决定了外墙热工性能的优劣 所以 本文以围护材料传热系数为变量 分析其对温室热 负荷的影响 常用的温室围护材料为单层聚乙烯膜 其传热 系数 K 为 6 8 W m 2 K 厚度为 0 03 m 覆棉毡的 导热系数 为 0 04 通过改变材料形式 厚度等方 式设置 3 0 10 W m 2 K 8 种不同围护传热系数 程度计算模拟负荷 得到建筑冷热负荷与外墙传热 系数的关系如图 9 所示 图 9 热负荷 传热系数曲线 从图 9 可以看出 建筑的冷 热及总负荷均随外 墙传热系数的增大而增大 呈现一定的线性增长 拟 合总负荷关系式为 y 3 7381x 33 202 2 0 998 热负荷的最大及最小增长幅度分别为 5 09 和 11 53 可见 当满足日照 采光及作物生长需 求的条件下 应尽可能选择传热系数较小的围护材 料 使温室能耗降低 4 2 温室空间的影响 温室属于封闭且具有一定蓄热能力的建筑物 温室空间的大小在一定程度上影响热能渗透及地面 热损失 所以本文以温室空间为变量 分析其对温室 热负荷的影响 在进行温室空间影响分析时 设置 温室为一个区 其余条件均不变 仅设置 500 3 000 m 3 6 种不同温室空间计算模拟负荷 得到建筑 冷 热负荷与温室空间关系如图 10 所示 图 10 热负荷 温室空间曲线 从图 10 可以看出 建筑的冷 热及总负荷均随 外墙传热系数的增大而增大 拟合线性关系式为 y 0 9141x 31 333 2 0 6941 热负荷的最大及最 小增长幅度分别为 5 2 和 11 7 可见 在满足 作物生长及产量需求的条件下 应尽可能控制温室 空间的大小 使温室更加节能 5 结束语 本文结合实际工程 基于非线性静力推覆分析 方法得到日光温室结构极限承载能力 并对其影响 因素进行分析 计算了温室结构热负荷 为日光温 室安装采暖装置提供理论依据 1 非线性静力推覆方法可用于日光温室大棚 的极限承载能力分析 钢桁架温室结构极限承载能 力高于钢拱架结构 2 温室结构的极限承载力随着跨度的增加而 减小 随着长细比的增加而减小 随构件锈蚀率的增 大而减小 在实际工程实施中 应合理选择结构跨 度 构件截面 并注重构件的防锈工作 3 温室结构的热负荷随围护材料传热系数增 大而增大 随温室空间增大而增大 在工程应用中 在满足作物生长及产量需求的条件下 应尽可能选 择传热系数小的围护材料 控制温室空间的大小 降 低温室能耗 参考文献 1 陈端生 中国节能型日光温室建筑与环境研究进展 J 农业工 程学报 1994 10 1 123 129 2 刘志杰 郑文刚 胡清华 等 中国日光温室结构优化研究现状 及发展趋势 J 中国农学通报 2007 23 2 449 453 3 李天来 我国日光温室产业发展现状与前景 J 沈阳农业大学 学报 2005 36 2 131 138 4 梁宗敏 连栋温室结构抗风可靠度设计理论研究 D 北京 中 国农业大学 2004 下转第 58 页 45 林业机械与木工设备 第 48 卷 的度量值 图 7 六种连续去回动作陀螺仪传感器输出信号 4 结束语 本文信号前处理杂波滤波机制主要是通过目测 观察颈部动作信号波形的平滑程度来选择滤波参 数 未来可针对参数值对颈部动作正确辨识率的影 响进行研究 以找出更佳的参数值 由于加速度传 感器与陀螺仪传感器所感应的物理量不同 本文仅 将此两种传感器的输出信号调整至相近的基本位准 与振幅范围 未来可进一步研究如何才能更有效地 融合不同种类的传感器信号 以提升系统的运算效 能及正确辨识率 参考文献 1 林宪旗 建立多姿态特征融合的人体行为识别 J 电子技术与 软件工程 2013 16 111 111 2 徐宁 王伟 杨玉婷 便携式人体姿态实时检测系统设计 J 仪 表技术 2013 6 40 41 54 3 赵雄伟 人体行为特征融合与行为识别的分析 J 无线互联科 技 2017 12 104 105 4 王蓓蓓 刘文金 陈耿 等 基于 Holt Winters 算法的定制家具生 产需求预测研究 J 林产工业 2018 45 1 44 47 5 于娜 吴沛雯 家具数控岗位工人体脑疲劳情况调研与分 析 J 林产工业 2018 45 9 48 51 6 黄国范 李亚 人体动作姿态识别综述 J 电脑知识与技术 2013 9 1 133 135 7 黄启友 基于陀螺仪传感器的一种人机交互技术 D 湘潭 湘 潭大学 2011 8 郭志虎 费洁 钱峰 基于微惯性全姿态测量的人体运动捕捉系 统研究 J 微型电脑应用 2013 29 2 29 32 责任编辑 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 页 5 王永宏 张得俭 刘满元 日光节能温室结构参数的选择与设 计 J 机械研究与应用 2003 16 S1 101 103 6 白义奎 明月 影响日光温室钢骨架结构安全及耐久性能因素 分析 J 房材与应用 2005 5 14 15 7 尹素杰 李军 李海迎 等 新型农业大棚骨架的性能分析 J 中国农学通报 2017 33 18 159 164 8 俞永华 卢如国 塑料大棚结构承载特性的分析研究 J 农机 化研究 2011 33 1 165 168 9 解恒燕 陈斌 柴冬冬 钢拱单栋塑料大棚平面内极限承载力分 析 J 低温建筑技术 2015 37 8 46 49 10 薛东岩 黄光洁 陈启永 等 温室大棚采暖热负荷计算 J 吉 林农业 2016 23 58 58 11 中华人民共和国建设部 GB 50009 2001 建筑结构荷载设计 规范 S 北京 中国建筑工业出版社 2006 12 葛玉猛 李玉顺 童科挺 等 薄壁型钢 重组竹组合工字形梁 受剪性能研究 J 森林工程 2018 34 6 72 79 13 蒋慧 李希胜 基于 BIM 的建筑结构协同设计关键问题研 究 J 森林工程 2018 34 6 102 108 14 连彩萍 刘嵘 张淑琴 等 竹材维管束解剖构造的研究进 展 J 林产工业 2018 45 9 8 12 15 汪仁斌 杜春贵 竹材径向动态力学性能研究 J 林产工业 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 责任编辑 王琦 85