河西走廊典型日光温室骨架安全性分析及截面优化

Safety analysis and section optimization of typical solar greenhouse frames in Hexi corridor

摘要

目的 基于甘肃酒泉市戈壁农业生产区域的风雪荷载及温室生产实际，分析4种典型结构戈壁日光温室的椭圆管屋面骨架结构安全性，并利用几型钢材料对温室骨架结构安全性进行优化。 方法 以当地典型结构日光温室A10（脊高4.9 m跨度10 m）、A12（脊高4.9 m跨度12 m）、B10（脊高5.6 m跨度10 m）、B12（脊高5.6 m跨度12 m）为研究对象，利用结构模拟仿真软件ANSYS对不同天气的荷载作用下日光温室屋面骨架的受力情况进行了模拟计算，定量分析椭圆管屋面骨架的安全性，并根据风雪荷载作用下屋面承载力薄弱部位受力开展拱杆截面优化设计。 结果 以椭圆管（30 mm×80 mm×2.5 mm）为骨架材料的A10、A12、B10型温室结构均符合设计规范，结构安全；B12型日光温室结构在极端雪天、迎风天工况下最大应力值超出设计规范，存在安全隐患。以几型钢（30×80×2 mm）为骨架材料的四种日光温室在极端天气工况下均可满足挠度和设计强度要求，几型钢骨架较椭圆管钢骨架平均可减少用钢量13.7%。 结论 几型钢管件的强度优于椭圆管管件，其挠度和最大应力均较优；在保证温室结构安全的条件下，几型钢截面骨架用钢量小。

Abstract

Objective Based on the wind and snow load and greenhouse production in the Gobi agricultural production area in Jiuquan City,Gansu Province，the safety of the elliptical tube roof skeleton structure of four typical structures of the Gobi solar greenhouse was analyzed，and the safety of the greenhouse skeleton structure was optimized by using different steel materials. Method The solar greenhouse with typical local structures was A10 (ridge height 4.9 m，span 10 m)，A12 (ridge height 4.9 m，span 12 m)，B10 (ridge height 5.6 m，span 10 m)，B12 (ridge height 5.6 m，span 12 m) ) as the research object，the structural simulation software ANSYS was used to simulate the stress of the solar greenhouse roof skeleton under different weather loads，and the safety of the elliptical tube roof skeleton was quantitatively analyzed.The optimal design of the section of the arch bar section is carried out for the weak part of the force. Result The A10，A12 and B10 greenhouse structures with elliptical tubes (30 mm×80 mm×2.5 mm) as the skeleton material all meet the design specifications and are structurally safe.In this case，the maximum stress value exceeds the design specification，and there is a potential safety hazard.The four types of solar greenhouses with multiple steel sections (30 mm×80 mm×2 mm) as the skeleton material can meet the requirements of deflection and design strength under extreme weather conditions，and the average steel consumption can be reduced by 13.7%. Conclusion The strength of multi-shaped steel pipe fittings is better than that of elliptical pipe fittings，and its deflection and maximum stress are better; under the condition of ensuring the safety of the greenhouse structure，the amount of steel used for the cross-section skeleton of multi-shaped steel is less.

Graphical abstract

关键词

日光温室 / 典型结构 / 骨架结构 / 安全分析

Key words

solar greenhouse / typical structure / skeleton structure / safety analysis

日光温室是我国设施农业的重要组成部分^［1］。近年来日光温室发展十分迅猛，形成了一定的产业规模^［2-5］。甘肃省酒泉市充分利用当地光、热、水资源及河西走廊非耕地资源，发展以日光温室为载体的戈壁设施农业，建成了2 000 hm²万亩戈壁日光温室产业元，产生了显著的经济和生态效益^［6-8］。当前，河西走廊戈壁农业生产普遍采用脊高4.9 m跨度10 m和脊高4.9 m跨度12 m的两种典型温室结构，为了提高太阳能利用效率、扩大生产空间，近年来出现脊高5.6 m跨度10 m和脊高5.6 m跨度12 m的新型温室结构。上述日光温室结构参数的确定普遍停留在经验基础上，导致在实际应用中存在结构安全问题，使已建成的或正在建造的温室存在安全隐患。近年来发生多起大风或大雪导致温室结构破坏的事故，造成了极大的经济损失^［9-12］。因此，定量分析日光温室结构安全性对于指导戈壁日光温室结构设计与建造有重要意义。

目前国内外研究侧重于风压对日光温室结构安全性的影响^［13-20］。王笃利^［15］用耿贝尔分布模型进行统计分析全国气象数据提出了适用于温室的基本风压的计算方式，为温室风荷载的计算提供了依据。宫婉婷^［17］ 研究了一种新型温室的表面风压，得到了温室表面风压分布规律以及换算后平均风压系数。Morcous^{等［20］研究了温室风雪荷载的取值以及影响。丁敏［21-22］研究了华北地区风雪荷载作用下温室结构的整体性能，覆盖材料蒙皮效应对温室结构稳定承载力的影响。张建金［23］对甘肃白银沿黄地区不同结构日光温室进行了分析评估。白义奎［10］指出除天气因素，温室建造过程中不合理的设计、施工、维护也是导致出现温室结构安全隐患的原因。以上研究的开展均依赖于日光温室所处地理位置的环境条件和当地农业生产条件。本研究拟基于河西走廊地理环境和农业生产条件，针对戈壁地区典型日光温室结构，利用ANSYS计算软件，定量分析不同荷载作用下、不同日光温室结构骨架的受力情况，明确骨架结构承载力薄弱的部位，通过优化骨架截面，提升戈壁日光温室安全性能，以期在满足温室结构安全的同时，减少温室建造成本，为河西地区戈壁日光温室结构设计提供技术依据。}

1 材料与方法

1.1 戈壁日光温室结构参数

以河西走廊4种典型结构戈壁日光温室为研究对象，温室基本结构参数为4.9 m高10 m跨（A10型）、4.9 m高12 m跨（A12型）、5.6 m高10 m跨（B10型）及 5.6 m高12 m跨（B12型），墙体均为砌筑石墙堆砂结构，其他结构参数见表1。图1为A10型日光温室骨架结构示意图，前屋面为2段半径、长度不同的圆弧（\stackrel{⌒}{\mathrm{A}\mathrm{B}}与\stackrel{⌒}{\mathrm{B}\mathrm{C}}）组成的拱形结构，后屋面为直杆结构（AD），屋面骨架均采用D25镀锌椭圆管，纵杆为空心圆钢管，支撑杆为方形空心钢管（图2），骨架间距为0.9 m。为了便于后续分析，将前屋面水平投影中点在屋面上的对应点标记为E。

1.2 戈壁日光温室骨架荷载

1.2.1 永久荷载G_k

在结构使用期间，永久荷载随时间的变化较其平均值可忽略。日光温室中简化的永久荷载由3部分组成：温室钢骨架自质量G₁ 、聚苯彩钢板自质量G₂ 、保温被自质量G₃。其设计值G_k 可通过下式获得：

G_K=(G₁+G₂+G₃)×Y_G

式中：Y_G为永久荷载分项系数，其值为1.2^［24-25］。温室钢骨架自质量G₁ 由软件自动添加，聚苯彩钢板自质量G₂ 为0.15 kN/m^2［24-25］、保温被自质量G₃为0.050 kN/m^2［24-25］。

1.2.2 风荷载W_k

风荷载设计值由下式计算：

W_k=μ_s×μ_z×ω₀×β_z×γ_w

式中：μ_s为风荷载体型系数，针对每个区域分别计算其风荷载，并均考虑背风、迎风的作用^［25］；μ_z为风压高度变化系数，取1.09^［25］；ω₀为当地基本风压，取酒泉当地风压ω₀=0.30 kN/m^2［25］；β_z风振系数，其下标Z为建筑高度，当Z<30 m，不考虑风振系数，即β_z=1^［25］，γ_w为风荷载分项系数，其值为1.4^［24-25］。

1.2.3 雪荷载S_k

雪荷载设计值可由下式计算：

S_k=μ_r×C_r×S₀×γ_s

式中：μ_r为屋面积雪分布系数，根据屋面骨架角度，考虑不均匀分布的情况，根据温室结构设计方案，针对温室骨架AD段、AE段、EC段（图1）每个区域单独计算其雪荷载。；C_r为加热影响系数，取1.0^［25］；S₀为当地基本雪压，取酒泉当地雪压S₀=0.25 kN/m^2［25］；γ_s为雪荷载分项系数，其值为1.4^［24-25］。

1.2.4 作物荷载Q_k

吊蔓栽培是扩大作物生长空间、加强光合作用的有效措施。日光温室栽培中，作物吊挂于温室钢骨架，对骨架结构施加作物荷载。吊蔓栽培通常采用三点式吊挂，墙体上每隔0.9 m预设挂钩埋件，左右吊荷载处于同一平面，拱杆上也设置链接件挂钩，其设计值可由下式计算：

Q_k=q₀×γ_Q×S

式中：单位面积荷载Q₀=0.15 kN/m^2［25］，γ_Q为作物荷载分项系数，其值为1.4^［25］，S为温室面积。

1.2.5 工作荷载F

日光温室的工作荷载为屋脊检修荷载，操作人员质量荷载取值，F₁=1 kN^［25］，作用于温室骨架。

1.2.6 荷载组合分析

4种日光温室自重不同，且均由软件生成，5种类型荷载的计算结果及分布形式见表2。

荷载作用对建筑结构产生不利影响^［26-27］。在日光温室结构安全性分析中，根据国内戈壁日光温室生产过程中的天气情况，冬季都会对温室进行开帘采光，因此不考虑风雪荷载叠加的情况，最终选择不同类型荷载进行组合^［28-30］，形成4种荷载工况见表3。

1.2.7 温室结构安全性评价指标

根据结构设计规范，温室骨架结构最大应力值应小于钢材设计值235 MPa；骨架结构挠度容许值应小于SPAN（温室跨度）/200。风荷载、雪荷载取50 a重现期，其可变荷载分项系数γ_L取1^［25-26］。

1.3 ANSYS有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件，采用实体网格划分建模法，先创建实体模型，然后利用网格划分工具将实体模型划分为有限元模型。

1.3.1 创建有限元模型

根据日光温室设计图纸，在Workbench软件中，根据已有温室数据，利用Design Modeler程序建立4种结构戈壁日光温室的简化有限元实体模型，图3为日光温室A10型的3D有限元实体模型简化效果图。

1.3.2 分析参数

有限元分析中采用的材料为Q235钢架，其弹性模量为215 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/M³，设计强度为235 MPa，长度单位为mm，时间单位为s，质量单位为kg，压强单位为MPa。

1.3.3 网格划分

对日光温室3D模型进行网格划分。ANSYS有限元单元类型实体默认的是Solid186，设置二次划分，选择Solid185单元，网格较为规整，可以对网格划分为2个区域：温室钢骨架整体设置为3 mm网格，受力变形较大区域设置1.5 mm网格，复杂区域用四面体进行划分，可以更加准确的计算出所受最大应力及挠度变形处。A10、A12、B10、和B12型日光温室分别形成399 829、465 062、407 188、455 360个计算节点。

1.3.4 链接与荷载施加

假设墙体与骨架、温室骨架间装配与焊接趋于稳定状态，拱杆与纵杆、支撑杆与拱杆之间接触状态为不穿透、不分离、不位移，故均设置为绑定链接。在ANSYS Mechanical有限元分析软件中定义5种荷载（表2），并分别对4种荷载组合进行计算。在ANSYS solution计算结果中，采用非线性静力学计算不同工况下日光温室钢骨架的应力与挠度分布，定量评价4种戈壁日光温室的结构安全性。

2 结果与分析

2.1 典型戈壁日光温室骨架结构安全性分析

以A10型戈壁日光温室为例，在不同荷载工况下，屋面钢骨架的应力及挠度分布情况如图4所示，沿温室屋面骨架应力薄弱区域为跨度中部，变形最严重部位为E点附近。图5为4种工况荷载下4种结构温室钢骨架的最大应力及挠度的计算结果对照。由图可知，不同工况下，A12型日光温室较A10型日光温室，椭圆管骨架所受最大应力增加17.3%、23.3%、19.5%、47.6%，最大挠度增加101.55%、105.92%、102.91%、43.39%；B12型日光温室较B10型日光温室，椭圆管骨架所受最大应力增加44.7%、44.5%、34.5%、62.4%，最大挠度增加114.1%、125.9%、125.6%、71.1%。

由计算结果可知，A10、A12及B10 型3种结构骨架在4种工况下所受应力及挠度均在规范标准以内；B12型结构温室的椭圆管骨架在LC1、LC4工况下所受最大应力分别为78.1 MPa、169.9 MPa，符合规范标准（≤235 MPa），在LC2、LC3工况下所受最大应力分别为242.9 MPa、252.1 MPa，均超出规范标准，最大挠度值为47.4 mm、49.5 mm符合规范标准（≤60 mm）。

A10、A12及B10型戈壁日光温室结构均符合设计规范，结构安全； B12型戈壁日光温室钢骨架结构在最大风荷载与雪荷载工况下受力不安全。为了避免戈壁日光温室结构在实际生产中出现安全隐患，基于LC2、LC3荷载工况下对现有的温室椭圆管骨架结构进行优化设计。

2.2 戈壁日光温室钢骨架截面优化

2.2.1 钢骨架截面尺寸对最大应力及挠度的影响

以存在安全隐患的B12型日光温室的椭圆管骨架为优化对象，将2.5 mm钢管壁厚以0.1 mm为间隔逐渐增加，在Ansys有限元软件中对温室不同壁厚椭圆管骨架进行静力学分析，明确满足骨架钢结构设计需求的适宜壁厚。

钢管壁厚的增加对椭圆管骨架所受最大应力值与最大挠度的影响见图5。由图可知，椭圆管骨架所受最大应力与最大挠度均随壁厚的增加而减小。在LC₂与LC₃工况下，B12型温室中椭圆管壁厚大于2.8 mm时，骨架所受最大应力值分别为222.3 MPa、230.8 MPa，挠度为43.6 mm、45.5 mm，钢骨架同时满足挠度和设计强度要求。为了保证不同工况下温室结构安全，B12型日光温室骨架椭圆管壁厚应设为2.8 mm，但是壁厚的增加会导致成本的提升，因此需要在保证温室结构安全性的情况下降低成本。

2.2.2 钢骨架截面形状对最大应力及挠度的影响

近10 a来，几型钢广泛应用于建筑工程领域，受力性能高、节省材料、使用方便，降低成本，且表现出良好的力学性能。本研究将几型钢为主骨架材料（图7），替换原有的镀锌椭圆管，对河西走廊典型日光温室钢骨架进行进一步优化。应用的几型钢截面设计符合钢结构设计规范^［31］，即（截面宽度）b/（截面壁厚）t小于32 ε_k，ε_k为钢号修正系数，此处取1。

以椭圆管骨架为对照，对B12型日光温室中几型钢截面骨架的安全性能进行分析。图7为4种工况下椭圆管骨架与几型钢骨架所受最大应力及最大挠度计算结果。由图可知，几型钢壁厚大于1.9 mm时，4种工况下所受最大应力值及挠度均满足规范要求。在B12型戈壁日光温室中，相较于同壁厚椭圆管骨架，1.9 mm几型钢骨架在4种工况下所受最大应力分别减小了23.7%、27.2%、27.1%及30.6%，最大挠度分别减小27.5%、33.5%、33.6%及37.6%。结果表明，B12型戈壁日光温室中几型钢钢骨架性能优于椭圆管骨架。

根据以上分析可知，为了保证B12型戈壁日光温室骨架结构安全性，椭圆管钢骨架截面的适宜壁厚应设为2.8 mm，几型钢钢骨架截面的适宜壁厚为1.9 mm，单拱架用钢量较同强度椭圆管骨架减少14.5%。对其余3种温室进行比对分析，A10、A12及B10型日光温室几型钢钢骨架截面分别为1.4、1.7、1.4 mm时可同时满足4种工况。A10、A12及B10型日光温室在满足设计要求的时候，同强度几型钢管件较椭圆管管件用钢量分别减少13.5%、13.1%、13.5%。

综上，当满足挠度和设计强度要求时，四种日光温室中几型钢钢骨架的壁厚均小于椭圆管骨架，进而直接影响日光温室建造成本。因此，综合考虑结构安全性与经济性，几型钢钢骨架优于椭圆管骨架，适于戈壁日光温室使用，可大面积推广应用。

3 结论

1） 就不同工况而言，晴天及背风荷载工况下对温室结构的安全影响较小，在雪天及迎风荷载工况下对温室结构的安全影响较大。A10、A12、B10型日光温室结构均符合设计规范，结构安全；B12型日光温室于雪天及迎风工况下会出现温室结构最大应力值和挠度超出规范设计的情况，存在安全隐患。

2） 为了同时保证强度和挠度的要求，A10、A12、B10、B12型日光温室在几型钢管件条件下壁厚分别应大于1.4、1.7、1.4、1.9 mm，椭圆管管件壁厚分别应大于2.0、2.4、2.0、2.8 mm。

3） 在保证温室结构安全的条件下，几型钢截面骨架用钢量少，A10、A12、B10、B12型4种温室结构较椭圆管管件分别可减少用钢量13.5%、13.1%、13.5%、14.5%。

4） 综合考虑结构安全性与经济性，几型钢钢骨架优于椭圆管骨架，适于戈壁日光温室使用，可大面积推广应用。

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基金资助

国家自然基金面上项目(32072657)