呂梁地區日光溫室弧形鋼架荷載分析

張 毅 峰

(晉中市農業局，山西 晉中 030600)

呂梁地區日光溫室弧形鋼架荷載分析

張 毅 峰

(晉中市農業局，山西 晉中 030600)

針對呂梁地區已修建的10 m跨度的弧形鋼架磚墻型日光溫室，結合我國最新的建筑結構荷載規范，確定了作用在弧形鋼架上的各種荷載，重點計算了弧形鋼架的自重、雪荷載、風荷載，并且根據日光溫室的實際使用情況，拋開北風風壓對日光溫室的影響，確定了三種可能不利荷載組合。

弧形鋼架，日光溫室，荷載

荷載是作用在溫室鋼架結構上的外力，包括自然荷載(風載、雪載、地震力等)和人為荷載(堆物、吊重、檢修荷載等)，是溫室鋼架結構設計的基本依據。若取值過小時，經不起風雪襲擊，對生命財產安全造成嚴重后果；若載荷取值過大，浪費材料，增加成本，并導致陰影增加，影響作物生長生育。因此確定一個合理的荷載取值，是日光溫室鋼架設計的基本前提[1]。溫室產業發展較早的一些發達國家對溫室結構荷載方面相關的標準和規范已制定出來。而我國日光溫室發展較晚，對其荷載計算還沒有制定出相關規范。目前對于日光溫室荷載的計算，均參照國外相關準則再結合我國《建筑結構荷載規范》[2]來進行。本文結合我國最新修訂的《建筑結構荷載規范》，同時考慮日光溫室自身的弧形鋼架受力特點，對呂梁地區日光溫室弧形鋼架進行詳細的分析和計算。提出適合山西省呂梁地區日光溫室的弧形鋼架荷載計算和分析的方法，為日光溫室結構參數的確定和弧形鋼架結構的進一步優化提供依據，直接指導日光溫室設計與建造，對溫室產業的蓬勃發展有理論和實際意義。

1 日光溫室鋼管弧形鋼架的荷載計算

建筑物所承受的荷載一般分為三類型：恒荷載、活荷載和偶然荷載。基于日光溫室自身的結構特點和使用場合與普通民用建筑有較大區別，在考慮荷載時不考慮偶然荷載。其中恒荷載包括溫室前屋面段鋼架的自重、后坡段鋼架的自重、前屋面覆蓋材料自重、后坡保溫覆蓋材料的自重；活荷載包括雪荷載、風荷載、作物吊重荷載、施工荷載。

1.1 恒荷載

1.1.1 鋼架前、后段自重

本文所研究的日光溫室的弧形鋼架結構形式為雙管結構，如圖1所示。弧形鋼架的上弦規格為1寸的鍍鋅鋼管，即外徑為33.5 mm，壁厚為4.25 mm；下弦規格為4分的鍍鋅鋼管，即外徑為21 mm，壁厚為3 mm。弧形鋼架的上下弦之間采用φ14鍍鋅鋼筋按照一定角度雙向交叉進行焊接，鋼筋作為腹桿，增加屋頂的整體穩定性。經實際考察計算，該日光溫室弧形鋼架上弦長度為11 634 mm，其中后坡段長度為1 502 mm；下弦長度為11 322 mm，其中后坡段長度為1 348 mm；腹桿總長度為17 698 mm，其中前屋面段上的腹桿長度為16 273 mm，后屋面段上的腹桿長度為1 425 mm，所有鋼材均為Q235鋼材。

圓形截面鋼管的重量(kg/m)=(od-wt)×wt×0.024 66

(1)

其中，od為鋼管的外徑，mm；wt為鋼管的壁厚，mm。

鋼筋的重量(kg/m)=D×D×0.024 66

(2)

其中，D為鋼筋的直徑，mm。

由式(1)，式(2)可得，弧形鋼架上弦的重量為3.066 kg/m；弧形鋼架下弦的重量為1.332 kg/m；腹桿的重量為1.21 kg/m。

一榀弧形鋼架的前屋面段的用鋼量為：

3.066 kg/m×(11.634-1.502)m+1.332 kg/m×(11.322-1.348)m+1.21 kg/m×16.273 m=61.05 kg。

一榀弧形鋼架的后坡段的用鋼量為：

3.066 kg/m×1.502 m+1.332 kg/m×1.348 m+1.21 kg/m×1.425 m=8.13 kg。

假設本文所研究日光溫室的東西方向長度為60 m，則需要的弧形鋼架數為61榀，則10 m跨度該日光溫室前屋面段的用鋼量為：

61.05 kg×61=3 724.05 kg。

后坡段的用鋼量為：

8.13 kg×61=495.93 kg。

則10 m跨度日光溫室的前屋面段弧形鋼架的單位水平投影面積的自重荷載G1為：

3 724.05 kg×9.8 N/kg÷(9.12 m×60 m)=0.067 kN/m2。

10 m跨度日光溫室的后坡段鋼架的單位水平投影面積的自重荷載G2為：

459.93 kg×9.8 N/kg÷(1.12 m×60 m)=0.06 kN/m2。

1.1.2 前屋面覆蓋材料自重

呂梁地區日光溫室前屋面覆蓋材料以稻草為常見。稻草容重1.2 kN/m3，厚度一般為3.5 cm，考慮受潮等因素增加20%重量，折成水平投影面載荷時，應考慮前屋面弧長和前屋面在水平地上的影長度之比，取G3=0.058 kN/m2。

1.1.3 后坡保溫覆蓋材料自重

后屋面保溫覆蓋材料自重荷載G4為：150 mm厚擠塑板自重為0.001 kN/m2，25 mm厚的1∶3水泥砂漿自重為0.5 kN/m2，80 mm厚白灰爐渣自重為0.8 kN/m2，卷材防水層自重為0.3 kN/m2，合計為G4=1.601 kN/ m2。

1.2 活荷載

1.2.1 雪荷載

雪荷載是屋面水平投影面上雪荷載標準值，應該按照式(3)來計算：

Sk=UrS0

(3)

式中：Sk——雪荷載標準值，kN/m2；

Ur——屋面積雪分布系數；

S0——當地基本雪壓，根據《全國基本雪壓分布圖》，山西呂梁地區基本雪壓為：S0=0.3 kN/m2。

10 m日光溫室的弧形前屋面坡度角分布如圖2所示，由圖2可知，A點處的屋面坡度角α=25°，AC段為屋面坡度角α≤25°的屋面段，因此AC段的屋面積雪分布系數為Ur=1.0；B點處屋面坡度角α=47°，也是本日光溫室弧形屋面上坡度角最大的點處，而本溫室弧形屋面上不存在坡度角α≥60°的地方，因此也不存在屋面積雪分布系數Ur=0的地方。BA段的屋面坡度角α為25°和47°之間，這里我們將弧形的BA前屋面段近似等效為直線形的BA前屋面段，其坡度角近似等效為α=35°，因此BA段的屋面積雪分布系數近似等效為Ur=0.7。后屋面鋼架(CD段)的坡度角為42°，經過保溫防水處理后，后屋面的坡度角基本上保持α=42°不變，介于40°和45°之間，后屋面的屋面積雪分布系數Ur介于0.55和0.4之間，取Ur=0.5。

由式3)可得10 m日光溫室的屋面雪荷載為：

BA段Sk1=0.21 kN/m2。

AC段Sk2=0.3 kN/m2。

CD段Sk3=0.15 kN/m2。

10 m日光溫室的整個屋面雪荷載分布情況如圖3所示。

1.2.2 風荷載

風荷載是指垂直作用于建筑物表面上的風壓力，其計算方法與雪荷載的計算方法基本相同，見式(4)：

Wk=βzusuzw0

(4)

式中：Wk——風荷載標準值,kN/m2；

βz——高度Z處的風振系數，βz=1.0[3]；

us——風荷載體型系數；

uz——風壓高度變化系數；

w0——基本風壓，根據《全國基本風壓分布圖》，山西呂梁地區基本風壓為：w0=0.45 kN/m2。

1)風壓高度變化系數uz。

《建筑結構荷載規范》規定，對于平坦或稍有起伏的地形，風壓高度變化系數應根據地面粗糙度類別來確定。

日光溫室建造地區一般屬于B類即田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮和城市郊區，風壓高度變化系數的計算公式如下[4]：

uz=(Z/HT)2α×350.32

(5)

式中：Z——建筑高度，m；HT——梯度風高度，對于B類地區取350 m；α——地面粗糙度系數，對于B類地區取0.160。

求得：屋脊高度為3.9 m，前屋面和后屋面的風壓高度變化系數為uz=0.739；后墻高度為3.2 m，后墻的風壓高度變化系數為uz=0.692。

2)風荷載體型系數us。

參考《建筑結構荷載規范》中給出的如圖4所示的其中一種屋面形式及表1給出的其風荷載體型系數來計算10 m日光溫室的弧形前屋面在南風荷載下的風荷載體型系數。

表1 中間值按線性插值法計算

f/lus0.1+0.10.2+0.20.5+0.6注:f/l為封閉式落地拱形屋面的高寬比

因為整個拱形屋面基本上可等效為弧形前屋面與其鏡像的合體，且日光溫室的弧形前屋面是封閉式落地屋面，所以假設圖4拱形屋面的左半屋面和右半屋面全部為日光溫室的弧形的前屋面。假設的封閉式落地拱形屋面的高寬比f/l=3.9/(9.12×2)≈0.2(式中3.9和9.12分別為10 m日光溫室的屋脊高度和弧形前屋面的水平投影長度，m)。由表1可得，在南風荷載下，10 m日光溫室的弧形前屋面的風荷載體型系數為uz=0.2。

因此，根據式(4)可得：

刮北風時，10 m日光溫室的前、后屋面風荷載為：

Wk1=-0.166 kN/m2,Wk2=-0.199 kN/m2。

刮南風時，10 m日光溫室的前、后屋面風荷載為：

1.2.3 其他荷載

1)施工活荷載。

施工活荷載主要是操作前屋面保溫簾或保溫被操作人員的重量，在載荷的取值上可按溫室屋脊作用一個80 kg的集中力考慮[5]。因此，施工活荷載取Q=0.8 kN/m2。

2)作物吊重荷載。

生產過程中某些作物(黃瓜、番茄等)掛在溫室鋼架上形成的荷載即作物吊重荷載。一般按均布荷載來考慮，取V=0.15 kN/m2。

3)覆蓋材料卷重(屋脊集中)。

前屋面覆蓋材料卷起在屋頂時，取集中荷載Q2=0.348 kN。

2 日光溫室鋼管弧形鋼架的荷載組合

2.1 荷載分項系數λ

《建筑結構荷載規范》對永久荷載和可變荷載，規定了不同的分項系數。對永久荷載，當其效應對結構不利時，取1.2；當其效應對結構有利時，取1.0。對可變荷載，一般情況下取1.4。

2.2 可變荷載組合值系數ψ

荷載效應系數是結構或構件中的效應(如內力、應力等)與產生該效應荷載的比值，可按結構力學的方法進行確定。對于可變

荷載的組合值系數ψ，當有兩個或兩個以上的可變荷載參與組合且其中包括風荷載時，取0.85，其他情況下取1.0。

2.3 可能的最不利荷載組合

在北風作用下，日光溫室的前屋面的覆蓋材料無論是塑料薄膜還是草簾受到的都是負壓作用，其結果都是對弧形鋼架起到緩解受壓的有利作用，因此，在考慮不利荷載組合時不考慮北風荷載。

本文用三種可能的最不利荷載組合對10 m日光溫室鋼架結構進行內力計算，即：

組合1——全部恒荷載+雪荷載+施工活荷載+作物吊重荷載(雪后人上屋頂作業)。

組合2——全部恒荷載(除了前屋面草簾自重)+南風荷載+覆蓋物卷重+施工活荷載+作物吊重荷載(刮南風，草簾已卷起在屋頂，人上屋頂作業)。

組合3——全部恒荷載+南風荷載+施工活荷載+作物吊重荷載(刮南風，草簾已放下，人上屋頂作業)。

對應的荷載設計值為：

組合1荷載設計值=1.2×(G1+G2+G3+G4)+1.4×(Sk+Q1+V)；

3 結語

通過分析呂梁地區10 m跨度日光溫室的結構形式，確定了該種日光溫室的各種荷載，詳細地計算了該溫室弧形鋼架的自重以及適合于該日光溫室弧形屋面的特定雪荷載、風荷載。依據我國最新的《建筑結構荷載規范》，應用工程力學理論，對該日光溫室進行了荷載分析，確定了三種可能的最不利荷載組合，即荷載組合1：雪后人上屋頂作業；荷載組合2：刮南風，草簾已經卷起在屋頂，人上屋頂作業；荷載組合3：刮南風，草簾已經放下，人上屋頂作業。

[1] 翟 蓮，劉東輝，宋述堯，等.吉林省日光溫室鋼骨架的受力性能研究法[J].農機化研究，2011(8):31-34.

[2] GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[3] 張連永，李進京，孫新年.華北連棟塑料溫室結構設計風荷載研究[J].農機化研究，2008(1):62-66.

[4] 張相庭，王 聰.圓弧曲梁單元的質量矩陣和剛度矩陣[J].同濟大學學報，1985(2):18-28.

[5] 叢祥安，王志臣，楊曉波.日光溫室設計受力載荷分析[J].遼寧農業職業技術學院學報，2002，4(1):26-27.

Analysis on the load of curved steel frame of solar greenhouse in Lvliang area

ZHANG Yi-feng

(JinzhongAgriculturalBureau,Jinzhong030600,China)

Aimed at 10 meters span cambered steel frame brick wall type solar greenhouse that has been build in Lvliang area, based on the actual structure of this type of solar greenhouse, combined with the latest load code for the design of building structures in our country, this paper confirms various loads on the cambered steel frame, and importantly calculates the weight of cambered steel frame, snow load and wind load. Based on actual service condition of the sola greenhouse, throwing off the influence of north wind pressure of the sola greenhouse, this paper confirms three possible adverse load combinations.

curved steel frame, solar greenhouse， load

1009-6825(2014)28-0029-03

2014-07-28

張毅峰(1972- )，女，農藝師

TU312.1

A