Ansys/LS—Dyna在抗臺風(fēng)竹木結(jié)構(gòu)大棚設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

徐群　應(yīng)小剛　趙銀海

摘要：目前，大部分的農(nóng)用塑料大棚為竹木結(jié)構(gòu)，存在棚內(nèi)柱子多，作業(yè)不方便，特別針對沿海地區(qū)，抗臺風(fēng)能力差，穩(wěn)定性不夠的問題尤為突出。但由于大棚的規(guī)范措施滯后，各類大棚的設(shè)計(jì)制造，尤其是設(shè)計(jì)、選型和配套技術(shù)還不成熟。本文針對竹木結(jié)構(gòu)大棚在抗臺風(fēng)設(shè)計(jì)中沒有現(xiàn)有規(guī)范的情況下，采用Ansys/LS-Dyna對竹木結(jié)構(gòu)大棚進(jìn)行整體框架的建立，計(jì)算和模擬，找到大棚設(shè)計(jì)建造中的薄弱環(huán)節(jié)，供設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：Ansys/LS-Dyna；抗臺風(fēng)；竹木結(jié)構(gòu)；塑料大棚

中圖分類號：F303.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）17-0083-02

一、引言

從20世紀(jì)80年代，國內(nèi)外學(xué)者開始風(fēng)荷載作用下大棚結(jié)構(gòu)承載力的研究。Well和Hoxey進(jìn)行了五種形狀的玻璃大棚在自然風(fēng)條件下超過90度范圍的全尺寸模型實(shí)驗(yàn)研究，考慮了風(fēng)的方向的短時(shí)改變。Moran對大棚（27.8m×21.5m）進(jìn)行了全尺寸風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)研究，顯示建筑的幾何效應(yīng)對風(fēng)載壓力系數(shù)的關(guān)系；Richardsan針對設(shè)與不設(shè)防風(fēng)籬情況下的塑料薄膜大棚的風(fēng)荷載進(jìn)行了全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，并對可滲透風(fēng)的防風(fēng)籬對連棟大棚小環(huán)境和連棟大棚結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了深入的研究。2000年，周長吉在風(fēng)、雪載荷分級方面取得了較大的成果。2012年，湯慶等設(shè)計(jì)出了一種新型的雙層拱架結(jié)構(gòu)塑料大棚，工況選擇分為雪載與恒載結(jié)合及風(fēng)載與恒載結(jié)合兩種情況，對該結(jié)構(gòu)的骨架進(jìn)行了受力分析。該分析方法對大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)性的作用。目前，我國正處在大棚設(shè)施大力發(fā)展的階段，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，出現(xiàn)了多樣的大棚結(jié)構(gòu)。但由于大棚的規(guī)范措施滯后，各類大棚的設(shè)計(jì)制造，尤其是選型、設(shè)計(jì)和配套技術(shù)還不成熟。目前，大部分的農(nóng)用塑料大棚為竹木結(jié)構(gòu)，存在棚內(nèi)柱子多，作業(yè)不方便，特別針對沿海地區(qū)，抗臺風(fēng)能力差，穩(wěn)定性不夠的問題尤為突出。浙江省2012年的大棚葡萄產(chǎn)量達(dá)到60萬噸，產(chǎn)值達(dá)到25億元，但臺風(fēng)造成的葡萄損失達(dá)到幾個億。這暴露出目前大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的嚴(yán)重問題，且不說很多毀壞嚴(yán)重的為簡易的竹木結(jié)構(gòu)大棚，包括很多連棟大棚，在設(shè)計(jì)造型上也存在弱點(diǎn)，特別是頂通風(fēng)的連棟大棚，其拱棚上都未設(shè)置壓模線，頂上的棚膜僅靠幾道卡槽力固定，強(qiáng)度較低。正規(guī)廠家生產(chǎn)的連棟大棚雖然鋼質(zhì)骨架的強(qiáng)度較大，但成本高，防腐解決不了，普通農(nóng)民也很難承受高成本。如何在節(jié)約成本的情況下對現(xiàn)有竹木結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗臺風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是目前亟待解決的重要問題，目前國內(nèi)未見報(bào)道。本文采用Ansys/LS-Dyna模塊對實(shí)際倒塌的整體大棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動態(tài)分析，找到大棚在臺風(fēng)中的受力最大處。

二、建立幾何模型

以寧波某區(qū)的拱頂竹木結(jié)構(gòu)連棟大棚為例，上覆塑料薄膜，架在混凝土邊柱上，大棚示意圖如圖1所示。該連棟大棚東西向共20跨，每跨6米，東西走向共120m。南北走向柱子分布為4m一排，共20排柱子，總長為76m。每跨之間采用的邊柱為180mm×65mm，高2.4m，每跨中間的三根中柱為70mm×75mm，高2.2m，所有柱子露出地面部分均為2.0m。最南和最北的兩排柱子每隔兩跨有一根斜支撐混凝土柱，截面尺寸也為180mm×65mm，支撐的上端直接搭在邊柱的柱頂上，另一端呈45°角直接搭在地面上。所有的斜拉鋼絲繩在柱子露出地面1.5m處呈45°角斜拉，埋入土中0.2m。所有的鋼絲繩采用12號鋼絲，即直徑為2.8mm。其中，斜拉繩為4股12號鋼絲繩，整個二十跨連棟大棚的外圍連接拉繩為7股12號鋼絲繩。其余掛葡萄的連接拉繩為1股12號鋼絲繩，鋼絲繩的張拉間距為0.5m。

三、數(shù)值模擬結(jié)果

考慮臺風(fēng)載荷，結(jié)構(gòu)的重力加速度時(shí)長為2.0s，葡萄重量加上拱頂結(jié)構(gòu)的重量以每畝3000斤計(jì)，將葡萄和拱頂?shù)闹亓恳凿摻z繩自重的方式施加。在重力作用下的地面的von mises應(yīng)力如圖2所示。根據(jù)該區(qū)農(nóng)業(yè)氣候預(yù)報(bào)，農(nóng)戶所在地臺風(fēng)可能遭遇的等級約為10級，風(fēng)速取為26.45m/s，根據(jù)換算公式（KN/m2），風(fēng)壓為437.25N/m2，受到的風(fēng)壓為北偏東30°。將其分解以后施加在東邊的20根柱子上的由東往西方向的載荷為1300N/根，考慮到塑料薄膜覆蓋的棚頂在臺風(fēng)來時(shí)有塌陷，使得每根柱子都受力，由北向南的風(fēng)載荷施加在所有的柱子上并取為390N/根，歷時(shí)為1.7s。圖3為在臺風(fēng)作用下的變形圖。

四、結(jié)論

從上圖中可見，未剪斷拉繩的大棚在自重作用下，受力最大的點(diǎn)為大棚結(jié)構(gòu)的四個邊角，而在邊角處的邊柱上有兩根斜拉繩，故結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。而受到臺風(fēng)以后，東邊的兩個邊角受到的力達(dá)到了土體的屈服應(yīng)力24kPa，故已經(jīng)引起了周圍土壤的松動。需要對東邊的邊角附近的柱子進(jìn)行進(jìn)一步的加固。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wells D A，Hoxey R P.Measurements of wind loads on full-scale glasshouses[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，1980，6（1-2）：139-167.

[2]Moran P.Full-scale measurement of wind pressures on a 27.8m long single 21.5m span agricultural building[J]. Journal of Agriculture Engineering Research，26：55-61，1981.

[3]Richardsan G M.Wind loads on a full-scale film-plastic clad greenhouse：with and without shelter from a windbreak[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，1986，23（1-3）：321-221.

[4]周長吉.大型連棟溫室設(shè)計(jì)風(fēng)雪荷載分級標(biāo)準(zhǔn)初探[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（4）：103-105.

[5]湯慶.基于Ansys Workbench雙層拱架塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流場模擬[D].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.endprint