日光溫室前屋面支撐位置對實腹式骨架安全性的影響

齊 飛，閆冬梅，魏曉明

（1. 農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125；2. 農業(yè)農村部農業(yè)設施結構工程重點實驗室，北京 100125）

0 引 言

前屋面骨架是影響日光溫室安全性、經(jīng)濟性和采光特性的重要構件。薄壁圓管、方管、幾字型鋼、橢圓型鋼、C 型鋼等日光溫室前屋面骨架常見截面形式均屬實腹式承力結構，具有造型簡潔、加工方便、防腐便利、安裝快速等優(yōu)點。與桁架式結構相比，單拱實腹式結構存在截面剛度和強度較低的不足，加之綜合骨架遮光和成本的雙重限制，多應用于≤10 m 中小跨度的日光溫室。實際生產中，通常采用跨間增加支撐的措施提高單拱實腹式骨架的承載力和安全性。但增加支撐會影響溫室有效空間的使用，給栽培管理、機械化作業(yè)等帶來不利影響，近年來在生產實踐中逐漸減少使用[1]。此外，雖然種植者普遍喜愛結構簡潔的單拱實腹式骨架，但這種結構形式在跨度適應性、防災安全性方面的缺陷限制了被采用的比例，因此需要探索一種創(chuàng)新的臨時加固方式，能夠在不影響日光溫室操作空間的前提下，在出現(xiàn)偶然性大載荷、氣象災害等不利工況條件下通過設置臨時支撐的方式來保證結構安全性，再通過智能化管理的手段將結構應力應變反應、氣象變化和支撐機構運行進行實時統(tǒng)籌，這種思路在溫室防災抗災過程中經(jīng)常以手工的方式實現(xiàn)[2]，“適合西北非耕地園藝作物栽培的溫室結構與建造技術研究與產業(yè)化示范”項目中，采取了前端臨時支撐的方式作為輕簡型防災措施[3]，取得了較好效果。為實現(xiàn)上述構想，需要研究骨架在前屋面不同支撐點位上結構強度、穩(wěn)定性及撓度[4-5]的變化，明確影響規(guī)律，為支撐設置的適宜范圍提供科學參考。這是一種不改變原有結構體系、甚至減少骨架截面情況下主動防御荷載作用的新思路，目前國內還沒有相關研究報道。為此，本研究針對典型地區(qū)的常用日光溫室結構型式，分析不同支撐點位置變化對前屋面骨架結構安全性的影響，優(yōu)化確定最佳支撐范圍，從而為指導日光溫室的防災減災和開發(fā)新型結構系統(tǒng)提供理論參考。

1 日光溫室結構方案

1.1 區(qū)域選擇

中國日光溫室的分布范圍較廣，從 30°N 到 48°N均有分布[6]，但區(qū)域地理緯度、年輻射量、年積溫量、種植習慣等自然氣候、社會經(jīng)濟因素決定了日光溫室技術推廣的適宜性，一般來說日光溫室發(fā)展的核心區(qū)在34°N～43°N 地區(qū)[7-8]，并且這種發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)較穩(wěn)定的狀況。因此，本研究選取40°N 華北區(qū)域的北京作為典型地區(qū)進行研究。

1.2 剖面設計

日光溫室剖面設計對結構強度、穩(wěn)定性、室內環(huán)境影響很大。在剖面的建筑形式上，雖然部分地區(qū)采取了無后坡的形式[9-12]，但有后坡的形式依然是主流[13-15]，因此本研究采用有后坡的建筑形式，結合典型區(qū)域內日光溫室的實際建筑形式和最新的行業(yè)標準、優(yōu)化方法確定主要建筑參數(shù)，主要包含：

1）跨度L。日光溫室跨度是指后墻內側至前屋面骨架底部外側的距離[16]，包含保溫后屋面投影和采光前屋面投影2 部分。本研究選取的典型溫室，采用8、9、10m 3 種常見溫室跨度。

2）前屋面角θ。指屋脊與溫室前腳的連線與水平面的夾角，是影響日光溫室采光的最重要的設計參數(shù)[17]，主要受溫室建設地的地理緯度影響。目前，主要是以保證冬至日正午前后4h 內（10:00-14:00）太陽光對溫室前屋面透過后的輻射照度衰減不超過2%（即入射角不超過43°）為依據(jù)來確定日光溫室的前屋面角[18-19]。

3）后屋面角α。指后坡與水平面的夾角。

4）前屋面跨度l。指前坡在水平面的投影。

5）后屋面水平投影l(fā)1。指后坡在水平面的投影。

6）后墻高度H1。指后墻內側與后屋面交線到室內地坪標高之間的距離。

7）脊高H。屋脊到溫室內地坪的垂直距離。

1.3 剖面尺寸

利用農業(yè)行業(yè)標準《日光溫室設計規(guī)范》[20]及魏曉明等[21]提出的日光溫室總體尺寸確定方法，確定北京地區(qū)日光溫室剖面參數(shù)取值如表1 所示。圖1 為日光溫室剖面尺寸示意圖。

表1 北京地區(qū)日光溫室剖面參數(shù)取值Table 1 Parameter selection of solar greenhouse profile in Beijing

圖1 日光溫室剖面示意圖Fig.1 The sectional diagram of solar greenhouse

1.4 屋面結構

日光溫室屋面體系按照傳力方式分為無檁體系和有檁體系，無檁體系是指屋面荷載直接以線荷載的形式由覆蓋材料傳遞到主拱架的結構體系，橫向構件只作為支撐，而非傳力構件；有檁體系是指屋面荷載先傳遞給檁條、再由檁條以集中荷載的形式傳遞給主拱架的結構體系。本研究采用最常見的無檁體系作為屋面結構[22-23]。在日光溫室中，前屋面主拱架間距通常為0.8～1.2 m，以0.1 m 為模數(shù)，本研究中取最常見的1.0 m。

本研究主要為了獲得日光溫室前屋面骨架支撐點位置變化對主拱架安全性的影響規(guī)律。在保證日光溫室骨架截面不破壞的前提下，骨架截面形狀和尺寸變化對這一規(guī)律的影響很小。因此，為便于計算，采用平面內剛度較大的矩形管作為主拱架，縱向支撐采用圓管。在滿足結構設計要求的前提下，8、9、10 m 跨度分別選取70mm×50mm ×2.0mm、80mm×60mm×2.0mm、90mm ×60mm×2.0mm 的截面作為主拱架，縱向支撐均采用圓管25mm ×1.5mm，間距2.0 m。構件材料選取普通碳素結構鋼Q235B，設計強度205 N/mm2[4]。

2 日光溫室荷載取值與組合方式

荷載取值采用國家標準《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》GB/T51183—2016[24]，設計使用年限按照10a 考慮。永久荷載主要包括骨架和永久性設備產生的永久荷載。可變荷載主要包括作物荷載、雪荷載、風荷載、屋面活荷載，由于日光溫室使用年限較短、內部裝備較少、跨度小，相對連棟溫室等高安裝精度的結構形式，日光溫室對變形的要求較低，因此不考慮溫度、地震和安裝荷載。

2.1 永久荷載

日光溫室永久荷載主要包括主拱架、水平系桿自重，前屋面薄膜自重和后坡屋面自重。在跨度變化的情況下是個變數(shù)，通常需要經(jīng)過多次試算迭代取得結果。本研究前文中設定了截面，其質量通過設計軟件自動計算?？v向支撐單位質量0.87 kg/m，固定設備其自重應根據(jù)設計尺寸或咨詢設備供應商確定，溫室內固定設備荷載尚未確定時，可取 0.07 kN/m2的豎向均布荷載[24]。后屋面采用100 mm 厚金屬夾芯板，恒載取0.30 kN/m2。

2.2 可變荷載

1）作物荷載。因暫未確定吊掛方式，可按單位面積荷載計算[24]，取0.15 kN/m2。

2）雪荷載。日光溫室是典型中國特色的設施類型，其雪荷載特點與傳統(tǒng)加溫溫室不同，這方面的研究也僅限于國內[25-28]。本文選取北京地區(qū)10 a 雪荷載[24]，基本雪壓為0.25 kN/m2。屋面水平投影上的雪荷載標準值按照式（1）計算。

式中，Sk為雪荷載標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)，取值參見圖 2，其中均勻分布工況下，μr,b為后屋面積雪分布系數(shù)，按照式（2）計算，經(jīng)計算，取值為0.48；μr為前屋面積雪分布系數(shù)，按照式（3）計算，經(jīng)計算取值為0.43；不均勻分布工況下，μr,m為按照覆蓋保溫工況下前屋面積雪分布系數(shù)，取最大值2.0；Ct為加熱影響系數(shù)，針對日光溫室取1.0；S0為基本雪壓，kN/m2。

圖2 日光溫室雪荷載分布系數(shù)圖Fig.2 The diagram of snow load shape coefficient of solar greenhouse

3）風荷載。風荷載也是造成日光溫室失效的主要作用之一。由于日光溫室外覆蓋材料和骨架是非機械性連接，而是通過壓膜線將薄膜敷設在骨架上，因此實際傳力特征較為復雜[29]，表面可能出現(xiàn)零壓區(qū)[30]和風壓曲線分布。目前包括日光溫室在內的薄膜類溫室風荷載研究主要集中在體型系數(shù)[31]、風壓標準值計算方法[32-37]等，而在屋面負壓工況下，薄膜與骨架分離后的傳力規(guī)律還沒有工程應用層面的研究成果，因此綜合考慮世界各國在塑料大棚、塑料連棟溫室設計的實踐經(jīng)驗，不考慮日光溫室薄膜張拉剛化效應對溫室結構整體抗風承載力提高影響[38]，直接采用國家標準GB/T51183—2016 的方法，選取北京地區(qū)10a 風荷載，基本風壓為0.37 kN/m2。風荷載標準值按照式（4）計算。

式中wk為風荷載標準值，kN/m2；μs為風荷載體形系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)；w0為基本風壓，kN/m2。其中，風壓高度變化系數(shù)μz按規(guī)范中地面粗糙度 B 類取值，3種跨度取值依次為0.76、0.79、0.81；μs為風荷載體型系數(shù)，0°風方向左風與右風的風荷載體型系數(shù)參見圖3，左風的μs取值0.4，右風的μs取值為0.33；90°風方向所有受載表面的體型系數(shù)μs均取-0.3。

圖3 日光溫室0°風方向體型系數(shù)分布圖Fig.3 The diagram of shape coefficient of 0°of solar greenhouse

4）屋面活荷載。

由于日光溫室內部懸掛式作業(yè)裝備很少，燈具和植保設備分布較分散并且質量較小，因此屋面活荷載主要考慮保溫被的荷載作用，按照展開時前屋面均布荷載和收起時后屋脊處集中荷載考慮。根據(jù)國家標準GB/T51183—2016 要求，荷載按照針刺氈保溫被、潮濕狀態(tài)下的重力0.03 kN/m2考慮。

2.3 荷載組合

結合前文分析，日光溫室荷載主要包括均布永久荷載（簡稱G，余同），均布作物荷載（C1）、均布屋面活載（LR1）、集中屋面活載（LR2）、投影方向雪荷載（S）、0°左風荷載（W1）、0°右風荷載（W2）、90°風荷載（W3）。依據(jù)日光溫室荷載情況，主要荷載工況參見表2，各組合系數(shù)荷載組合采用國家標準《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》GB/T51183—2016[24]，經(jīng)過荷載系數(shù)的組合，基本組合共計約165 個，標準組合共計約90 個。

表2 荷載工況表Table 2 Load combination table

3 計算模型及分析方法

3.1 總體思路

在日光溫室前屋面骨架設置支撐點，并且支撐點從前屋面底腳處開始，沿著前屋面骨架向屋脊處滑動設置，如圖4 所示。水平距離HD（Horizontal distance）為支撐設置位置，水平距離HD 按照每次滑動距離≤50 cm 進行支撐位置變動，直到移動到屋脊處結束。支撐與拱架連接形式為鉸接，僅約束豎向位移，可水平移動。鉸接構造方式可根據(jù)支撐構件的特性采用多種方式，本文不做具體研究。RD（Relative Distance）表示支撐點的相對距離，即HD 與前屋面跨度l的比值（%）。

圖4 日光溫室支撐點位置示意圖Fig.4 The diagram of support points setting for solar greenhouse

結合8、9、10 m 跨日光溫室前屋面長度，設置不同位置的支撐點，每個位置的支撐點為一種工況。8 m 跨度中設置15 個支撐點位置，9 m 跨度中設置16 個支撐點位置，10 m 跨度中設置18 個支撐點位置，如表3 所示。對各位置支撐工況下的日光溫室骨架進行結構分析，計算日光溫室骨架的寬厚比、撓度、強度及穩(wěn)定性，在滿足結構安全的前提下，分析支撐點變化對骨架安全性的影響規(guī)律。

表3 8、9、10 m 跨日光溫室設置支撐點位置Table 3 Location of supporting points for 8 m, 9 m and 10 m span solar greenhouse

3.2 計算軟件

目前針對日光溫室的專用結構計算軟件主要有PKPM 軟件中針對溫室結構設計的GSCAD 模塊、盈建科軟件空間結構的溫室設計模塊，但在實際應用中均存在諸多不足。如PKPM 軟件中日光溫室的開間、跨度等為固定尺寸，不能根據(jù)實際進行更改，且對日光溫室的模型分析為二維結構模型建模，無法實際模擬縱向系桿等對日光溫室的作用，造成分析結果與實際不符。盈建科軟件空間結構中日光溫室可按照三維結構模型進行建模，但不能較好的模擬支撐位置的變化等。

本文計算采用MIDAS-Gen 有限元分析設計軟件，此軟件適用范圍廣泛，應用于工業(yè)建筑、民用建筑、地下工程以及大跨度鋼結構等方面的分析與設計[38-42]。MIDAS-Gen 軟件與上面兩個軟件相比，可以進行三維建模分析，充分考慮縱向系桿等對日光溫室結構的實際作用，對日光溫室的開間、跨度、高度等可靈活設計，可以使建立的模型與實際相符，使分析結果更加真實可靠。

3.3 計算參數(shù)

1）結構桿件

日光溫室拱架在 MIDAS-Gen 采用梁單元形式進行設計，采用直線單元擬合成圓弧線段。

2）支座形式

單拱實腹式拱架與前柱腳的聯(lián)接通常有鉸接和固接2 種形式；與后墻連接則大多采用固接形式，如通過澆筑圈梁將拱架與支座錨固。為便于計算，本研究采用“上下固接”支座條件進行計算。

3.4 指標分析

在上述不同位置的支撐情況下，采用MIDAS-Gen 軟件計算8、9、10 m 跨度日光溫室在表3 中所列荷載工況條件下拱桿的寬厚比、撓度及應力比系數(shù)等強度及穩(wěn)定性指標。

1）寬厚比

日光溫室鋼結構構件寬厚比應符合國家標準[4]中 4.3構造要求的規(guī)定，方鋼管的寬厚比限值為45。

2）撓度

結構構件計算還應按正常使用極限狀態(tài)設計時，采用荷載效應的標準組合計算撓度變形，按照文獻[5]變形的規(guī)定，受彎構件豎向撓度δ限值為[L/250, 30 mm]，兩者取較小值。

3）應力比系數(shù)

按照現(xiàn)行國家標準《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》GB/T51183—2016[24]的規(guī)定，采用荷載效應基本組合，計算荷載效應組合的下溫室鋼骨架的最大應力值Sd，溫室鋼骨架未設置支撐時結構構件的最大應力值Sdm與設置支撐時的Sdn比較，分別獲得各個位置的支撐的應力比系數(shù)SF，按式（5）計算。

式中Sdm為未設置支撐時結構構件的最大應力值，N/mm2；Sdn為設置支撐時結構構件的最大應力值，N/mm2。

4 結果與分析

4.1 整體結構安全性

通過計算，3 種跨度日光溫室的寬厚比、長細比和撓度最大值如表4 所示。可以看出，在不同支撐工況 和 荷 載 組 合 下 ， 選 取 70mm×50mm×2.0mm、80mm×60nn×2.0mm、90mm×60mm×2.0mm 作為 8、9、10 m 跨日光溫室的實腹式主拱架截面尺寸，拱架結構的寬厚比和撓度最大值指標均滿足規(guī)范要求。

4.2 支撐位置變化對撓度的影響

日光溫室前屋面支撐設置的相對距離與撓度的變化關系如圖5 所示，可以看出3 種跨度下的變化曲線基本相似，即針對不同跨度的日光溫室，支撐相對距離RD 對撓度的影響規(guī)律相對一致。當支撐點由前屋面底腳處移動到RD 約30%位置，拱架撓度變化幅度較細微；當RD 由30%移動到屋脊位置這段過程，拱架撓度變化幅度較大，呈先降低后增加的趨勢，針對8、9、10 m 3 種跨度情況，最小撓度值分別出現(xiàn)在RD 為51%、66%和59%的位置，即當支撐點設置在上述位置，對應前屋面拱架撓度變形最小。最小撓度值依次為6.08、5.33 和7.33mm，與3 種跨度未設置支撐時的撓度值相比，撓度值可減少約59%、63%和60%，即設置支撐時可有效減小撓度值。

表4 前屋面拱架結構寬厚比、長細比、撓度最大值計算結果Table 4 Result of width-to-thickness ratio, slenderness ratio and maximum deflection for solar greenhouse south roof structure

圖5 8、9、10 m 跨日光溫室支撐相對距離（RD）與撓度關系圖Fig.5 Diagram of relative support distance (RD) and deflection of 8、9、10 m span solar greenhouse

4.3 支撐位置變化對應力比系數(shù)的影響

3 種跨度日光溫室的支撐相對距離與應力比系數(shù)的變化關系如圖 6 所示。與撓度變化相似，3 種跨度下的變化曲線基本一致。支撐點位置變化對骨架安全性產生顯著影響，在應力比系數(shù)分布上，隨著支撐點與前屋面距離的增加，呈現(xiàn)明顯的由低到高、由高到低的“孤峰”型分布特征，針對8、9、10 m 3 種跨度情況，最大應力比系數(shù)分別出現(xiàn)在 RD 為 51%、72%和71%的位置，即上述位置范圍是支撐點設置的最佳區(qū)域。

圖6 8、9、10 m 跨日光溫室支撐相對距離（RD）與應力比系數(shù)（SF）關系圖Fig.6 The relationship between relative distance and safety factor of 8、9、10 m span solar greenhouse

5 結 論

以實腹式日光溫室骨架為研究對象，針對北京地區(qū)，跨度為8、9、10 m 的3 種常見日光溫室剖面型式，分別計算出255 種荷載組合下，在日光溫室前屋面不同位置處設置支撐點對骨架強度及穩(wěn)定性的影響，形成如下結論：

1）通過在日光溫室前屋面適宜位置設置永久性支撐或臨時支撐，可有效減少拱架撓度變形量，最大可減少約63%，顯著提高骨架的結構安全性；

2）針對 8、9、10 m 跨度的日光溫室，最小撓度值及最大應力比系數(shù)均在相對距離（RD）為51%、66%和59%的位置，支撐相對距離對撓度變形及應力比系數(shù)的影響規(guī)律基本一致；

3）提高骨架結構安全性影響最大的支撐點設置最佳相對前屋面距離為51%～72%。

受日光溫室內部空間功能布局影響，研究結果在實際應用中還存在支撐點設置偏離最佳范圍的可能。另外，在支撐構件的截面選擇、支撐構件與上部骨架和地面的鉸接構造方式等方面還需另題研究。在1 個以上支撐點情況下骨架安全性的變化規(guī)律也有待研究深化。