地震作用在溫室荷載組合中的控制效應

胡 林，閆冬梅，周長吉※，閆俊月

（1.農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；2.中國船舶重工集團國際工程有限公司，北京 100021；3.農業農村部農業設施結構工程重點實驗室，北京 100125）

0 引 言

《中華人民共和國防震減災法》[1]第三十五條明確規定，除重大建設工程和可能發生嚴重次生災害的建設工程需要進行地震安全性評價并按安全性評價結果進行抗震設計外，其他建筑工程均應按照建設地區地震烈度區劃圖所確定的抗震設防要求進行抗震設防。溫室工程屬于建設工程的范疇，理應遵循國家法律法規。根據《建筑抗震設計規范》[2]中的條文要求，抗震設防烈度為 6度及以上地區的建筑，必須進行抗震設計，同時，抗震設防烈度為6度時，除特殊規定外，對乙、丙、丁類建筑可不進行地震作用計算。溫室的設計使用壽命一般不超過20年[3]，使用中作業管理人員不多，溫室破壞也不會產生次生災害，按照《建筑工程抗震設防分類標準》[4]的規定，可劃歸為丁類建筑。由此可以確定，在抗震設防烈度為 6度的區域建設溫室可以不進行地震作用計算，其他區域應按照相關規范進行地震作用計算。

由于中國溫室結構設計規范尚未出臺，溫室結構設計是否要嚴格按照《建筑抗震設計規范》[2]的要求進行設計一直是行業內爭論和糾結的一個問題。事實上，《建筑抗震設計規范》[2]也明確規定“行業有特殊要求的工業建筑，其抗震設計應按有關專門規定執行”。為此，國家發展和改革委員會、國家能源局、住房和城鄉建設部、交通運輸部等部門根據輸油（氣）管道、水電工程、水工建筑、核建筑、公路橋梁等不同建設工程的特點分別制定了相應的抗震設計規范[5-11]。

溫室建筑屬于農業工程的范疇，從結構類型看主要為組裝式薄壁輕鋼結構；從建筑形式看基本為單層結構，而且平、立面形式規則；從結構荷載看，由于屋面和墻面基本覆蓋以塑料薄膜和單層玻璃為主的透光覆蓋材料[12]，結構的自重很輕，地震作用引起結構的內力遠小于恒活風雪荷載下的內力，即使考慮地震作用，結構構件的最不利荷載工況在大部分地區也是被恒活風雪荷載組合所控制。

美國溫室制造業協會的《溫室結構設計荷載標準》[13]中明確提出“不必考慮地震作用”；歐盟溫室設計規范[14]中，按照承載能力極限狀態設計時，德國、希臘、意大利等 3國考慮地震作用，比利時、芬蘭、法國、荷蘭、挪威、葡萄牙、西班牙、英國等8國則不考慮地震作用；日本設施園藝協會提出的《園藝設施結構安全標準》[15]中提出溫室結構設計需計算地震作用。中國的臺灣地區因全島屬于高烈度區，溫室結構設計也要求進行地震作用組合[16]。

從上述不同國家和地區專用溫室結構設計規范看，日本和中國臺灣地區處于島嶼位置，希臘和意大利位于半島區域，地震活動強烈，德國也在全球地震帶上，這些國家和地區重視地震作用是客觀需要。而美國的西海岸沿岸也是全球地震帶，但從經濟利益考慮全美溫室設計都沒有規定需進行地震作用計算。中國除局部地域有強烈地震活動外，總體上不處于地震帶上。

受經濟水平的限制以及引進荷蘭和以色列等發達國家溫室的影響，國內溫室結構設計基本都沒有完全按照工業與民用建筑結構設計相關規范進行強度和變形設計。從實際的運行效果看，目前國內還沒有見到有關地震造成溫室倒塌的案例和報道。相關溫室抗震的研究僅限于理論層面[17-19]，與實際生產溫室基本沒有關系。所以，不論從國家規范層面還是從實際工程應用層面，相關溫室結構抗震設計的可操作性的設計依據目前國內都基本處于空白。

為了能準確確定溫室結構設計中地震作用的影響及作用效應，本文以屋面自重最大的文洛型玻璃溫室（透光覆蓋材料最重[20]，地震作用的效應最大）為研究對象，分析比較地震作用參與的荷載組合對結構的內力主控效應，由此來評判地震作用在溫室結構設計中的作用與地位，擬為中國溫室結構設計提出理論依據。

1 溫室分析結構方案

1.1 溫室結構形式選擇

玻璃溫室的結構形式主要有門式剛架結構、大屋面溫室屋面梁結構和荷蘭文洛型結構等。從國內實際生產應用的情況看，文洛型溫室占絕大多數，尤其近年來引進和建設的大規模蔬菜種植玻璃溫室基本都是文洛型結構[21]。因此，本文選擇文洛型結構為研究對象。

1.2 溫室建筑和結構構件的尺寸確定

文洛型溫室的標準跨度為 6.4 m，開間為 3.0 m。近年來，隨著機械化作業水平的提高，溫室建設要求盡量減少溫室內立柱的數量，由此溫室建設開始向更大跨度和開間方向發展。目前國內采用的文洛型溫室的跨度主要為 8.0 、9.6 、10.8 m，其中以 9.6 m跨度應用最多，在開間方向，國內文洛型溫室多采用4.0 、4.5 、5.0 m的模數。結合生產實際綜合考慮，本文確定文洛型溫室以跨度9.6 m，開間4.5 m為基本單元進行建筑平面布置。

按照《建筑抗震設計規范》[2]的要求，規則建筑和不規則建筑在地震作用下的效應有較大的差異，應分類計算。這里所述的規則建筑和不規則建筑對溫室來講主要表現為平面形狀的不同。規則溫室主要有長條形和正方形兩種形式，平面凹進尺寸大于相應投影方向總尺寸30%的缺角型溫室為不規則溫室[2]。

按照上述原則，本文選擇確定了3種溫室建筑平面：①接近正方形的6跨10開間（A模型，圖1a）；②長條形的2跨10開間（B模型，圖1b）；③L型的6跨10開間（C模型，圖1c），其中A、B 模型為規則形平面，C模型為不規則平面。3種模型在高度方向尺寸保持相同，溫室檐高6.5 m、脊高7.17 m（圖1d）。

在結構設計上，桁架高度取520 mm，溫室兩側第3開間設柱間斜撐和屋面水平支撐（C模型凹角側因工藝布置要求將柱間斜撐和屋面水平支撐向內平移一個開間），兩側山墻中部設柱間支撐。結構材質為：鋼管 Q235B、鋼筋HPB300、鋁合金6063 T6。

A、C模型的主體鋼結構構件截面尺寸采用國內實際項目中的常用規格尺寸。B模型由于只有兩跨，橫向剛度較小，在采用和A、C模型同樣的構件尺寸計算后發現柱頂位移超過規范的容許值，因此將B模型的部分鋼柱截面加大直至計算結果滿足規范要求。3種模型的主體鋼結構構件截面尺寸詳見表1。其中側墻柱、山墻柱和角柱的尺寸主要依據中柱尺寸和構造要求來確定，同時對于天溝、屋面人字梁和屋脊梁 3種鋁合金構件，因軟件中無法對實際的鋁合金異型截面進行分析和設計，故以抗彎剛度相當的矩形截面等效替代。

表1 主體鋼結構構件截面尺寸Table 1 Section dimension of main steel structure component

2 溫室荷載及其組合

2.1 荷載選取原則

根據溫室工程設計經驗，絕大多數情況下地震對主體鋼結構的應力比不起控制作用。本文的荷載值將圍繞尋找地震起控制作用的分界點這個目標進行選取。

根據《農業溫室結構荷載規范》[3]和本文研究對象的工程實際情況，共設置9個荷載工況：永久荷載（D）、活載（L）、作物吊掛荷載（DG）、風荷載（Wx、Wy）、地震作用（Ex+、Ex-、Ey+、Ey-），其中L取屋面活荷載和雪荷載的較大值；下標x、y表示荷載作用方向為X軸、Y軸；+、-符號表示地震作用在同一個坐標軸的正反兩個方向。

對于雪荷載、作物吊掛荷載等豎向作用的荷載，由于其參與地震作用，對不考慮地震作用的a類荷載組合效應和考慮地震作用后增加的 e類荷載組合效應都有直接影響，無法直接判斷取值大小與a、e類荷載組合效應對比的關系，因此本文按國內可能出現的最小值和最大值分別取值計算。對于風荷載和地震作用，由于其均為水平荷載，同時風荷載的取值也不影響地震效應的大小，因此對風荷載按規范要求的最小值選取。

2.2 永久荷載

永久荷載包括鋼結構、透光覆蓋材料玻璃及其鑲嵌材料和室內遮陽保溫幕的自重。鋼結構構件的自重和玻璃及其鑲嵌框的自重（0.12 kN/m2）作用在溫室屋面和外墻上，室內遮陽保溫幕的自重（0.07 kN/m2）作用在桁架上弦上。

2.3 可變荷載

可變荷載包括屋面活荷載、風荷載、雪荷載和作物吊掛荷載。

1）屋面活荷載 依據《農業溫室結構荷載規范》[3]，屋面均布活荷載標準值取0.15 kN/m2。

2）雪荷載 雪荷載分為有雪和無雪兩種情況。溫室屋面覆蓋材料為玻璃，覆蓋材料熱阻值小、傳熱快，而且為保證溫室采光會在每次降雪后及時清理屋面積雪，因此在溫室結構設計中屋面雪荷載只需考慮單次降雪荷載即可。根據國家對降雪量等級的劃分[22]，最大等級為特大暴雪，其定義為24 h降水量達到30 mm，故本文有雪情況的雪荷載標準值取不小于0.30 kN/m2。

3）作物吊掛荷載 依據《農業溫室結構荷載規范》[3]，吊掛荷載按兩種情況考慮：種植溫室的最大吊掛荷載按小型盆栽類作物考慮，吊掛荷載取0.30 kN/m2，加載到桁架下弦；育苗溫室和葉菜生產溫室一般沒有作物吊掛荷載，僅布置噴灌機的設備吊掛荷載，吊掛荷載取0.07 kN/m2，加載到桁架下弦。

4）風荷載 依據《農業溫室結構荷載規范》[3]，基本風壓按最小值0.25 kN/m2取值，地面粗糙度取B類，風壓高度系數和體型系數按《農業溫室結構荷載規范》[3]取值。

2.4 地震作用

為找到地震作用的控制點，抗震設防烈度分別按 7度（0.10g）、7度（0.15g）、8度（0.20g）、8度（0.30g）、9度（0.40g）取值。場地類別為Ⅲ類，地震分組為第一組，阻尼比參考《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》[23]取0.05，采用CQC計算，自振周期折減系數取1.0。因玻璃溫室設計使用年限為20年，水平地震作用按照《建筑抗震設計規范》[2]的計算結果再考慮0.65的折減系數[24]。

溫室結構柱間斜撐及水平支撐由只承受拉力的拉桿組成，為幾何非線性模型，振型分解反應譜法是線性分析，無法給出拉桿的正確受力。在Gen軟件中需先采用線性模型進行特征值分析，得出 4個地震作用反應譜荷載工況（Rx+、Rx-、Ry+、Ry-）下的節點力，然后轉化成地震作用靜力荷載工況（Ex+、Ex-、Ey+、Ey-）下的節點荷載，再進行非線性分析。

2.5 荷載組合

為了直觀得出地震作用的效應是否起控制作用，本文將荷載組合分為兩大類，第一類是不考慮地震作用時的荷載組合，只采用5種荷載：D、L、DG、Wx、Wy，共40個荷載效應基本組合，簡稱a類荷載組合，其中組合a-1～a-20的恒載分項系數為1.0，組合a-21～a-40的恒載分項系數為0.95，詳見表2；第二類是考慮地震作用后增加的荷載組合，因風荷載和屋面活荷載不與地震作用同時組合，故共計8個荷載效應基本組合，簡稱e類荷載組合，其中恒載的分項系數根據《農業溫室結構荷載規范》[3]的要求只按1.0取值，詳見表3。

表2 不考慮地震作用的荷載組合（a類）Table 2 Load combinations without seismic action (class a)

表3 考慮地震作用后增加的荷載組合（e類）Table 3 Load combinations with seismic action (class e)

2.6 荷載組別

根據荷載取值和組合的不同，對于 A、B、C3個模型，各自分別采用 8個荷載組別進行分析設計，各組別對應的不同荷載工況標準值大小及用于計算的荷載組別編號詳見表4。

表4 荷載標準值取值及荷載組別編號Table 4 Load standard value and combination class

3 計算方法與結果分析

3.1 計算方法

Midas Gen是國際主流的空間有限元結構分析設計系統，可對文洛型溫室、國內外異形塑料大棚等各種復雜空間結構進行精細化分析，并按國內外多個國家的設計規范進行內力分析和強度驗算。本文采用該軟件進行非線性靜力分析，并根據《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》[25]自動進行構件強度驗算。

3.1.1 計算力學模型

1）構件單元類型

溫室的桁架腹桿兩端可按鉸接考慮，在 Midas Gen中采用桁架單元建模，柱間支撐和水平支撐采用大長細比的鋼筋作為拉桿，在軟件中采用只受拉單元建模，其余構件均采用梁單元建模。

2）柱底邊界條件

溫室柱底邊界條件根據不同項目的需求可按鉸接和固結進行設計，本文采用實際項目中常用的鉸接方式進行建模分析。

3）其余構件邊界條件

柱頂與天溝連接采用鉸接，人字梁與天溝采用鉸接，桁架上下弦與鋼柱連接采用鉸接。

3.1.2 判定指標

按照《農業溫室結構荷載規范》[3]的規定，承載能力極限狀態設計應按荷載的基本組合計算荷載組合的效應設計值，并滿足

式中0γ為結構重要性系數，Sd為荷載組合的效應設計值，N/mm2；Rd為結構構件抗力設計值，N/mm2。本文取為a類荷載組合的應力比，并應小于等于1.0。

按照《建筑抗震設計規范》[2]的規定，結構構件的截面抗震驗算應滿足

式中γRE為承載力抗震調整系數；S為包含地震作用的荷載組合效應設計值，N/mm2；R為結構構件承載力設計值，N/mm2。本文取為e類荷載組合的應力比，并應小于等于1.0。

根據《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》[25]，主要設計指標包括強度、穩定性、寬厚比、長細比等，其中寬厚比和長細比不隨荷載的變化而變化，因此本文通過對比不同荷載組合下的強度應力比和穩定應力比的最大值，來比較該結構在不同荷載組合下的安全性。

3.2 計算結果與分析

對表2和表3的不同荷載組合，應用Midas Gen軟件分別進行內力分析和強度驗算，給出各構件的最大應力比，并采用圖形和表格的形式進行輸出，如圖2。

對A、B、C這3個模型8個荷載組別（表4）進行分析和驗算，分別統計溫室主體結構中重要的五類構件（角柱、中柱、側墻柱、桁架上弦、桁架下弦）的最大應力比。

為了盡快找到地震作用主控的平衡點，減少重復計算工作量，先選取5個抗震設防烈度的中間值進行計算。在抗震設防烈度為 8度（0.20g）時，規則形平面布局的 A模型和B模型中，無論吊掛荷載和雪荷載取值多少，主要受力構件最大應力比均由不考慮地震作用的a類荷載組合控制（表5、表6），其中A模型的e類荷載組合應力比更接近a類荷載組合應力比，有可能在提高抗震設防烈度后會超過a類。但在平面布局不規則的C模型中，凹角處的角柱應力比明顯比A模型大，同時因平面不規則導致剛度不均勻，使得部分側墻柱在e類荷載組合下應力比增大，并最終導致4e組別的應力比略大于4a組別（0.31＞0.29），超越比例為7%（0.31/0.29-100%=7%），如表7。

表5 A模型8度（0.20g）構件最大應力比Table 5 Maximum stress ratio of model A in seismic intensity 8 degrees (0.20g)

表6 B模型8度（0.20g）構件最大應力比Table 6 Maximum stress ratio of model B in seismic intensity 8 degrees (0.20g)

表7 C模型8度（0.20g）構件最大應力比Table 7 Maximum stress ratio of model C in seismic intensity 8 degrees (0.20g)

編號No.

上述計算的風荷載是按照最小風荷載 0.25 kN/m2（相當于 8級風的風力）計算的。事實上，按照《農業溫室結構荷載規范》[3]，0.25 kN/m2的風荷載地區全國只有5個，而且這些地區的抗震烈度除云南省騰沖市外全部在7度及以下，即使風荷載提高到0.26 kN/m2，達到該荷載的地區也僅僅增加3個，且達到抗震烈度8度（0.20g）僅有云南省普洱市的思茅區（表8）。總體來講這些區域面積都很小，由此建議在抗震設防烈度8度（0.20g）區，不論是規則溫室還是不規則溫室均可以不考慮地震作用。

表8 中國最小風荷載地區的抗震設防烈度Table 8 Seismic intensity in areas with the smallest wind load in China

根據8度（0.20g）的計算結果推測，地震作用主控的平衡點就在 8度區。進一步將抗震設防烈度提高到 8度（0.30g）。計算發現，A模型的3e、4e組別中，中柱和側墻柱的最大應力比都超過3a、4a組別（表9）。由此表明，在抗震設防烈度為8度（0.30g）時，規則布局的溫室建筑地震作用也已經成為了主控荷載。所以，在抗震設防烈度達到8度（0.30g）時溫室結構設計應考慮地震的作用。

表9 A模型8度（0.30g）構件最大應力比Table 9 Maximum stress ratio of model A in seismic intensity 8 degrees (0.30g)

4 結論與建議

通過對典型的規則和不規則建筑平面文洛型玻璃溫室結構在地震作用參與和不參與的各種荷載組合下立柱和桁架的最大應力比的計算分析表明：

1）在抗震設防烈度為8度（0.20g）的地區，規則平面布置的文洛型玻璃溫室主體鋼結構構件的最大應力比主要由恒、活、風、雪荷載控制，地震作用不起控制作用。對于凹角等平面布置不規則的溫室，個別構件可能因剛度不均勻導致地震作用起控制作用，但計算結果顯示地震作用荷載組合下的最大應力比僅比恒、活、風、雪荷載組合下高7%，且本文風荷載僅按最小值 0.25 kN/m2取值，國內風荷載這么小的地區僅有 5個氣象站點，其中只有一個地區的抗震設防烈度達到8度（0.20g）。同時文洛型玻璃溫室的地震響應大于其他各種溫室，因此本文建議在8度（0.20g）及以下的地區，各類農業溫室在結構設計中可不考慮地震作用計算。

2）在抗震設防烈度為8度（0.30g）的地區，規則平面布置的文洛型玻璃溫室主體鋼結構構件的最大應力比由地震作用控制，且超過較多，因此建議在 8度（0.30g）及以上地區的玻璃溫室在結構設計中應考慮地震作用計算。