輕簡型連棟塑料大棚結構設計及優化

2020-12-16 10:24:55 406

河北省蔬菜設施常見類型有日光溫室、連棟溫室和塑料大棚。連棟溫室目前大多用于育苗及果菜類的栽培、技術示范、旅游觀光等,主要分布于大中城市的現代農業園區,不適合在河北省大面積推廣應用。


塑料大棚面積在河北省設施面積中排名第二,常用的多為單拱棚,骨架大多為水泥竹木混合結構或竹木鋼管混合結構,因其造價低、裝拆方便,深受農戶青睞,但塑料大棚空間小,不利于機械化操作。


筆者研制了輕簡型連棟塑料大棚,該棚室是在連棟塑料大棚的基礎上,對基礎和和骨架進行了簡化改造設計而成。在節省材料降低經濟成本的同時,利用MIDAS GEN對輕簡型連棟塑料大棚進行了結構受力分析,并提出結構的優化方法。使得設計優化的輕簡型連棟塑料大棚既克服了塑料大棚空間小、不利于機械化操作的缺點,又較連棟塑料大棚降低了建造成本。

輕簡型連棟塑料大棚結構設計及優化


1結構設計

1.1結構參數

輕簡連棟雙膜塑料大棚單棟剖面圖見圖1。南北走向,東西排跨,總面積1760m2,南北長44m、東西寬40m,棟數5連棟,棟寬8m,開間寬4m,天溝處檐高2.0m,骨架脊高3.8m,天溝采用雙端排水,坡度為5‰。

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圖1 輕簡連棟雙膜塑料大棚單棟剖面


1.2基礎

采用獨立基礎。基礎按天溝方向雙向找坡5‰。


1.3骨架

包括立柱、腹桿、側托管、縱拉桿和天溝。立柱由主立柱和山墻副立柱組成,主立柱60mm×60mm×2.0mm矩形熱鍍鋅鋼管,間距4.0m;山墻副立柱32mm×1.8mm熱鍍鋅鋼管,間距1.0m。拱桿32mm×1.5mm熱鍍鋅鋼管,間距1.0m,腹桿25mm×1.5mm 熱鍍鋅鋼管。側托管采用40mm×40mm×2.0mm矩形熱鍍鋅鋼管。縱拉桿為25mm×1.4mm熱鍍鋅鋼管,每拱3道。天溝采用2.0mm的鍍鋅鋼板。聯接均采用螺栓和自攻螺絲聯接。


骨架安裝:首先進行立柱與預埋件的焊接,立柱間頂部用天溝連接,拱架搭接在天溝上面,縱拉桿與外拱骨架采用彈簧卡連接,排風口處固定卡槽。


2輕簡型連棟塑料大棚結構受力分析

2.1有限元模型建立

在有限元軟件MIDAS GEN中進行建模分析。結構骨架全部采用具有六自由度的一般梁單元,不考慮剪切變形。材料選擇Q235鋼材;覆蓋在大棚上的薄膜采用板單元模擬,方便模型中面荷載的施加,板單元容重值設置為0,使模型簡化處理不計入薄膜自重。


模型中的邊界條件采用一般支撐模擬,大棚基礎頂部預埋鋼板與上部鋼柱焊接,約束立柱底部節點的所有局部方向,按固定端約束條件施加。


大棚結構條形基礎及獨立基礎按天溝方向雙向找坡5‰,其對結構整體受力計算影響不大,因此模型中簡化處理,按統一標高建模。


大棚結構的整體尺寸圖、三維模型圖、主立柱截面、副立柱截面分別見圖2~5。

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圖2 輕簡連棟塑料大棚結構整體尺寸

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圖3 輕簡連棟塑料大棚三維模型

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圖4 輕簡連棟塑料大棚結構主立柱截面

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圖5 輕簡連棟塑料大棚副立柱截面


2.2荷載的確定

大棚結構荷載的正確分析和計算是實現結構安全性、耐久性、經濟性要求的重要保證。根據現行的溫室結構相關設計規范《農業溫室結構荷載規范》(GBT 51183—2016),并參照《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)等相關資料,對大棚結構的荷載進行確定。


恒載:輕簡型連棟塑料大棚的恒荷載主要為大棚鋼骨架的自重,添加自重靜力荷載工況,施加方向z軸向下,自重系數輸入-1,軟件則自動計入結構自重。


活載:本大棚活荷載包括屋面均布荷載,作物吊載,以及施工檢修荷載。根據規范《農業溫室結構荷載規范》(GBT 51183—2016),屋面均布活荷載取0.1kN/m2;作物吊載是由于栽培作物需要,吊掛在日光溫室鋼骨架上的作物對結構或構件施加的荷載,其荷載大小與作物的種類、作物的栽培方式、作物的吊掛形式等有密切關系,作物吊載取0.15kN/m2;施工檢修集中荷載取1.0kN,作用在結構不利位置。


風荷載:根據《農業溫室結構荷載規范》(GBT 51183—2016)確定風荷載。基本風壓取0.5kN/m2;此大棚屬于非高層建筑,應采用風振體型系數來考慮風壓脈動的影響,風振系數βz取值1.0;風壓高度變化系數μz參考規范進行差值確定μz=0.742,其中地面的粗糙度類別取B類;溫室的風荷載體型系數μs與建筑物的體型、尺寸以及所在地風向情況有關,對于多跨連棟拱形屋面,依據《農業溫室結構荷載規范》來確定結構各個部位的μs值。


雪荷載:根據《農業溫室結構荷載規范》(GBT 51183—2016)確定雪荷載。大棚屋面積雪分布系數參考《農業溫室結構荷載規范》確定。在實際情況中,兩拱之間的凹陷區域易積雪,雪荷載在棚頂呈不均勻分布,因此需要考慮雪荷載均勻分布和不均勻分布兩種加載情況。


綜上所述,各荷載類別的取值以及分布情況見表1。

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2.3荷載組合

荷載組合時需要確定荷載分項系數及可變荷載組合值系數。對于荷載,當其效應對結構不利時,荷載分項系數取1.2,可變荷載取1.40;當有2個或2個以上的,可變荷載參與組合且其中包括風荷載時,可變荷載組合值系數取0.85,其他情況下取1.0。


拱形溫室的屋面所承受到的風荷載基本上屬于風吸力,對結構承載雪荷載是有利的,因此雪荷載和風荷載不同時參與荷載組合;屋面均布活荷載與雪荷載取二者中的較大值計入,不同時組合;棚頂覆蓋材料抵抗荷載的能力較低,而且大棚骨架整體剛度一般不大,因此對大棚對風雪作用十分敏感,設計中將風荷載和雪荷載作為控制荷載進行分析。


2.4基于MIDAS GEN的溫室結構力學分析

經過計算,各荷載組合下結構的位移值、值應力值如表2所示。由表2可知,結構在各荷載工況下,應力均在安全限值以內,滿足規范要求。但在以東西風荷載控制下的荷載組合4作用下,結構綜合位移為54.81mm,超出規范中對撓度要求的限值。


此大棚屋脊方向為每4m一個主立柱截面,主立柱截面拱桿設置拉弦及3個腹桿,相鄰2個主立柱截面間為每1m設一個副立柱截面,副立柱截面僅一單拱桿,無腹桿。荷載組合4作用下的單元位移云圖見圖6,位移峰值處于相鄰2個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上。

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圖6 荷載組合4作用下單元位移云


由規范可得輕簡型連棟塑料大棚風壓體形系數μs取值見圖7。在圖示方向的風荷載作用下,由于拱形棚頂不同位置處風壓體型系數的變化,在左側一棟棚頂處,風荷載由垂直作用面向內的壓力形式過渡為為垂直作用面向外的風吸力,拱桿可近似看做受扭狀態,且由于副立柱截面的拱桿無腹桿支撐,因此易產生很大撓度,相鄰2個主立柱截面間有3個副立柱截面,正中間截面的拱桿距2個剛度較大的主立柱截面遠,因此產生位移。

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圖7 輕簡型連棟塑料大棚風壓體形系數μs


3輕簡型連棟塑料大棚結構優化

對原結構在構造上進行優化處理,在相鄰2個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上增加一根腹桿,用來減小結構的位移。所添加腹桿每根長度約7.4m,全大棚共計22個可優化截面,共約163m。添加腹桿仍采用25mm×1.5mm熱鍍鋅鋼管。優化方案示意圖見圖8。

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圖8 優化方案示意


對優化方案進行模型計算分析,并得到結構優化前后的數據對比,如表3所示。由表3可知,優化后的結構反應量值均滿足安全限值要求,優化方案合理可靠。

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4結論

該研究對初步設計的輕簡型連棟塑料大棚的荷載分析表明,結構在東西向風荷載控制的荷載工況作用下,出現位移54.81mm,超出規范許用值。在其他荷載工況下,結構的位移和應力等各項指標均符合要求。針對不利荷載作用下結構的表現,進行結構優化,在相鄰兩個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上增加一根腹桿,用來減小結構的位移。對采取優化方案后的結構進行計算分析,得到優化方案結果合理可靠的結論,為擬建者提供了合理的優化選擇。


優化后的輕簡型連棟塑料大棚作為一種新型大棚,與普通連棟塑料大棚相比,棚室骨架脊高降低1.0m;四周的基礎由條形基礎簡化為獨立基礎;其拉桿和拱桿間的連接桿數量減少1倍,東西墻立柱采用尺寸較小的圓形副立柱與矩形主立柱結合形式,使得結構自重大大降低,節省了材料,降低了經濟成本。


輕簡型連棟塑料大棚采用熱鍍鋅輕鋼結構裝配而成,具有骨架輕、防腐性能好、壽命長、重量輕、安裝使用方便和適宜標準化作業的優點。經過近幾年的生產實踐和推廣,輕簡型連棟塑料大棚可以作為普通塑料大棚的替代棚型,其應用對提高連棟塑料大棚產投比和河北省蔬菜產業現代化生產具有一定的積極作用。

作者:郄麗娟,韓建會*

單位:河北省農林科學院經濟作物研究所

簡介:郄麗娟,副研究員,碩士,從事棚室結構優化及蔬菜栽培研究。*通信作者,研究員,從事棚室的設計及建造工作。

基金項目:重點研發計劃課題(2016YFD0201006);河北省科技支撐計劃項目(18227214D);大宗蔬菜產業技術體系石家莊綜合試驗站項目(CARS-2S-G-05);河北省第三批“巨人計劃”——蔬菜科研創新團隊項目。