日光温室荷载组合方法及应用

荷载组合是日光温室结构设计的前提和依据，为了使工程设计人员科学认识和正确使用荷载组合，需要对日光温室的荷载特点、组合效应进行分析和构建。该研究分析了日光温室荷载的特征，通过分析国家规范体系中对结构设计荷载组合的要求，并以北京地区日光温室为例，分析了12个荷载工况下温室骨架的最大应力比，表明多种可变荷载成为主导荷载的可能性；研究提出了基于精确分析所有可能荷载组合的逻辑、方法，并在此基础上研发了日光温室全荷载组合自动生成软件；继续以北京地区日光温室为例，分析了该日光温室在1 216种荷载组合下的最大应力比，与当前普遍采用的预估等简化设计方式进行了比较。分析表明，采用部分荷载组合的日光温室简化设计方法没有涵盖算例中所出现的最不利荷载组合方式，存在组合上的漏洞，而采用"全荷载组合"进行结构分析是必要的、科学的，可以作为新国家规范要求下荷载组合取值的具体方法。应用表明，在电算化条件下，运算时间不到1 s，在工程设计中是高效的。研究结果具有较强的现实意义，可在满足现行国家标准的前提下，直接应用于日光温室工程设计、专业软件开发、既有软件改造升级之中。     

日光温室的结构优化

根据力学原理，推出了有柱式和无柱式日光温室受力骨架内力的计算公式；根据日光温室的受力特点，提出了日光温室荷载的取值方法和组合原理；根据优化设计原理，提出了日光温室优化设计的设计框图。     

雪荷载作用下几字型钢日光温室极限承载力分析

雪灾是导致日光温室倒塌的主要原因之一。为探明几字型钢日光温室在雪荷载作用下的失稳机理,该研究采用有限单元法,以8 m跨日光温室为研究对象,模拟其在雪荷载（均匀分布雪荷载和非均匀分布雪荷载）作用下的失稳破坏过程,计算其极限承载力,并探究纵向系杆、初始几何缺陷、截面参数对极限承载力的影响。结果表明：对于净截面面积、上翼缘宽度、腹板高度和壁厚均相同的几字型钢和空心矩形钢管,几字型钢日光温室极限承载力稍高于空心矩形钢管日光温室极限承载力;相较于均匀分布雪荷载,日光温室拱架对非均匀分布雪荷载更为敏感,非均匀分布雪荷载作用下的极限承载力约是均匀分布雪荷载作用下的28%,在日光温室结构设计中,应重点考虑非均匀分布雪荷载工况;在非均匀分布雪荷载作用下,屋脊和后屋面支座处为危险截面,最先进入全截面屈服状态;纵向系杆的设置可有效抑制结构平面外变形,进而提高结构极限承载力,有纵向系杆约束条件下的结构极限承载力约是无纵向系杆约束条件下的1.25倍;该日光温室拱架对初始几何缺陷敏感度较低,当最大初始几何缺陷幅值从5 mm增加到20 mm时,极限承载力降低约2%;在几字型钢截面选取时,在满足规范要求宽厚比前提下,建议上翼缘宽度与翻边宽度之比控制在4.17左右,腹板高度与翻边宽度之比不大于9.25,下翼缘宽度与翻边宽度之比不大于1.7,上翼缘宽度与下翼缘宽度之比控制在3.33左右,腹板高度与下翼缘宽度之比控制在4.67左右。该研究结果可为开口冷弯薄壁型钢日光温室拱架抗雪设计提供参考。     

薄膜承载力及其对日光温室结构稳定性能的影响

为研究薄膜对日光温室结构抗灾害垮塌性能的影响,采用 ANSYS 有限元分析软件,模拟了单片薄膜受风雪、冰雹荷载作用情景,分析了薄膜厚度、尺寸（长度×宽度）、预张力和外荷载对单膜承载力的影响,建立了日光温室结构单榀拱架、无膜空间整体骨架、覆膜空间整体骨架3种计算模型,得到了风雪灾害下日光温室结构破坏全过程以及覆膜日光温室结构空间系数,探讨了薄膜厚度、弹性模量、预张力等参数改变时,薄膜张拉刚化效应对日光温室结构稳定性能的影响。结果表明：薄膜尺寸（长度×宽度）和厚度是影响其承载性能的主要因素,同时应适当考虑薄膜长宽比影响;0.2 mm厚的薄膜可满足特强冰雹的防灾要求;薄膜张拉刚化效应有助于提高日光温室结构抗风承载力,对抗雪承载力影响不大;各分析参数中,薄膜弹性模量对日光温室结构空间系数的影响不明显。研究结果为覆膜日光温室结构抗风雪、抗冰雹灾害设计提供参考。     

大棚型日光温室设计及光效应初探

大棚型温室是针对目前北方高寒地区日光温室春夏秋主要生产季节光照条件差的问题而设计的.通过实验测试、分析及建造成本比较认为大棚型温室的建造成本比土打墙日光温室稍高,而显著低于砖墙日光温室.大棚型温室内光照条件在5、6、7月份,无论晴天还是阴天均优于日光温室,特别在温室的北部表现更为突出.良好的光照条件为温室高产、优质奠定了基础.     

大棚型日光温室设计及光效应初探

大棚型温室是针对目前北方高寒地区日光温室春夏秋主要生产季节光照条件差的问题而设计的。通过实验测试、分析及建造成本比较认为：大棚型温室的建造成本比土打墙日光温室稍高，而显著低于砖墙日光温室。大棚型温室内光照条件在5、6、7月份，无论晴天还是阴天均优于日光温室，特别在温室的北部表现更为突出。良好的光照条件为温室高产、优质奠定了基础。     

日光温室卷帘机荷载实时测量系统设计与试验

依据日光温室卷帘机的工作环境和特点,基于虚拟仪器技术,在LabVIEW2010平台上设计开发了一套卷帘机荷载实时测量系统,据此进行了常用类型卷帘机的工作荷载在线实测,分别测量了卷绳式卷帘机和卷轴式卷帘机的实时工作荷载变化情况,测量总体数据误差不超过±6 N·m。结果表明,侧置卷轴上推式卷帘机最大工作负荷出现在温室顶部,后置卷绳上拉式卷帘机最大工作负荷具有位置不确定性;卷绳式卷帘机的工作负荷远小于卷轴式卷帘机;目前生产中实际使用的卷绳式卷帘机的最大输出荷载过大。该研究成果为卷帘机的设计、选用提供依据。     

北方地区日光温室气象灾害风险评价

利用北方典型日光温室室内以及相应台站气象数据,建立基于BP神经网络的室内气温预报模型,以此预报北方243个台站1990-2009年室内气温,利用预报的室内气温数据及室外降水、日照、风速等气象数据和主要气象灾害指标,构建基于实数编码的加速遗传算法(Real-code accelerating genetic algorithm,RAGA)和投影寻踪(Projection pursuit evaluate,PPE)的日光温室气象灾害风险评价模型,并对北方地区日光温室主要生产月气象灾害风险进行逐月评价.结果表明,北方日光温室室内气温预报值与实际观测值的标准误差在0.89～1.54℃,方程决定系数在0.87 ～0.94.北方地区日光温室1-3月的气象灾害风险等级较高,分布在天山以北、大兴安岭以北的地区和西藏地区,主要是低温和大风沙尘天气.9月气象灾害风险等级最低,分布在长城以南,黄河以北地区,主要是低温.本研究构建的北方地区日光温室气象灾害风险评价模型可为日光温室气象灾害风险区划和防御提供决策支持.     

高纬度地区多功能日光温室设计

高纬度地区的传统日光温室常由于结构设计不合理,冬季生产需要补温,果蔬种植和加工环节分离,运输中容易发生冻害,制约该地区温室的冬季生产。该文基于传统日光温室优点及存在问题,结合高寒地区气候特点,从温室结构优化和功能创新2方面提出新型日光温室设计方案。利用经典温室设计理论,结合生产实际,对采光角度、前屋面弧度、保温性能等进行优化,并对雪荷载、风荷载、屋面活荷载、作物吊挂荷载进行计算,利用结构分析软件midas计算温室结构的受力稳定性,对温室各参数设计的合理性进行验证。优化结果为:总跨度16 m,一层种植部分跨度9 m,生产加工部分跨度7 m,总高度6.5 m,前屋面主采光角37°,土地利用率达到1.7。该设计实现了高纬度地区温室冬季不加温种植果蔬,利用传统温室后墙的遮阴部分,创造地上、地下3层使用空间,显著提高了土地利用率,实现种植、加工、存储多种功能集成,是高纬度地区日光温室的一种创新尝试,可以作为棚室种植园区的核心节点温室。     

北墙不同外倾角对日光温室表面风压与体型系数的影响

为探明日光温室北墙外倾角的改变对其屋面风压系数和风荷载体型系数的影响,该研究基于计算流体力学原理,采用数值模拟方法,考虑北风和西北风2种风向,研究了不同北墙外倾角下日光温室表面风压分布规律,并给出不同北墙外倾角情况下的细化分区风荷载体型系数。结果显示：1）风压分布规律为：北风和西北风时日光温室前屋面和后屋面上半部风压系数为负,屋脊处和东、西边缘风吸力集中;随北墙外倾角减小,前屋面上部和后屋面风压系数绝对值明显减小,前屋面下部风压系数无显著变化。2）风荷载体型系数规律：北风时,以北墙外倾角90°（即竖直）为参照,外倾角减至30°可使前屋面上部体型系数的绝对值减小16%～26%,可使前屋面下部体型系数的绝对值增大6%～57%,可使后屋面体型系数绝对值减至0左右;西北风时,前屋面上部和后屋面体型系数绝对值均为西端大、东端小,前屋面下部体型系数绝对值为中间大两端小,屋面风荷载体型系数随北墙外倾角的变化不显著。因此,北墙外倾角的变化导致日光温室屋面风荷载分布发生变化较大,对日光温室结构的抗风性能影响较大,建议日光温室屋面风荷载计算应考虑北墙外倾角的影响,抗风设计时可合理选择北墙外倾角以减小屋面风荷载,边榀骨架结构和围护结构的边缘处需加强。     

对中国温室型号规范化编制的探讨

“九五”期间我国以温室为主体的设施园艺事业蓬勃发展,但由于没有全国统一的温室规格标识方法,各温室厂家对温室的编号和命名比较混乱,给用户甚至业内人士选择和辨识温室带来很大困难,也给温室制造和生产造成很多不必要的浪费。该文在分析我国温室规格主要命名方法及其优缺点和合理性的基础上,借鉴大棚国标规格标识方法,提出了通用温室的规格标识方法;并对中国的日光温室提出了一种特殊的规格标识方法,以形成我国温室、大棚、日光温室各成系统的比较全面的规格命名方法。     

温室设计必要通风量估算方法的确定及参数取值分析

估算必要通风量是温室通风设计确定通风机风量和数量、通风口尺寸和位置等硬件设施的前提,但实践中,通过比较满足排热、除湿和增加二氧化碳(carbon dioxide)CO_-2三方面需求而确定必要通风量的方法繁琐,缺少气象数据,温室受热面积修正系数、蒸腾蒸发热量损失系数、室外水平面太阳总辐射照度、室外计算温度、室内设计温度等参数难以确定。为解决这些问题和使农业行业标准《温室通风设计规范》修订版中推荐的必要通风量计算方法更具有操作性,该文分析了3种必要通风量计算方法与通风能力设计时最大必要通风量的关系;借鉴美国空气调节室外计算参数获得方法并采用中国可获得的气象数据,统计得出中国各地12个月份的室外水平面太阳总辐射照度和室外计算干球温度,解决了温室通风设计中无法针对不同使用期估算必要通风量的问题;另外通过分析中国温室主要结构形式、温室受热面积修正系数、蒸腾蒸发热量损失系数、当地气象以及作物叶面积指数等参数之间的关系,明确了温室受热面积修正系数等参数的取值方法。研究表明:通风能力设计时必要通风量应采用排除热量满足温度要求的方法计算。温室受热面积修正系数取值:连栋温室可在1.0~1.3范围内取值,夏季可取1.0~1.1,春秋季可取1.2~1.3,温室规模小、所在地纬度高的地区取较大值;日光温室可在1.0~1.5范围内取值,夏季可取1.0~1.2,春秋季可取1.3~1.5,其中所在地纬度高的地区可取较大值。蒸腾蒸发热量损失系数取值:可根据当地室外含湿量,育苗期在0.65~0.90之间选取,栽培期在0.80~1.15之间选取。     

南疆生产建设兵团日光温室建造中的主要技术问题调查分析

南疆具有较好的光热资源,是生产建设兵团(简称兵团)发展日光温室的主要区域和现代农业发展结构调整、方式转变实施的重点,但南疆日光温室大多由我国其他地区引进,温室的适宜性和针对性不强,存在的技术问题较多,尤其是建造技术方面,在当前快速发展的形势下,亟待研究、总结,以避免建设中出现新问题。通过选择南疆兵团4个师、40余个团场中50栋以上连片规模的日光温室项目进行调研,比较不同类型建造方式的环境调控效果和生产效果,对相关建造参数和技术措施进行针对性的研究测算。发现在总体造型设计、结构布置、构件设计、围护结构构造等方面,都存在一些突出的共性问题,诸如前屋面角偏小、骨架变形大等,造成了日光温室建设成本的浪费和功能缺陷。南疆兵团日光温室需要在建造技术研发推广、总体参数确定、后墙设计、骨架布置、后坡设置等方面加以改进,按照气候特征和作物需求,针对性的确定温室总体尺寸及结构形式;在新型日光温室引进方面要科学慎重;该文梳理出的问题在我国北方地区也很普遍,具有很好的典型性和代表性,完善南疆日光温室性能指标体系、揭示技术研究方向和重点,对新疆乃至中国北方部分地区日光温室的建造也有很强的指导意义。     

防虫网对节能日光温室通风性能影响的研究

自然通风是决定日光节能温室质能平衡和调节微生态环境平衡的重要因素。为了提高节能日光温室的环境管理和结构设计水平,有必要研究防虫网对日光温室通风性能的影响,以提高日光温室的绿色产品生产率。因此,运用气体衰减示踪技术和数理统计理论,研究了日光温室不同形式通风机构的通风性能。试验研究表明在通风口处装设防虫网会显著地减少日光温室的通风率,有时可高达50%。研究还表明,无论装设有无防虫网,卷膜通风机构比拉膜(推膜)通风机构都具有较大的通风率,有时前者是后者的1.4倍左右。     

不同农业管理措施对土壤线虫的影响

研究了不同农业管理措施对土壤线虫的影响,结果表明:日光温室中土壤线虫的优势种群为食细菌的小杆线虫(Rhabditis),常规农田中优势种群为食细菌的小杆线虫和植食性的螺旋线虫(Helicotylenchus),休闲地中优势种群为植食性线虫,包括螺旋线虫、盘旋线虫(Rotylenchus)和丝尾垫刃线虫(Filenchus);线虫的多样性、丰富度、ΣMI、EI、SI指数表明日光温室所受到土壤线虫的扰动最强,常规农田次之,休闲地所受干扰最小;PPI/MI、WI、BI、CI指数表明日光温室土壤营养丰富,常规农田和休闲地营养贫瘠.     

SE—Structures and Environment: The Penman–Monteith Evapotranspiration Equation as an Element in Greenhouse Ventilation Design

Transpiration is a major cooling mechanism of greenhouse crop canopies. The larger this energy dissipation component, the smaller the required ventilation rate. The evaporation coefficient, namely the fraction of the radiation load dissipated as latent heat, is therefore an important ventilation design parameter, of which designers have currently no more than qualitative knowledge. In an attempt to overcome this difficulty, the present study proposes to incorporate the Penman–Monteith evapotranspiration equation into the standard ventilation design formula. With this modification the design adapts automatically not only to different radiation loads and temperatures, but also to different humidity conditions. The new design formula can be modified for greenhouses with an evaporative cooling system, and either air temperature or crop temperature may be used as the design criterion. The applicability of this approach depends on the availability of reliable bulk Penman–Monteith coefficients, which may be improved by a joint analysis of data from different climatic regions.