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。     

椭圆管单管拱架日光温室结构性能分析

为探明椭圆管单管拱架日光温室的结构性能,该研究以北京地区风雪荷载为例,选取8、9、10 m三种常见跨度的日光温室为研究对象,依据国家标准《农业温室结构荷载规范》和农业行业标准《日光温室设计规范》确定日光温室的建筑剖面尺寸以及荷载作用形式,主要研究日光温室在屋脊不同位置设置拉杆时,随着拉杆位置的不同,在保证结构安全的前提下,针对拱架两端与基础和后墙的不同连接形式、不同跨度以及不同的屋脊形式建立结构计算模型,运用3D3S软件计算分析拉杆设置位置的变化对单管拱架的内力影响。计算发现,不论拱架与后墙采用哪种连接形式,当拱架与基础采用固接时,设置拉杆时拱架的应力比系数最小为0.974,其余均大于1.0,此种连接形式都应避免设置拉杆;当拱架与基础采用铰接时,设置拉杆时拱架的应力比系数大部分小于1.0,应尽量增设拉杆;在拱架与基础采用铰接连接、与后墙采用固结连接时,不同跨度日光温室增设屋脊拉杆的作用效果呈现曲线变化态势,9 m跨度的日光温室设置拉杆后的应力比系数最小,为0.90,因此推荐温室的跨度以9 m为宜;对尖屋脊和圆弧屋脊日光温室拱架的内力分析发现,建议如果不设屋脊拉杆,温室的屋脊形式应尽量做成圆弧形,而设置屋脊拉杆后可将屋脊做成尖屋脊。该研究成果可为椭圆管单管拱架日光温室的结构设计提供理论支撑。     

柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室内力分析及结构优化

针对柔性材料围护椭圆管单管拱架日光温室跨度不断加大,而标准化管材市场供应截面单一带来的结构安全性问题,该研究基于北京地区的风、雪荷载,依据国家标准《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183-2016）和《农业温室结构设计标准》（GB/T 51424-2022）,选用截面80 mm×30 mm×2.0 mm（高×宽×壁厚）椭圆管,以12 m跨度日光温室为基准,使用Midas-Gen有限元软件建立模型,分析不同作物吊挂模式、后墙立柱不同结构形式以及拱架与基础不同连接形式对结构内力分布的影响,寻找结构最大应力最小的作物吊挂模式和结构形式。结果显示：柱脚铰接的单管拱架作物荷载2点吊挂时,出现强烈的局部应力集中,且作物荷载为主要控制荷载。其中后墙立柱作物吊挂点位置最大应力值为1146.7 N/mm²,其余位置平均应力值为445.4 N/mm²。作物荷载为3个吊挂点时,拱架应力系数为0.61,作物荷载退化为次要控制荷载;吊挂点个数≥4时,拱架应力系数降低到约0.51,作物荷载完全退出控制作用,拱架最大应力仍超出材料允许强度。因此,采用局部加强措施同时结合柱脚连接形式寻找更加合理的拱架结构,并最终提出该温室结构采用前柱脚铰接、后柱脚固接、后墙立柱为格构柱时结构的最大应力最小,应力分布最合理。研究可为北京地区柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室的结构形式和结构用材提供参考。     

日光温室前屋面支撑位置对实腹式骨架安全性的影响

为掌握日光温室前屋面支撑点设置位置对骨架结构安全性的影响规律,获得最佳支撑点位置设置区域,该研究以北京地区为例,选取8、9、10 m三种常见跨度的日光温室为研究对象,依据相关设计规范提出了3种跨度日光温室的建筑剖面并确定了荷载作用形式。假定在日光温室前屋面骨架设置一个支撑点,并且支撑点位置可以沿着前屋面骨架以每隔一段相对固定的距离(约为50 cm)进行变化,运用MIDAS-Gen软件分别计算对应的49种支撑工况、255种荷载组合下温室前屋面骨架的宽厚比、挠度和应力比系数等强度及稳定性指标。计算发现,在不同支撑工况和荷载组合下,分别选取70mm×50mm×2.0 mm、80 mm×60 mm×2.0 mm、90 mm×60 mm×2.0 mm作为8、9、10 m跨日光温室的实腹式主拱架截面,对应的拱杆宽厚比为33、38、43,挠度值最大为15.13、14.69、18.5mm,均满足规范要求。温室前屋面支撑点位置变化对骨架安全性产生显著的影响,挠度变形、应力比系数随支撑点位置的变化规律均呈现出"孤峰型"曲线特征,且3种跨度温室的曲线规律基本一致,在峰值附近是最佳的支撑设置区域,其中8、9、10 m跨日光温室相对于前屋面投影的最佳相对支撑位置分别为51%、72%和71%,在此位置区域内增加支撑可降低日光温室拱杆应力,减小挠度值。研究结果可为指导日光温室应急防灾、实腹式骨架系统研发等提供参考。     

考虑覆盖材料蒙皮效应的温室结构稳定承载力计算

为研究覆盖材料蒙皮效应对温室结构稳定承载力的影响,该文在考虑温室结构的实际工作状态、材料非线性和几何大变形的前提下,采用ANSYS有限元分析软件,选取华北型、文洛型和日光型3种温室结构类型,建立了单榀骨架、整体骨架、整体骨架覆盖薄膜、整体骨架覆盖玻璃和整体骨架覆盖PC板5种计算模型,模拟了风雪灾害下温室结构破坏的全过程,得到了其破坏模式和荷载与位移关系曲线,分析了温室结构的稳定承载力和空间作用效应,并给出了其极限荷载系数和稳定承载力提高系数。结果表明:考虑覆盖材料蒙皮效应时,雪荷载作用下温室结构易发生失稳破坏,风荷载作用下温室结构稳定承载力较高,温室结构抗雪灾能力低于抗风灾能力;荷载工况由风荷载控制时,覆盖材料使日光温室结构稳定承载力提高20%~50%,设计时可考虑相应蒙皮效应;荷载工况由雪荷载控制时,覆盖材料使华北型和文洛型温室结构稳定承载力分别提高1~2倍和1~4倍,设计时可考虑相应蒙皮效应;覆盖玻璃使温室结构稳定承载力提高20%~280%,覆盖PC板使之提高20%~240%,覆盖薄膜使之提高0~40%。研究成果可为温室结构抗风雪灾害设计提供参考。     

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。     

钢箍碳纤维布组合节点竹拱结构平面内稳定承载力试验

设计了一种钢箍碳纤维布组合节点,可以适应原竹管材的不规则性并对其进行有效接长,采用特定方法成拱,根据需要形成不同跨度的竹拱。为研究采用此连接节点的竹拱在全跨荷载作用下的平面内稳定承载能力、变形性能以及节点的连接性能,制作了2个10 m跨度的竹拱试件并进行平面内稳定承载力试验。试验结果表明:全跨荷载作用下,有平面外侧向支撑的竹拱试件在产生较大的平面内位移后,发生平面内反对称失稳;采用连接节点的竹拱延性好;节点在受荷全过程的连接性能良好,试件失稳后的破坏区域均处于临近节点的竹管部分。试验结果及有限元分析使进一步详细研究此类节点的受力机理、承载性能具有现实意义,同时推动此类节点竹拱结构的工程应用。     

斜拉杆增强温室双向网格型单层柱面网壳稳定性

拉杆式单层柱面网壳具有轻质、高强、透光好等优点,适用于温室结构设计。该文针对双向网格型单层柱面网壳刚度低这一特点,通过拉杆的布置方式增强结构整体刚度,基于有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对拉杆式温室网壳进行了弹性、弹塑性全过程分析,论证了拉杆布置方式的有效性,考察了拉杆预应力、初始几何缺陷、荷载不对称分布等因素对网壳极限承载力的影响。通过结构的失稳模态、塑性发展分布等特征响应,揭示了结构的失稳机理。为了使拉杆式温室网壳的安全可靠度得到有效的保证,采用"3σ"原则对塑性折减系数重新核定,取值范围为0.46~0.84。     

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。     

销栓型竹-混凝土组合结构的力学性能

为了研究销栓型竹-混凝土组合结构的组合效应,进行了竹-混凝土剪力连接件与竹-混凝土组合梁的力学性能试验与理论分析。研究结果表明:销栓型剪力连接件承受荷载时表现出较大的滑移变形能力,属于延性破坏,对于3个具有相同参数的销栓型竹-混凝土剪力连接件,其荷载-滑移曲线变化趋势具有较好的一致性,荷载-滑移曲线表现为弹性、弹塑性、完全塑性3个阶段;竹-混凝土组合梁的破坏模式表现为竹梁底部的竹纤维断裂,在加载后期,截面的界面上、下存在应变差,表现出部分组合界面滑移的特征,组合梁相对于对比竹梁,其极限荷载提高了89%,对应跨中位移为跨度1/250时的荷载提高了274%,归因于竹材和混凝土共同工作形成了组合截面,其承载力和截面刚度大幅度提高。基于试验结果,提出了销栓型剪力连接件荷载-滑移曲线模型,能够描述荷载-滑移曲线3个阶段的明显特征,可用于该类型竹-混凝土组合梁受力全过程的精细化数值分析,考虑剪力连接件的剪切滑移刚度,建议采用等效截面刚度法预测竹-混凝土组合梁的位移。结果表明,将等效截面刚度折减0.8的系数,荷载-位移曲线计算结果与试验结果吻合较好,研究成果为新型竹-混凝土组合结构的设计与应用提供参考。     

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。     

连栋温室钢结构框架稳定设计方法

在生产性连栋温室的结构设计中,稳定性分析是设计的关键,中国目前主要采用工业与民用建筑中传统的钢结构稳定性设计理论进行结构分析,既不能真实反映出温室这种薄壁小截面结构的真实力学反应特征,也增加了温室用钢量。该文利用当前钢结构稳定设计的最新理论研究和实践成果,在详细分析传统的计算长度系数法和修正计算长度系数法利弊的基础上,针对生产性连栋温室钢结构所具有的等高、有侧移失稳时具有整体失稳的特性,通过理论分析和大量的有限元计算比较,提出了一种能够考虑柱与柱相互作用的修正计算长度系数法和层稳定系数法。在当前温室中柱和边柱普遍采用不同截面的情况下,利用该文的方法对温室钢结构框架进行设计,可以取得较好的技术和经济效果。     

塑料温室拱结构雪载工况下极限承载力的非线性有限元分析

该文阐述了应用非线性有限元理论,对塑料温室拱结构在考虑初始缺陷条件下,进行极限承载力分析的方法。初始缺陷的模型是根据一致缺陷模态法,按最小特征值屈曲模态分布,并控制其最大值的方法确定。结构分析考虑双重非线性情况,采用弧长法跟踪整个荷载—位移全过程的平衡路径,确定极限承载力。该文以华东型连栋塑料温室在雪载工况下作实例分析,其计算结果与产品标定的承载力基本吻合,表明该方法具有较好的适用性。     

Venlo温室的荷载效应特征及其在工程中的应用

Venlo型温室是世界上硬质覆盖材料温室中使用量最大的结构形式，在中国也已经成为玻璃温室和PC板温室的首选结构。该文以Venlo温室钢结构中控制性关键构件边柱和相邻中柱为例，利用温室结构设计专用软件、采用结构有限元分析的方法对边柱和中柱在6种不同荷载组合方式和7种不同跨度下的荷载效应进行了计算，分析其在不同荷载组合和跨度数下的内力变化规律，将结果运用于温室柱网布置、构件材料分布、节点构造等工程设计中，可以有效提高Venlo型温室结构设计的科学性、安全性、降低结构用钢量。