雪荷载作用下几字型钢日光温室极限承载力分析.pdf

第38卷 第19期 农 业 工 程 学 报 Vol 38 No 19 172 2022年 10月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct 2022 雪荷载作用下几字型钢日光温室极限承载力分析 王 聪1 姜迎春2 徐占洋1 张 峰1 白义奎1 王铁良1 1 沈阳农业大学水利学院 沈阳 100866 2 沈阳农业大学工程学院 沈阳 100866 摘 要 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 关键词 温室 承载力 荷载 有限单元法 失稳破坏 冷弯薄壁型钢 开口截面 截面优化 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 19 019 中图分类号 S26 S625 1 TU261 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2022 19 0172 08 王聪 姜迎春 徐占洋 等 雪荷载作用下几字型钢日光温室极限承载力分析 J 农业工程学报 2022 38 19 172 179 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 19 019 http www tcsae org Wang Cong Jiang Yingchun Xu Zhanyang et al Ultimate bearing capacity of the solar greenhouse with hat shaped steel under snow loads J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 19 172 179 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 19 019 http www tcsae org 0 引 言 日光温室是一种具有中国特色 拥有自主知识产权的 设施类型 具有结构简单 节约能源 经济效益相对较高 等优点 1 作为一种农业建筑 其不仅要给植物提供适宜 的生长环境 还需具有抵抗风雪等外部荷载的能力 2 雪 灾是北方地区主要气象灾害之一 2021年11月 辽宁出 现特大暴雪天气 造成大量日光温室倒塌 从调查结果 来看 日光温室结构失效模式主要为失稳破坏 3 因此 了解日光温室结构在雪荷载作用下的失稳机理 对于提 高日光温室结构抗雪灾能力具有重要意义 从日光温室骨架形式来看 目前主要流行2种结构 形式 桁架结构和单管结构 桁架结构将构件的内力转 化为杆件的轴力 提高了截面的利用效率 在承载能力 方面具有显著优势 4 目前 国内学者针对桁架结构日光 温室的稳定性能 5 7 结构优化 8 10 节点设计 11 和动力 收稿日期 2022 08 30 修订日期 2022 09 30 基金项目 辽宁省重点研发项目 2021JH2 10200022 辽宁省科学研究经 费项目 LJKZ0689 国家建设高水平大学公派研究生项目 202108210256 沈阳农业大学研究生创新培育项目 2022YCXB02 作者简介 王聪 博士生 研究方向为农业设施与环境工程 Email congwang 通信作者 王铁良 教授 博士生导师 研究方向为农业设施与环境工程 Email tieliangwang 响应 12 13 等方面进行了较多研究 这些研究结果为桁架 结构日光温室应用与推广提供了理论依据 然而 桁架 结构存在用钢量大 标准化程度低 抗腐蚀性能差 焊 接工作量大且质量不易保证等缺点 近年来 随着日光温室结构向轻简化 装配化的方 向发展 单管结构日光温室逐步开始发展并越来越多的 应用在实际工程中 14 15 相较于桁架结构 单管结构具 有用钢量少 标准化程度高 抗腐蚀性能好 安装方便 等优点 目前 针对单管结构日光温室受力性能的研究 主要有 齐飞等 16 采用 全荷载组合 对平椭圆管日光 温室拱架进行结构分析 丁敏等 17 18 研究了覆盖材料蒙 皮效应对方管日光温室整体稳定性能的影响 闫冬梅等 19 运用3D3S软件研究了拉杆布置位置对椭圆管日光温室 拱架内力分布的影响 并建议在不设置屋脊拉杆情况下 尽量把屋脊做成圆弧形 针对单管骨架截面刚度和强度 较低等问题 齐飞等 20 21 基于临时加固策略研究了前屋 面竖向支撑对温室骨架安全性能的影响 并给出了支撑 数量和支撑位置的建议值 Wang等 22 24 运用ANSYS软 件对装配落地式单管日光温室拱架进行静力特性与动力 时程分析 白义奎等 25 对平椭圆单管日光温室进行全尺 寸加载试验 以上研究成果为单管结构日光温室防灾减 灾和应用推广提供了理论依据 值得指出的是 以上研究仅限于闭口截面的方管 农业生物环境与能源工程 第19期 王 聪等 雪荷载作用下几字型钢日光温室极限承载力分析 173 矩形管或平椭圆管 相较于闭口截面钢管 冷弯薄壁开 口截面型钢 如几字型钢 具有加工成本较低 制作工 艺简单 材料利用率较高等特点 因此 其在实际工程 中得到广泛应用 26 28 然而 由于开口截面属性 几字 型钢构件抗扭能力弱 截面形心与剪心不重合 在竖向 雪荷载作用下易发生失稳破坏 29 因此 探究几字型钢 日光温室拱架在雪荷载作用下的失稳机理 计算其极限 承载力 对于提高其抗雪灾能力具有重要意义 为此 本研究以几字型钢日光温室拱架为研究对象 采用ANSYS有限元分析软件 模拟其在雪荷载作用下的 失稳破坏过程 分析其破坏模式 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 从而寻求最优截面尺寸参数 为几字型钢日 光温室结构抗雪设计提供参考 1 温室结构参数 本文选取某跨度为8 m 脊高为3 8 m的日光温室为 研究对象 具体结构参数如图1所示 前屋面水平投影 6 5 m 后屋面水平投影1 5 m 后墙高2 3 m 后屋面角 45 为保证日光温室整体稳定性 在前屋面和屋脊处布 置4道纵向系杆 温室前后屋面拱架选用 b h a c t 50 mm 70 mm 15 mm 12 mm 2 mm冷弯薄壁几字型钢 截面尺寸如图2所示 图1 日光温室剖面示意图 Fig 1 Cross section of solar greenhouse 注 a为下翼缘宽度 mm b为上翼缘宽度 mm c为翻边宽度 mm h为腹板 高度 mm t为壁厚 mm Note a is the lower flange width mm b is the upper flange width mm c is the lip width mm h is the web depth mm t is the wall thickness mm 图2 几字型钢截面尺寸示意图 Fig 2 Schematic diagram of hat shaped steel section size 2 有限元模型 2 1 材料与单元类型 日光温室前后拱架均采用冷弯薄壁几字型钢 钢材 选用Q235 弹性模量206 GPa 泊松比0 3 钢材密度 7 850 kg m3 钢材按理想弹塑性材料考虑 为考虑几字型 钢翼缘和腹板可能发生局部屈曲问题 本研究采用 Shell181壳单元模拟日光温室拱架 同时 采用壳单元可 精确模拟纵向系杆对日光温室拱架侧向约束位置 2 2 荷载与边界条件 日光温室拱架自重由软件自动计算 根据 农业温 室结构荷载规范 GB T51183 2016 30 前屋面覆盖 15 mm厚发泡聚乙烯保温被 荷载取0 007 kN m2 后屋 面采用100 mm厚金属夹芯板 荷载取0 30 kN m2 温室 内固定设备荷载取0 07 kN m2 由于暂未确定吊挂方式 作物荷载按单位面积荷载计算 取0 15 kN m2 30 作用于 温室拱架上翼缘雪荷载水平投影值按式 1 计算 k r t 0s cs 1 式中sk为作用于温室拱架上翼缘雪荷载 kN m2 r为屋 面积雪分布系数 ct为加热影响系数 对于不加热日光温 室 取值为1 0 30 s0为基本雪压 kN m2 考虑到风致积雪漂移现象 本研究考虑2种雪荷载 分布模式 均匀分布雪荷载和非均匀分布雪荷载 2种雪 荷载分布模式下的积雪分布系数如图3所示 对于均匀 分布雪荷载 前屋面积雪分布系数 r由前屋面水平投影 L1 6 5 m 和脊高 H 3 8 m 确定 r 2 L1 8 H 0 43 后屋面积雪分布系数 r b 由后屋面角 45 确定 r b 0 8 60 30 0 40 对于非均匀分布雪荷载 日光温室前屋面积雪分布系数呈三角形分布 且最大值 在前屋面1 3处 覆盖保温被时 r m最大值可取2 0 30 后屋面积雪分布系数为0 75 r b 30 计算得0 30 a 均匀分布 a Uniform distribution b 非均匀分布 b Non uniform distribution 注 L 1为前屋面水平投影长度 m H为脊高 m 为后屋面角度 均匀分布雪荷载工况下 r为前屋面积雪分布系数 r b为后屋面积雪分布系数 非均匀分布雪荷载工况下 r m为按照覆盖保温被工况下前屋面积雪分布系数 Note L 1 is the projection width of front roof m H is the ridge height m is the back roof angle under uniform snow loads r is the distribution coefficient of snow on the front roof r b is the distribution coefficient of snow on the back roof under non uniform snow loads r m is the distribution coefficient of snow on the front roof under the condition of covering thermal blanket 图3 日光温室雪荷载分布系数图 Fig 3 Distribution coefficients of snow loads for solar greenhouse 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 174 根据 农业温室结构荷载规范 GB T51183 2016 30 日光温室按承载能力极限状态设计时 荷载基本组合的 效应设计值Sd 按式 2 计算 d G Gk Q1 Q1k Q c Qk 2 n i i iiS S S S 2 式中Sd为荷载基本组合的效应设计值 kN m2 G为永久 荷载分项系数 取值为1 0 30 SGk为永久荷载标准值计 算的荷载效应值 kN m2 Q1为主导可变荷载的分项系 数 对于雪荷载取值为1 2 30 SQ1k为主导可变荷载标准 值计算的荷载效应值 kN m2 Qi为第i个非主导可变荷 载的分项系数 对于屋面活荷载 作物荷载 移动设备 荷载均取1 2 30 ci为第i个非主导可变荷载的组合值系 数 取值为1 0 30 SQik为第i个非主导可变荷载标准值 计算的荷载效应值 kN m2 假定本研究日光温室拱架与基础和后墙均为固接 对于几字型钢日光温室 考虑纵向系杆对拱架侧向位移 的限制作用 在有限元模型中 约束纵向系杆与拱架下 翼缘连接节点处面外自由度 2 3 模型分析方法 本研究采用一致缺陷模态法考虑日光温室拱架初始 几何缺陷 在ANSYS分析过程中 首先对结构进行特征 值屈曲分析 将得到的一阶屈曲模态按照一定比例叠加 到理想模型中作为初始几何缺陷 在弹塑性非线性分析 过程中 打开大变形开关以考虑几何非线性 为完整追 踪荷载 位移曲线极限点后的平衡路径 即荷载 位移曲线 下降段 采用弧长法计算日光温室拱架整个破坏过程 3 结果与分析 3 1 失稳机理 为了分析开口截面与闭口截面日光温室拱架在雪荷 载作用下失稳机理 本研究选取净截面面积 上翼缘宽 度 腹板高度和壁厚均相等的几字型钢与空心矩形钢管 作对比 2种截面尺寸如图4所示 经计算 2种截面净 面积均为464 mm2 对于几字型钢 其绕z轴的惯性矩为 3 12 105 mm4 绕y轴的惯性矩为2 85 105 mm4 对于空 心矩形钢管 其绕z轴的惯性矩为3 27 105 mm4 绕y 轴的惯性矩为1 94 105 mm4 图4 截面尺寸示意图 Fig 4 Schematic diagram of section size 图5展示了在雪荷载作用下 2种截面日光温室拱架 屋脊节点荷载 位移曲线 由图5可知 在均匀和非均匀 分布2种雪荷载工况下 拱架荷载 位移曲线变化规律相 似 当荷载较小时 拱架主要发生绕z轴的整体弯曲变形 由于空心矩形钢管绕z 轴的惯性矩稍大于几字型钢绕z 轴的惯性矩 因此 在相同荷载作用下 空心矩形钢管 拱架位移低于几字型钢拱架 随着荷载进一步增加 拱 架截面出现局部屈曲 并伴随发生绕y轴的变形 由于几 字型钢绕y轴的惯性矩大于空心矩形钢管绕y轴的惯性 矩 致使几字型钢拱架极限承载力稍高于空心矩形钢管 拱架极限承载力 在均匀分布雪荷载作用下 空心矩形 钢管和几字型钢日光温室拱架极限承载力分别为4 13和 4 29 kN m2 2种截面日光温室拱架达到极限承载力时所 发生的位移分别为 26 90和39 34 mm 在非均匀分布雪 荷载作用下 空心矩形钢管和几字型钢日光温室拱架极 限承载力分别为1 17和1 21 kN m2 2种截面日光温室拱 架达到极限承载力时所发生的位移分别为28 17 和 40 70 mm 与均匀分布雪荷载作用下的极限承载力相比 此2种截面日光温室拱架在非均匀分布雪荷载作用下的 极限承载力仅为均匀分布雪荷载作用下的28 因此 此类日光温室拱架对非均匀分布雪荷载更为敏感 在温 室结构设计中 应重点关注非均匀分布雪荷载情况 在 接下来的分析过程中 主要讨论几字型钢日光温室拱架 在非均匀分布雪荷载作用下的失稳机理 注 A代表结构开始屈服 B代表结构达到极限承载力 C代表结构破坏 Note A means the structure begins to yield B means the structure reaches its ultimate bearing capacity C means the structure fails 图5 雪荷载作用下屋脊节点荷载 位移曲线 Fig 5 Load displacement curves of roof ridge under snow loads 为进一步了解几字型钢日光温室拱架在非均匀分布 雪荷载作用下的破坏过程 图6展示了该温室拱架在不 同雪荷载水平下的等效应力发展过程 由图6a可知 当 雪荷载为0 92 kN m2 时 温室屋脊和后屋面支座处开始 屈服 而其他区域均仍处于弹性状态 随着荷载的不断 增加 温室屋脊和后支座处塑性区开始由翼缘向腹板扩 展 同时 前屋面2 5跨度处 距离屋脊水平投影2 65 m 也开始进入屈服状态 当荷载达1 21 kN m2 时 图6b 屋脊和后屋面支座处全截面进入屈服状态 结构达到极 限承载力 当达到极限承载力之后 虽然降低雪荷载可 以减小屋脊处等效应力 图6c 然而 由于前屋面位 移持续增加 致使前屋面2 5跨度处截面应力持续增加 当前屋面2 5跨度处全截面进入屈服状态时 结构最终发 生破坏 第19期 王 聪等 雪荷载作用下几字型钢日光温室极限承载力分析 175 图6 非均匀分布雪荷载作用下等效应力 Fig 6 Equivalent stress of the greenhouse under non uniform snow loads 3 2 纵向系杆对极限承载力的影响 纵向系杆不仅可以传递荷载 还可以为日光温室拱 架提供平面外侧向支撑 从而提高日光温室拱架平面外 稳定性 本研究日光温室在前屋面和屋脊处布置4道纵 向系杆 图1 在有限元分析过程中 通过约束纵向 系杆与拱架连接节点处侧向位移来考虑纵向系杆对拱 架支撑作用 图7为非均匀分布雪荷载作用下 几字型 钢日光温室屋脊节点处荷载 位移曲线 由图7可知 对于几字型钢日光温室拱架 纵向系杆可有效抑制拱架 平面外变形 从而提高拱架极限承载力 有纵向系杆约 束条件下的极限承载力约是无纵向系杆约束条件下极 限承载力的1 25倍 因此 有效布置纵向系杆对提高 几字型钢日光温室拱架极限承载力具有重要意义 图7 有无系杆约束下荷载 位移曲线 Fig 7 Load displacement curves with or without tie bar 3 3 初始几何缺陷对极限承载力的影响 日光温室拱架在制作 运输和组装过程中不可避免 产生初始几何缺陷 由于初始几何缺陷的存在 加剧了 荷载的二次效应 进而降低结构极限承载力 为了探究 初始几何缺陷对拱架极限承载力的影响 本研究采用一 致缺陷模态法获得拱架初始几何缺陷 即假设拱架初始 几何缺陷分布与其最低阶屈曲模态一致 其初始几何缺 陷如图8a所示 图8b为不同初始几何缺陷幅值下 几字 型钢日光温室拱架在非均匀分布雪荷载作用下的荷载 位 移曲线 由图8b可知 该日光温室拱架极限承载力随初 始几何缺陷幅值的增加而降低 当初始几何缺陷幅值从 5 mm增加到20 mm时 极限承载力降低了约2 说明 该日光温室拱架对初始几何缺陷敏感度较低 a 初始几何缺陷示意图 俯视图 a Schematic diagram of initial geometric imperfection top view b 荷载 位移曲线 b Load displacement curves 图8 初始几何缺陷对极限承载力的影响 Fig 8 Effects of initial geometric imperfection on the ultimate bearing capacity 3 4 截面参数对极限承载力的影响 当前 几字型钢截面尺寸的选取往往依据建造者经 验 且缺乏相关规范参考 本节中 以截面尺寸b 50 mm h 70 mm a 15 mm c 12 mm t 2 mm的几字型钢为 原型 在保证净截面面积 即用钢量不变的条件下 通 过改变任意2个截面参数 来探究不同截面参数对几字 型钢日光温室拱架极限承载力的影响 进而为几字型钢 日光温室拱架截面选取提供参考 3 4 1 上翼缘宽度和翻边宽度 首先 在保证净截面面积 腹板高度 下翼缘宽度 和壁厚不变的情况下 探究上翼缘宽度和翻边宽度对极 限承载力的影响 经计算 当腹板高度h 70 mm 下翼 缘宽度a 15 mm 壁厚t 2 mm 为保证净截面面积不变 上翼缘宽度 b 与翻边宽度 c 需满足b 2c 74 mm 当上翼缘宽度从30 mm增加到70 mm时 翻边宽度则从 22 mm降到2 mm 相应上翼缘宽度与翻边宽度之比则从 1 36增加到35 图9为非均匀分布雪荷载作用下 上翼 缘宽度与翻边宽度之比对极限承载力的影响 由图9可 知 随着上翼缘宽度与翻边宽度之比从1 36增加到35 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 176 极限承载力呈先增加后降低的变化规律 当上翼缘宽度 与翻边宽度之比小于4 17时 极限承载力随上翼缘宽度 与翻边宽度之比的增加而增加 当上翼缘宽度与翻边宽 度之比大于4 17时 极限承载力随上翼缘宽度与翻边宽 度之比的增加而降低 这是由于当上翼缘宽度增加到一 定程度时 上翼缘开始出现局部屈曲 此外 随着翻边 宽度的减小 翻边对下翼缘的约束作用减弱 致使极限 承载力下降 当上翼缘宽度与翻边宽度之比从4 17增加 到35时 极限承载力下降约13 因此 建议几字型钢 上翼缘宽度与翻边宽度之比宜控制在4 17左右 注 此分析为非均匀分布雪荷载工况 下同 Note This analysis is performed under non uniform snow loads The same below 图9 上翼缘宽度与翻边宽度之比对极限承载力的影响 Fig 9 Effects of the ratio of upper flange width to lip width on the ultimate bearing capacity 3 4 2 腹板高度和翻边宽度 在保证净截面面积 上翼缘宽度 下翼缘宽度和壁 厚不变的情况下 探究腹板高度和翻边宽度对极限承载 力的影响 经计算 当上翼缘宽度b 50 mm 下翼缘宽 度a 15 mm 壁厚t 2 mm 为保证净截面面积不变 腹 板高度 h 与翻边宽度 c 需满足h c 82 mm 当腹 板高度从60 mm增加到80 mm时 翻边宽度则从22 mm 降到2 mm 相应腹板高度与翻边宽度之比则从2 72增加 到40 图10为非均匀分布雪荷载作用下 腹板高度与翻 边宽度之比对极限承载力的影响 由图10可知 当腹板 高度与翻边宽度之比小于9 25时 极限承载力随腹板高 度与翻边宽度之比的增加而增加 当腹板高度与翻边宽 度之比从2 72增加到9 25时 极限承载力增加约30 而当腹板高度与翻边宽度之比大于9 25时 极限承载力 几乎保持不变 这是由于当腹板增加到一定高度时 腹 板开始出现屈曲 结构极限承载力由腹板局部屈曲荷载 控制 因此 进一步增加腹板高度并不能提高结构极限 承载力 建议几字型钢腹板高度与翻边宽度之比不大于 9 25 3 4 3 下翼缘宽度和翻边宽度 在保证净截面面积 上翼缘宽度 腹板高度和壁厚 不变的情况下 探究下翼缘宽度和翻边宽度对极限承载 力的影响 经计算 当上翼缘宽度b 50 mm 腹板高度 h 70 mm 壁厚t 2 mm 为保证净截面面积不变 下翼 缘宽度 a 与翻边宽度 c 需满足a c 27 mm 当下 翼缘宽度从5 mm增加到25 mm时 翻边宽度则从22 mm 降到2 mm 相应下翼缘宽度与翻边宽度之比则从0 23增 加到12 5 图11为非均匀分布雪荷载作用下 下翼缘宽 度与翻边宽度之比对极限承载力的影响 由图11可知 当下翼缘宽度与翻边宽度之比小于1 7时 极限承载力随 下翼缘宽度与翻边宽度之比增加而增加 当下翼缘宽度 与翻边宽度之比从0 23增加到1 7时 极限承载力提高 约41 因此 在不增加净截面面积 翼缘宽度和腹板 高度的情况下 仅通过改变下翼缘宽度与翻边宽度之比 即可有效提升拱架极限承载力 然而 当下翼缘宽度与 翻边宽度之比大于1 7时 极限承载力几乎不再随着下翼 缘宽度与翻边宽度之比增加而增加 原因为 随着翻边宽 度的减小 翻边对下翼缘的约束减弱 同时 随着下翼缘 宽度的增加 下翼缘出现局部屈曲现象 此时拱架极限承 载力由下翼缘局部屈曲荷载控制 因此 建议几字型钢下 翼缘宽度与翻边宽度之比不大于1 7 图10 腹板高度与翻边宽度之比对极限承载力的影响 Fig 10 Effects of the ratio of web depth to lip width on the ultimate bearing capacity 图11 下翼缘宽度与翻边宽度之比对极限承载力的影响 Fig 11 Effects of the ratio of lower flange width to lip width on the ultimate bearing capacity 3 4 4 上翼缘宽度和下翼缘宽度 在保证净截面面积 腹板高度 翻边宽度和壁厚不 变的情况下 探究上翼缘宽度和下翼缘宽度对极限承载 力的影响 经计算 当腹板高度h 70 mm 翻边宽度 c 12 mm 壁厚t 2 mm 为保证净截面面积不变 上翼 缘宽度 b 与下翼缘宽度 a 需满足b 2a 80 mm 当 上翼缘宽度从30 mm增加到70 mm时 下翼缘宽度则从 25 mm降到5 mm 相应上翼缘宽度与下翼缘宽度之比从 第19期 王 聪等 雪荷载作用下几字型钢日光温室极限承载力分析 177 1 2增加到14 图12为非均匀分布雪荷载作用下 上翼 缘宽度与下翼缘宽度之比对极限承载力的影响 由图12 可知 随着上翼缘宽度与下翼缘宽度之比的增加 极限 承载力先上升后下降 当上翼缘宽度与下翼缘宽度之比 小于3 33时 极限承载力随上翼缘宽度与下翼缘宽度之 比的增加而增加 而当上翼缘宽度与下翼缘宽度之比大 于3 33时 极限承载力随上翼缘宽度与下翼缘宽度之比 的增加而急剧下降 这是由于随着上翼缘宽度的增加 腹板对上翼缘的约束作用减弱 同时 上翼缘宽度的增 加致使其发生局部屈曲现象 此外 随着下翼缘宽度的 减小 下翼缘对腹板的约束作用减弱 致使腹板也出现 局部屈曲现象 从而造成极限承载力急剧下降 当上翼 缘宽度与下翼缘宽度之比从3 33增加到14时 极限承载 力下降约34 因此 建议几字型钢上翼缘宽度与下翼 缘宽度之比宜控制在3 33左右 图12 上翼缘宽度与下翼缘宽度之比对极限承载力的影响 Fig 12 Effects of the ratio of upper flange width to lower flange width on the ultimate bearing capacity 3 4 5 腹板高度和下翼缘宽度 在保证净截面面积 上翼缘宽度 翻边宽度和壁 厚不变的情况下 探究腹板高度和下翼缘宽度对极限 承载力的影响 经计算 当上翼缘宽度b 50 mm 翻 边宽度c 12 mm 壁厚t 2 mm 为保证净截面面积不 变 腹板高度 h 与下翼缘宽度 a 需满足h a 85 mm 当腹板高度从60 mm增加到80 mm时 下翼 缘宽度则从25 mm降到5 mm 相应腹板高度与下翼 缘宽度之比从2 4增加到16 图13为非均匀分布雪荷 载作用下 腹板高度与下翼缘宽度之比对极限承载力 的影响 由图13可知 随着腹板高度与下翼缘宽度之 比的不断增加 极限承载力先上升后下降 当腹板高 度与下翼缘宽度之比小于4 67时 极限承载力随腹板 高度与下翼缘宽度之比增加而增加 然而 当腹板高 度与下翼缘宽度之比大于4 67时 极限承载力随腹板 高度与下翼缘宽度之比增加而下降 当腹板高度与下 翼缘宽度之比从4 67增加到16时 极限承载力下降 约21 这是由于随着下翼缘宽度的减小 下翼缘对 腹板的约束作用减弱 同时 由于腹板高度的增加 腹板出现局部屈曲现象 致使极限承载力降低 当腹 板高度与下翼缘宽度之比为4 67时 极限承载力达到 最大值 因此 建议几字型钢腹板高度与下翼缘宽度 之比宜控制在4 67左右 图13 腹板高度与下翼缘宽度之比对极限承载力的影响 Fig 13 Effects of the ratio of web depth to lower flange width on the ultimate bearing capacity 4 结论与建议 本文选取某跨度为8 m 脊高为3 8 m的几字型钢日 光温室为研究对象 采用ANSYS有限元软件 对其在雪 荷载作用下的失稳破坏过程进行模拟 并探究了纵向系 杆 初始几何缺陷和截面参数对其极限承载力的影响 得到结论如下 1 在净截面面积 上翼缘宽度 腹板高度和壁厚相 同的条件下 几字型钢日光温室拱架极限承载力稍高于 空心矩形钢管日光温室拱架极限承载力 2 相较于均匀分布雪荷载 该日光温室拱架对非均 匀分布雪荷载更为敏感 几字型钢日光温室拱架在非均 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 因此 在日光温室结构设计中 应重点 关注非均匀分布雪荷载的情况 3 纵向系杆的设置可有效抑制几字型钢日光温室拱 架平面外变形 从而提高结构极限承载力 在非均匀分 布雪荷载作用下 有纵向系杆约束的极限承载力约是无 纵向系杆约束条件下的1 25倍 该几字型钢日光温室拱 架对初始几何缺陷敏感度较低 4 建议几字型钢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 参 考 文 献 1 魏晓明 周长吉 曹楠 等 中国日光温室结构及性能的 演变 J 江苏农业学报 2012 28 4 855 860 Wei Xiaoming Zhou Changji Cao Nan et al Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouse J Jiangsu Journal of Agricultural Sciences 2012 28 4 855 860 in Chinese with English abstract 2 Wang C Nan B Wang T L et al Wind pressure acting on greenhouses A review J International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2021 14 2 1 8 3 张琪静 刘建斌 周朝辉 等 保护地设施果树雪灾防范 与减灾技术 J 北方果树 2022 1 30 33 4 周长吉 周博士考察拾零 八十二 桁架结构日光温室骨 农业工程学报 http www tcsae org 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