新疆阿勒泰日光溫室拱架優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 霞，馬月虹，肖林剛,，曹新偉,，吳樂天，宋兵偉

（1．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊830091；2．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

新疆阿勒泰日光溫室拱架優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 霞1，馬月虹1，肖林剛1,2，曹新偉1,2，吳樂天2，宋兵偉1

（1．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊830091；2．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

針對目前新疆阿勒泰地區(qū)日光溫室拱架抗風(fēng)雪能力弱的現(xiàn)狀，探索一種能在阿勒泰地區(qū)承受冬季雪載的日光溫室。通過采用ANSYS軟件對拱架進(jìn)行雪載、溫室自重等綜合受力分析，在拱架薄弱位置增加臨時(shí)支撐柱。經(jīng)過為期兩年的溫室生產(chǎn)，證實(shí)該類型拱架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。臨時(shí)支撐柱的設(shè)置可解決現(xiàn)有溫室設(shè)計(jì)不足，同時(shí)為新建溫室提供設(shè)計(jì)參考。

拱架；受力分析；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

阿勒泰地區(qū)位于北緯45°～49°之間，屬于高緯度地區(qū)，冬季長達(dá)160 d以上，年降雪量在32．2～85mm之間[1]，傳統(tǒng)的日光溫室結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)該地區(qū)冬季高寒、降雪量大的特點(diǎn)，多地溫室出現(xiàn)因積雪造成拱架坍塌損毀情況，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶造成經(jīng)濟(jì)損失，影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

新疆農(nóng)科院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所運(yùn)用ANSYS軟件對溫室拱架進(jìn)行了雪載荷、溫室自重等綜合受力分析，在拱架受力最薄弱點(diǎn)處設(shè)置臨時(shí)支撐柱，用以支撐冬季降雪及積雪對溫室前屋面的壓力，并對溫室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 載荷計(jì)算

日光溫室拱架所承受的載荷基本分三類：恒載、活載和偶然載荷。前屋面保溫材料自重及其施工載荷和操作載荷等恒載即拱架自重載荷Sz，因拱架弧面不存在人的活動(dòng)，因此偶然載荷基本不考慮[2]。日光溫室所承受的活載除雪載荷Sk外，還有拱架自重載荷Sz、溫室內(nèi)部的植物吊重Sd、保溫材料自重Sb等。

1.1拱架載荷

以設(shè)計(jì)模型中的日光溫室鋼拱架為例，拱架材料均為焊管及圓鋼。上弦?32mm，焊管壁厚2mm，長9m；下弦?20mm，焊管壁厚2 mm，長9 m，拉花?10mm的圓鋼，單根長400mm，數(shù)量20根。鋼材理論重量計(jì)算基本公式為：W＝ρv，式中ρ為密度，v為體積。因此：W1＝W上弦+W下弦+W拉花

計(jì)算得W1＝22．75 kg

以4副拱架為模型，拱架間距1m，溫室跨度6．5m，橫拉桿8根，Sz＝（W1×4+W2）/S。

式中 W2—橫拉桿重量，kg；S—投影面積，m2

計(jì)算得Sz＝41．75 N/m2

1.2雪載荷

雪荷載指作用在建筑物或構(gòu)筑物頂面上的雪壓。基本雪壓是以當(dāng)?shù)匾话憧諘绲孛嫔辖y(tǒng)計(jì)所得30年一遇最大積雪的自重確定。一般日光溫室壽命為10～15年左右，故對基本雪壓進(jìn)行折減0．8[3]。積雪作用于建筑物上的重力，取決于雪的深度和積雪的單位體積重量。新疆境內(nèi)認(rèn)定大于6mm的降雪事件為大雪，大于12mm的降雪事件為暴雪。一般新雪和陳雪的密度為100 kg/m3～500 kg/m3。主要取決于積雪時(shí)間和氣候條件，阿勒泰地區(qū)一般取230 kg/m3[4]，降雪量按照最大值85mm計(jì)算[1]。

因此，阿勒泰地區(qū)雪壓估值計(jì)算為：Sk＝μrS0

式中 Sk—雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，N/m2；μr—屋面積雪分布

系數(shù)；S0—基本雪壓，kN/m2。3

計(jì)算得Sk＝153．2 N/m2。

1.3吊蔓載荷

溫室中種植的果菜類均需要吊蔓，按照常規(guī)吊蔓重量，以15 kg/m2計(jì)算[3]，Sd＝150 N/m2。

1.4保溫材料載荷

阿勒泰地區(qū)降雪量大，1月平均氣溫-24℃，因此所使用的保溫被重量為2．5～3 kg/m2，這里取值Sb＝30 N/m2。

1.5綜合載荷

計(jì)算得S總＝375 N/m2。

2 受力分析

用ANSYS軟件進(jìn)行實(shí)體建模，模型為4副拱架、8根橫拉桿的縱橫交錯(cuò)拱架實(shí)體。模型材質(zhì)為普通碳鋼，在拱架兩端施加約束，即表示拱架兩端固定在墻體和地面（圖1）。拱架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，為適于更廣泛的地區(qū)使用，載荷取值偏大，分析中以最大載荷組合計(jì)算。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，選取安全系數(shù)為1．25[5]。

圖1 日光溫室綜合受力示意

對拱架施加470 N/m2的壓力，方向豎直向下，通過計(jì)算機(jī)模擬分析得出圖2，由圖看出該拱架受力最薄弱處在中部偏下，意味著超值強(qiáng)降雪有可能對該區(qū)域造成損壞。

圖2 模擬拱架位移云圖

3 解決方法

針對上述分析需在距前屋面2m處溫室拱架上安裝臨時(shí)支撐柱?40mm的鋼管，壁厚2．5mm，頂部用U型卡固定在拱架上弦，底部焊接100×100×6m方形鋼板，根據(jù)種植區(qū)人工調(diào)整支撐柱高度，雪季結(jié)束后旋轉(zhuǎn)固定到溫室底部（圖3）。

經(jīng)過兩個(gè)冬季的運(yùn)行，證實(shí)該類型溫室能在阿勒泰地區(qū)安全生產(chǎn)，不坍塌，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。能有效避免單次降雪量大的突發(fā)天氣及冬季長期積雪對溫室結(jié)構(gòu)的損壞。

圖3 支撐柱安裝示意

[1]白松竹，陳真，莊曉翠，王磊．阿勒泰地區(qū)冬季降雪的集中度和集中期變化特征[J]．干旱氣象，2014，32（1）：99～107．

[2]叢祥安，王志臣，楊曉波．日光溫室設(shè)計(jì)受力載荷分析[J]．遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，4（1）：26～27．

[3]侯麗薇，吳?。展鉁厥易钗ｋU(xiǎn)載荷的計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算[J]．光學(xué)精密工程，1999，7（6）：71～74．

[4]張林梅，張建，李建麗．阿勒泰地區(qū)冬季極端降雪事件變化特征分析[J]．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（4）：89～95．

[5]單面坡日光溫室鋼骨架有限元優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（3）：151～154．

Optimization of arch structure of greenhouse in Xinjiang Altay

LIU Xia1,MA Yue-hong1,X IAO Lin-Gang1,2,CAO X in-wei1,2,WU Le-Tian2,SONG Bing-wei1

(Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Agricultural Machinery Research Institute,Urumqi830091，XinJiang,China)

It's necessary to find out a kind of solar greenhouse that can bear snow load in Altay Prefecture,under the present of Altay solar greenhouses' weak ability to resist snow.So the temporary pillars has been added in arch weak position according to the results of the analysis abouts now load and green house weight by ANSYS12.0 software.Through two years of testing,it confirmed that this type arch structure is stable.This design can solve some defects existing in greenhouse,while providing design reference for the new green houses at the same time.

Arch;Stressanalysis;Optimization;Design

10．13620/j．cnki．issn1007-7782．2016．04．013

S625．1

A

1007-7782（2016）04-0032-02

2016-08-06