改進(jìn)的大跨度Venlo溫室屋蓋結(jié)構(gòu)體系

趙欣+于紅燕

【摘要】溫室建筑從最初的生產(chǎn)型向商業(yè)型方向發(fā)展。Venlo溫室是傳統(tǒng)的生產(chǎn)型溫室，結(jié)構(gòu)體系受力合理，傳力明確，用鋼量經(jīng)濟(jì)。對(duì)傳統(tǒng)Venlo溫室進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出一種新型的大跨度Venlo型溫室屋蓋體系。與傳統(tǒng)溫室進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證新型溫室結(jié)構(gòu)的合理性，用鋼量的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)此研究可顯著擴(kuò)大溫室結(jié)構(gòu)的適用跨度，促進(jìn)商業(yè)型溫室的研究及工程應(yīng)用。

近年來(lái)，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室的建設(shè)和使用已經(jīng)從單一生產(chǎn)型溫室發(fā)展到多元化商業(yè)型溫室[1]。溫室不再僅僅種植蔬菜和花卉，而是出現(xiàn)了集農(nóng)業(yè)園藝生產(chǎn)和休閑娛樂(lè)餐飲于一體的商業(yè)溫室，也可稱(chēng)為溫室類(lèi)公共建筑。商業(yè)型溫室有別于生產(chǎn)型溫室，其對(duì)通風(fēng)采光等方面的要求有很大放松的同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用跨度等方面都提出了更高的要求。將傳統(tǒng)生產(chǎn)型溫室結(jié)構(gòu)用于商業(yè)溫室后，安全性需要提高，跨度和室內(nèi)空間需要擴(kuò)大。因此有必要對(duì)傳統(tǒng)溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

Venlo型溫室是中國(guó)大型連棟溫室采用的主要結(jié)構(gòu)形式。筆者對(duì)傳統(tǒng)Venlo型溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種新型大跨度溫室屋蓋結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)溫室商業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)。最后結(jié)合溫室實(shí)際工程項(xiàng)目，通過(guò)SAP2000有限元軟件對(duì)傳統(tǒng)Venlo溫室和改進(jìn)的Venlo溫室進(jìn)行了受力分析和對(duì)比，驗(yàn)證了新型大跨度溫室結(jié)構(gòu)受力的合理性，用鋼量的經(jīng)濟(jì)性，為今后溫室類(lèi)公共建筑推廣應(yīng)用提供了一種高性?xún)r(jià)比的結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)Venlo溫室結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

Venlo溫室屬于雙坡多屋面連棟溫室，起源于荷蘭，在20世紀(jì)70年代末引入中國(guó)[2]。溫室主要由柱子、桁架、三角形屋面龍骨和天溝組成，其中屋面覆蓋在屋面龍骨上并與天溝連接，天溝連接在桁架上的小立柱或柱子上，而桁架則與柱子連接。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)型標(biāo)準(zhǔn)Venlo型溫室跨度為6.4 m，進(jìn)深為4 m，每個(gè)單元包括2個(gè)小屋頂[3]。目前常用的商業(yè)型Venlo溫室跨度可以做到8、9.6、12 m，進(jìn)深為8 m，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元可以為二尖頂、三尖頂、四尖頂。如圖1所示為傳統(tǒng)二尖頂Venlo型溫室結(jié)構(gòu)組成示意圖。橫向和縱向平面桁架組成一級(jí)骨架，支撐在桁架之上的天溝及屋面龍骨小屋架等組成二級(jí)骨架。圖2為某Venlo溫室內(nèi)景圖。

Venlo型溫室屋蓋主要受力骨架為平行弦平面桁架結(jié)構(gòu)。Venlo型溫室標(biāo)準(zhǔn)化程度高，桁架跨度不超過(guò)12 m，可以在工廠制作完成，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。當(dāng)Venlo型溫室以玻璃為覆蓋材料時(shí)，可產(chǎn)生蒙皮效應(yīng)，剛度有所增加但并不是很顯著[4]。傳統(tǒng)Venlo溫室由于采用的是平面結(jié)構(gòu)體系，空間受力傳力作用差，跨度受限，內(nèi)部空間不能靈活布置。Venlo溫室跨度超過(guò)12 m時(shí)，若仍采用傳統(tǒng)體系，結(jié)構(gòu)用鋼量會(huì)大幅度提高，從而增加了溫室的建筑成本。

改進(jìn)大跨度溫室屋蓋結(jié)構(gòu)體系

空間管桁架結(jié)構(gòu)是目前大跨度空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，通常采用三角形斷面，與平面桁架相比具有跨度大、穩(wěn)定性好、抗扭轉(zhuǎn)剛度大、外表美觀等優(yōu)點(diǎn)。側(cè)向剛度和穩(wěn)定性的提高，可顯著減少側(cè)向支撐構(gòu)件數(shù)量。跨度大時(shí)，經(jīng)濟(jì)效果更顯著。通過(guò)研究，筆者采用空間桁架結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)Venlo溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出一種新型的大跨度Venlo型溫室屋蓋體系。

新型大跨度溫室屋蓋結(jié)構(gòu)體系由橫向布置的空間倒三角形空間管桁架，以及在屋蓋周邊沿縱向布置的空間桁架組成，縱、橫向空間桁架形成閉合框，有效地增加了屋蓋結(jié)構(gòu)的整體剛度，并能提高溫室的縱橫向剛度。橫向空間桁架間距可為6 m，跨度可在15 m以上。兩榀橫向空間桁架之間布置三角形平面小屋架，作為屋面龍骨。屋面坡度可依據(jù)采光和排水的要求而定。柱子布置在整個(gè)結(jié)構(gòu)的周邊，由于跨度的增加，內(nèi)部柱子數(shù)量大大減少，內(nèi)部空間增大，布置靈活。

屋面的排水可在橫向空間桁架上弦平面找坡，根據(jù)跨度大小設(shè)為單坡或雙坡，坡度為5‰，屋面找坡可借鑒平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋面排水的做法（圖3），通過(guò)在桁架上弦節(jié)點(diǎn)設(shè)置不等高小支托，屋面檁條及屋面板安裝后，即可形成排水坡度。屋面排水的路徑是先由三角形屋脊排入倒三角形桁架的上弦平面，1.5 m寬的上弦平面作為一個(gè)“大天溝”，然后再利用屋面橫向坡，將水排到溫室兩側(cè)，利用雨水管排出。遮陽(yáng)網(wǎng)支架也安裝在縱、橫向空間桁架上弦節(jié)點(diǎn)。

由此可見(jiàn)，改進(jìn)的Venlo型溫室屋蓋體系（圖4）省去了天溝及其支撐次桁架，結(jié)構(gòu)布置更加簡(jiǎn)潔，傳力途徑簡(jiǎn)單明確，構(gòu)件種類(lèi)數(shù)量減少，骨架陰影率降低，有效改善了溫室的透光率；桁架跨度增大，立柱數(shù)量減少，室內(nèi)可形成更大的自由空間，很好地適應(yīng)了溫室商業(yè)化的需求。

改進(jìn)大跨度溫室屋蓋受力分析對(duì)比

本文以某傳統(tǒng)Venlo溫室實(shí)際工程為對(duì)比分析對(duì)象，將其改進(jìn)為新型大跨度空間桁架Venlo溫室屋蓋結(jié)構(gòu)，對(duì)改進(jìn)前后2個(gè)溫室屋蓋的受力性能進(jìn)行對(duì)比和用鋼量分析，驗(yàn)證新型溫室屋蓋受力性能及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的合理性。

傳統(tǒng)venlo溫室屋蓋受力分析

某傳統(tǒng)Venlo連棟溫室實(shí)際工程，平面尺寸48 m×24 m，4棟相連，天溝為南北向；跨度為12 m，進(jìn)深8 m，每棟溫室3個(gè)進(jìn)深。屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸見(jiàn)表1。

永久荷載 包括結(jié)構(gòu)自重，永久設(shè)備荷載、作物荷載。永久設(shè)備荷載按均布荷載考慮，取值為0.07 kN/m2。綜合考慮除結(jié)構(gòu)自重外，取附加恒荷載為0.25 kN/m2。

活荷載 對(duì)于連棟溫室，可取0.3 kN/m2[5]。

雪荷載 基本雪壓取0.4 kN/m2，加熱影響系數(shù)取0.6，均勻分布雪荷工況，屋面積雪分布系數(shù)取為1.0，不均勻分布雪荷工況，屋面凹處積雪分布系數(shù)取1.4，屋脊部分積雪分布系數(shù)取0.94。

風(fēng)荷載 基本風(fēng)壓取值為0.35 kN/m2，相應(yīng)體形系數(shù)如圖5。

采用SAP2000通用有限元分析軟件對(duì)傳統(tǒng)Venlo溫室屋蓋進(jìn)行建模分析，有限元模型如圖6所示。內(nèi)力分析時(shí)主要考慮了以下幾種工況：工況① 1.2恒載+1.4活載；工況② 1.2恒載+1.4不均勻分布雪載；工況③ 1.0恒載+1.4風(fēng)載（吸力）。不同工況下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由不同工況下的計(jì)算結(jié)果可知，在豎向荷載下對(duì)于桁架的最不利組合為工況①。因此本文僅對(duì)2種模型在1.2恒載+1.4活載下的受力變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。一級(jí)骨架變形形式如圖7所示。由以上計(jì)算結(jié)果中可以看出，傳統(tǒng)Venlo溫室屋蓋結(jié)構(gòu)（跨度不大于12 m時(shí)）內(nèi)力分布均勻，剛度較大，材料利用率較高。

改進(jìn)的Venlo溫室屋蓋受力分析

改進(jìn)的溫室屋蓋結(jié)構(gòu)相應(yīng)建筑平面仍為24 m×48 m；橫向布置9榀倒三角形斷面空間桁架，桁架跨度為24 m，間距為6 m；桁架高度為1.5 m，上弦平面寬度為1.5 m，上弦節(jié)間長(zhǎng)度為1.6 m；在屋蓋周邊布置兩榀縱向空間桁架。縱、橫向空間桁架弦桿、腹桿截面尺寸相同。作為屋面龍骨的三角形平面小屋架直接與空間桁架的上弦節(jié)點(diǎn)相連，小屋面坡度為23°。大跨度空間桁架可以在工廠分段制作，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，可通過(guò)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拼裝。桿件截面及整體用鋼量的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

相同荷載取值及工況下，新型溫室屋蓋結(jié)構(gòu)的軸力云圖見(jiàn)圖8，變形形式見(jiàn)圖9，內(nèi)力變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由改進(jìn)溫室屋蓋內(nèi)力變形計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻，剛度較大，整體性強(qiáng)。

新型溫室屋蓋與Venlo溫室對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)布置 在24 m×48 m建筑面積內(nèi)，傳統(tǒng)Venlo溫室跨度為12 m，建筑內(nèi)部需要布置6根立柱，限制了空間的使用功能；改進(jìn)Venlo溫室跨度為24 m，僅在周邊布置柱子，建筑內(nèi)部無(wú)需設(shè)柱。屋頂同樣可使用PC板做采光屋面，尖頂坡度同為23°，能夠滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)所需光照和通風(fēng)的條件、方便積雪滑落，且外形美觀。

強(qiáng)度剛度 在相同荷載下，傳統(tǒng)Venlo溫室屋蓋桁架最大撓度為跨度的1/480，改進(jìn)Venlo溫室屋蓋結(jié)構(gòu)中桁架的最大撓度為跨度的1/510。傳統(tǒng)Venlo溫室屋蓋桁架高跨比為1/12，改進(jìn)Venlo溫室屋蓋桁架的高跨比為1/16，結(jié)構(gòu)相對(duì)高度降低。二者結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大應(yīng)力均接近鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

用鋼量 本研究中傳統(tǒng)Venlo溫室屋蓋的用鋼量為13.9 kg/m2，改進(jìn)Venlo屋蓋用鋼量為10 kg/m2，有較明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

傳力路徑 傳統(tǒng)Venlo溫室：PC板→屋面小屋架→天溝→小立柱→次桁架→主桁架→柱子；改進(jìn)Venlo溫室：PC板→屋面小屋架→桁架→柱子?？梢?jiàn)新型溫室的傳力路徑更加簡(jiǎn)捷明確，便于設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化。

制作安裝 改進(jìn)的Venlo溫室屋蓋省去了天溝、小立柱等構(gòu)件，構(gòu)件數(shù)量種類(lèi)明顯減少，加工制作安裝工作量大大減少。

結(jié)論與展望

傳統(tǒng)Venlo溫室經(jīng)濟(jì)，但跨度受限，很難滿(mǎn)足溫室商業(yè)化發(fā)展的需要。改進(jìn)的Venlo型溫室屋蓋結(jié)構(gòu)保留了傳統(tǒng)Venlo溫室的功能和外觀，采用了空間桁架作為受力骨架，由于結(jié)構(gòu)布置合理，可滿(mǎn)足商業(yè)溫室對(duì)大跨度的需求。通過(guò)計(jì)算分析表明，本研究中改進(jìn)的大跨度Venlo溫室屋蓋，內(nèi)力分布均勻，整體剛度大，受力性能好，用鋼量經(jīng)濟(jì)。

改進(jìn)的Venlo溫室屋蓋體系構(gòu)件規(guī)格種類(lèi)少，大跨度空間桁架可以在跨中或三分點(diǎn)處斷開(kāi)，分段在工廠制作，在現(xiàn)場(chǎng)完成拼裝；小尖頂處三角形屋面桁架跨度很小，運(yùn)輸方便，在工廠加工完成，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后可采用螺栓連接，安裝在縱、橫向空間桁架上弦。

綜上所述，采用空間桁架的改進(jìn)Venlo型溫室屋蓋受力合理，制作安裝簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)工廠化。本文的研究工作為溫室商業(yè)化發(fā)展奠定了一定的理論基礎(chǔ)，今后可進(jìn)一步展開(kāi)拼裝節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)與研究，對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的試驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，并推進(jìn)相應(yīng)的工程應(yīng)用實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

[1] 威邦塑膠建材有限公司.商業(yè)型溫室的聚碳酸酯板采光覆蓋材料[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2008（11）：6.

[2] 周長(zhǎng)吉.我國(guó)目前使用的主要溫室類(lèi)型及性能[J].農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù)，2000（02）：8-9.

[3] 周長(zhǎng)吉，王應(yīng)寬.中國(guó)現(xiàn)代溫室的主要型式及其性能（英文）[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001（01）：16-21.

[4] 金健，童樂(lè)為，周鋒. Venlo型溫室結(jié)構(gòu)空間作用的分析與應(yīng)用研究[C].2014年全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2014：4.

[5] 鄒志榮，周長(zhǎng)吉.溫室建筑與結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2012（4）：41-45.

項(xiàng)目支持：河北省建設(shè)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃“溫室類(lèi)公共建筑新型結(jié)構(gòu)體系受力性能研究”（2012-122）。

作者簡(jiǎn)介：趙欣（1972-），女，海南文昌人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：鋼結(jié)構(gòu)。

通信作者：于紅燕（1989-），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)。