玻璃溫室防震設(shè)計(jì)與模型試驗(yàn)

李從權(quán) 王慶惠 馬月虹

摘要：為避免地震造成的損失，設(shè)計(jì)了一種玻璃溫室防震結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由工字鋼框架、耗能軸承、板彈簧等組成。溫室建在工字鋼框架上，耗能軸承安裝在框架下面，緩沖板彈簧安裝在框架四周。溫室移動(dòng)時(shí)會(huì)受到板彈簧的緩沖作用，通過(guò)消耗能量提高溫室抗震能力。溫室質(zhì)量15 t，緩沖墩5個(gè)，緩沖彈簧板2片，厚度8 mm，寬度50 mm，滿足使用要求。耗能軸承的上板設(shè)置了淺槽，卡在槽鋼上。對(duì)傳統(tǒng)球形滾子進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)為削面滾子，削面圓直徑取5 mm?？s尺模型試驗(yàn)顯示，相對(duì)于無(wú)緩沖裝置模型，其抗震動(dòng)次數(shù)提到了4倍，抗震效果明顯。

關(guān)鍵詞：地震;玻璃溫室;緩沖彈簧;耗能軸承;削面滾子

中圖分類號(hào)：TU894? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）20-0164-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.039? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and test on shockproof device for greenhouse

LI Cong-quan1，WANG Qing-hui2，MA Yue-hong2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Tianmen Vocational College，Tianmen 431701，Hubei，China;

2.Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumqi 830091，China）

Abstract： In order to avoid the phenomena， a mechanical device was designed， which was made up of double T-steel frame， plane bearing and buffer spring. The greenhouse was built on I-steel frame. Plane bearings were mounted under the frame. The buffer plate spring was installed around the frame. When the greenhouse moved， it will be buffered by plate springs. Seismic capacity of the greenhouse will be improved by consuming energy. Greenhouse quality was 15 t， buffer plate spring was 5， spring plate takes was 2. The thickness was 8 mm， and the width was 50 mm， the produced stress will meet the requirement. Shallow groove was designed for the upper plate of plane bearing， which sandwiched on I-steel. Spherical roller was improved designed. The ball was flattened up and down. Two sides were parallel. The diameter of cut face was 5 mm. The vibration test showed that the buffer device has a fold increase in anti collapse capability compared with the non buffer device. Seismic effect was obvious.

Key words： earthquake; glasshouse; buffer spring; energy dissipation bearing; plane roller

玻璃溫室一般固定在地面上，遇到地震時(shí)，主體容易扭曲，玻璃會(huì)破碎，損失不僅是溫室本身，其內(nèi)的科研材料及設(shè)備遭到破壞，間接損失慘重。玻璃溫室防震設(shè)計(jì)應(yīng)該納入研究范圍。塑料大棚和玻璃溫室在全國(guó)各地果蔬種植中得到廣泛應(yīng)用[1]。塑料溫室結(jié)構(gòu)為竹木或鋼筋，覆蓋薄膜，具有重量輕、遮光率小、造價(jià)低的特點(diǎn)。主要形式有拱棚式、一面坡式、三面墻式、山坡依托式。塑料拱棚式多以竹木對(duì)稱彎曲搭建而成。李星等[2]研制了一種先進(jìn)的塑料拱棚式溫室，其技術(shù)特征是可以拆卸，移動(dòng)裝配，對(duì)耕層的破壞少。一面坡式溫棚后墻和兩面?zhèn)葔鶠橥翂Γ笪菝鏋橥辽w，前屋面扣塑料棚膜，前屋面木桿與地平面所成夾角約32 ℃，溫室中柱高1.5 m，溫室空間低，保溫效果好，但抗風(fēng)、雪荷載的抵抗能力弱。三面墻式溫棚就地取材，保溫效果不好。馬月虹等[3]研制了以稻草、蘆葦桿、苯板等材料制成的新結(jié)構(gòu)墻體，能夠滿足沙漠、高寒地區(qū)保溫要求。山坡依托式是在山坡或丘陵建造的溫室，借助地勢(shì)挖建，節(jié)省三面墻，冬季比一般溫室節(jié)省燃料50%以上。塑料溫室存在壽命短、進(jìn)門(mén)難、抬頭難的問(wèn)題。

玻璃溫室寬敞、透光好、壽命長(zhǎng)，是研究所、生態(tài)農(nóng)業(yè)公司常用的溫室形式，適合于多種氣候條件下使用。形式有花卉玻璃溫室、蔬菜玻璃溫室、育苗玻璃溫室、科研玻璃溫室、生態(tài)玻璃溫室、休閑觀賞溫室、異形玻璃溫室、智能玻璃溫室等。玻璃溫室主體結(jié)構(gòu)多為鋁合金或型鋼，鋼材主要是Q235型沸騰鋼。鋁材型材主要是LD31-RCS。厚度玻璃常用4、5 mm，透光率高[4]。玻璃溫室是現(xiàn)代農(nóng)藝研究的基本設(shè)施，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室發(fā)展的趨勢(shì)[5]。

現(xiàn)有的建筑防震技術(shù)主要有主動(dòng)控制隔震、上懸掛下隔震、橡膠墊塊隔震、隔震型等結(jié)構(gòu)形式[6-9]。玻璃溫室功能、結(jié)構(gòu)及選材決定了以上防震技術(shù)不能直接套用。知網(wǎng)、專利文庫(kù)沒(méi)有查到關(guān)于玻璃溫室的防震技術(shù)。本研究設(shè)計(jì)一種板彈簧緩沖結(jié)構(gòu)，主要研究彈簧片數(shù)、寬度及厚度對(duì)工作應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)耗能軸承的結(jié)構(gòu)，用來(lái)消耗地震傳來(lái)的動(dòng)能，用數(shù)學(xué)計(jì)算和模擬分析的方法來(lái)確定滾子的形狀和尺寸，通過(guò)縮尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)對(duì)抗震的定性影響。

1? 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1? 總體結(jié)構(gòu)

防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，結(jié)構(gòu)主要由緩沖墩、框架、緩沖彈簧、耗能平面軸承等組成。緩沖墩由鋼筋混凝土固定在地面上，用來(lái)抵抗溫室傾斜時(shí)彈簧傳遞來(lái)的推力?？蚣懿捎霉ぷ咒搰?，接頭采用坡口焊接形式。工字鋼槽內(nèi)填充鋼筋混凝土。緩沖彈簧采用碟片式，使用墊片調(diào)節(jié)彈簧與框架間的松緊程度。耗能平面軸承安裝在框架下面，其球形滾子為削面多面體。

1.2? 工作原理

防震結(jié)構(gòu)能夠消耗溫室移動(dòng)時(shí)的動(dòng)能。平面軸承安裝在框架下面，軸承滾子是削面球體。溫室傾斜移動(dòng)時(shí)，軸承隨著移動(dòng)。削面滾子做近似正多邊形滾動(dòng)，滾子與軸承上下板發(fā)生碰撞，消耗溫室動(dòng)能。防震結(jié)構(gòu)能夠吸收溫室動(dòng)能。溫室的玻璃結(jié)構(gòu)安裝在工字鋼框架上，框架下面安裝有平面耗能軸承。地震是底殼不穩(wěn)定造成的，震動(dòng)峰值時(shí)間短。地震來(lái)臨時(shí)，溫室會(huì)隨著軸承移動(dòng)。溫室傾斜造成的分力作用在緩沖彈簧上，會(huì)引起彈簧變形，溫室的動(dòng)能就被彈簧吸收。通過(guò)緩沖耗能后，溫室移動(dòng)速度會(huì)降低，達(dá)到玻璃溫室結(jié)構(gòu)難以破壞，或被破壞程度小的目的。

2? 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1? 緩沖結(jié)構(gòu)

板彈簧受力時(shí)會(huì)彎曲，變形量較大，消震能力強(qiáng)[10]，可作為玻璃溫室防震結(jié)構(gòu)。溫室正常使用時(shí)是靜止的，地震時(shí)地面波動(dòng)，板彈簧受壓，壓縮量dx與蓄能符合下列關(guān)系，如式（1）所示：

Ep=Fxdx? ? （1）

式中，F(xiàn)x單側(cè)受力，Ep為壓縮彈簧儲(chǔ)存的能量。

如果沒(méi)有損耗，儲(chǔ)存的勢(shì)能與動(dòng)能在相互轉(zhuǎn)換，一直震動(dòng)下去。實(shí)際上在滾子非圓滾動(dòng)和空氣阻力的作用下，逐漸耗去傳給溫室的動(dòng)能。地震發(fā)生時(shí)間短，相對(duì)幅度大的持續(xù)時(shí)間更短。緩沖板彈簧設(shè)計(jì)主要考慮工作應(yīng)力不大于屈服應(yīng)力值的問(wèn)題。

疊板彈簧兩端受力，受載形式如圖2所示，其工作應(yīng)力為：

？滓=3×（2F）l/（2bnh2）[11]? ? （2）

式中，F(xiàn)為單側(cè)受載，b、h、l分別為板簧寬度、厚度和長(zhǎng)度，n為板簧片數(shù)。

地震時(shí)地面傾斜，溫室受到緩沖彈簧作用，加上摩擦阻力的作用，移動(dòng)速度低，是勻速移動(dòng)。彈簧彈力為2FN，mgsin？茲為玻璃溫室順坡下滑力。？茲為地面傾斜角，m為溫室質(zhì)量。單側(cè)安裝了N個(gè)緩沖彈簧墩，2FN≈mgsin？茲。彈簧在發(fā)生疲勞破壞之前可能發(fā)生塑性變形，按照靜強(qiáng)度校核[12]，板彈簧鋼正常工作需要滿足？滓≤[？滓]。

3mglsin？茲/（2Nbh2n）≤[？滓]? ?（3）

根據(jù)《玻璃溫室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》跨度為15 m，長(zhǎng)度40 m[12]，使用5 mm單層鋼化玻璃，質(zhì)量12.5 kg/m2，一棟育苗玻璃溫室，總質(zhì)量15 t。在地震造成的地面最大傾斜θ=15°，在保證彈簧有效彈力情況下，設(shè)計(jì)緩沖彈簧。選用彈簧鋼60Si2MnA，該鋼σs=1 373 MPa，安全系數(shù)取1.2，[σ]=1 144 MPa。依據(jù)式（3）計(jì)算得出板彈簧參數(shù)，祥見(jiàn)表1。

從表1可以看出，單側(cè)設(shè)置5個(gè)緩沖裝置的情況下，板彈簧組跨度l=500 mm，可動(dòng)片數(shù)n=2，厚度h=8 mm，寬度b=50 mm，工作應(yīng)力σ=732.4 MPa<σs=1 373 MPa，彎曲強(qiáng)度滿足使用要求。

2.2? 耗能平面軸承

耗能平面軸承由上滾動(dòng)板、下滾地板、滾子及滾子隔離板組成。以框架工字鋼下平面為耗能平面軸承上滾動(dòng)板，下滾動(dòng)板固定在地面上。滾子分隔板一面設(shè)置淺槽，如圖3所示。淺槽卡在框架工字鋼平面上，保證軸承滾子隨框架一起移動(dòng)。為增加耗能速度，對(duì)球形滾子進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖4所示，結(jié)構(gòu)為多面球，削面相互平行。地震來(lái)臨時(shí)，多面滾子球在軸承下板來(lái)回移動(dòng)，為非圓滾動(dòng)，促進(jìn)能量消耗，減小對(duì)緩沖彈簧的沖擊;無(wú)地震時(shí)，削面球可增加玻璃溫室穩(wěn)度。安裝耗能軸承時(shí)，使?jié)L子小削面接觸上下滾動(dòng)板。

單個(gè)滾子承受重量F滾子=? （4）

式中，M為建筑物質(zhì)量，m為平面滾動(dòng)軸承數(shù)量，n為每個(gè)軸承滾子數(shù)量。

球體受到壓應(yīng)力為？滓p=? ?（5）

材料擠壓應(yīng)力為[？滓p]=? ?（6）

其中，Sp取1.0～1.5，考慮平面軸承在靜態(tài)下工作，在地震來(lái)臨時(shí)可以移動(dòng)釋放能力，安全系數(shù)取1。

跨度為15 m，長(zhǎng)度40 m，總質(zhì)量約15 t。安裝36個(gè)平面軸承，每個(gè)軸承滾子10個(gè)滾子，滾子材料G20Cr2，σs=882 MPa，許可安全系數(shù)取1.5。每個(gè)滾子承受力416 N，代入得d≥0.56，為制作方便，取Φd=5 mm。

對(duì)滾珠進(jìn)行有限元分析，滾珠為削邊球，直徑50 mm，分析時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理。材料選用軸承鋼，屈服應(yīng)力為[σ]s=518.4 MPa[13]。方法為在UG上建?！治觥鷱?qiáng)度向?qū)Аx材steel→施加載荷→約束→執(zhí)行分析→劃分網(wǎng)絡(luò)→分析計(jì)算[14]，分析時(shí)研究滾珠隨著載荷變化的剛度變化情況。

圖5為滾珠位移云圖，顏色越淡，位移越小。削邊球上施加了119 N的向下作用力，通過(guò)觀察位移的顏色，與比色表對(duì)照可知，其最大位移在受力點(diǎn)，且最大位移量為0.107 9 mm，滾珠變形量很小。

圖6是滾珠的應(yīng)力云圖，云圖顏色越淡，應(yīng)力值越大，滾珠的應(yīng)力值大小可以根據(jù)顏色比照得知。顏色對(duì)比具體數(shù)值表可得滾珠受到的最大應(yīng)力值為200 MPa，小于σs=518.4 MPa，最大應(yīng)力在滾珠與上下板接觸邊緣處，應(yīng)力值在許可范圍內(nèi)。

3? 試驗(yàn)與分析

3.1? 試驗(yàn)方法

縮尺模型試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)常用研究方法之一，該方法對(duì)尺寸、材質(zhì)不要求嚴(yán)格相似。通過(guò)試驗(yàn)與理論分析相比較，若相一致，就認(rèn)為能在實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)用[15]。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎们昂髩由綁Y(jié)構(gòu)，此與跨度不大的科研類玻璃溫室、育苗玻璃溫室及生態(tài)玻璃溫室在幾何空間上具有相似性。模型不用玻璃結(jié)構(gòu)，采用磚混結(jié)構(gòu)，便于反復(fù)試驗(yàn)。人工施震與地震波接近，磚塊掉落與溫室扭曲時(shí)玻璃墜落情形相近。

縮尺尺寸不能太小，太小會(huì)產(chǎn)生縮尺效應(yīng)，非整體試驗(yàn)宜取真型的0.25至1.00[15]。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑諏?shí)際溫室約為1∶3的比例縮小。模型長(zhǎng)2.5 m，寬1.4 m，高度1.0 m，模型如圖7所示。試驗(yàn)材料：青灰磚、彈簧、木板平臺(tái)。制作試驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)2.5 m，寬1.4 m，高度1.0 m，平臺(tái)可以繞中間的凸臺(tái)上下擺動(dòng)，與地面的撞擊形成地震沖擊。平臺(tái)四周設(shè)置了擋板，擋板上安裝了緩沖彈簧。

3.2? 試驗(yàn)結(jié)果

砌體用青灰磚制作，磚在工字鋼框架上砌墻。試驗(yàn)時(shí)有一塊磚掉落表示建筑倒塌。對(duì)無(wú)緩沖裝置的模型進(jìn)行了20次試驗(yàn)，震動(dòng)至倒塌次數(shù)分布如圖8的下波形線，平均震動(dòng)46次就倒塌。對(duì)有緩沖裝置的模型進(jìn)行了20次試驗(yàn)，倒塌次數(shù)分布如圖8的上波形線，平均震動(dòng)189次倒塌，緩沖結(jié)構(gòu)抗倒塌能力提高到了4倍。

4? 討論

1）可查閱的玻璃溫室研究主要集中在通風(fēng)、透光、溫度、濕度及互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)方面。設(shè)計(jì)的緩沖和耗能結(jié)構(gòu)能防止地震破壞玻璃溫室結(jié)構(gòu)，也可以抵抗臺(tái)風(fēng)對(duì)玻璃溫室的破壞。

2）緩沖結(jié)構(gòu)用到疊板彈簧，材料使用彈簧鋼，材料供給充足。結(jié)構(gòu)參照車(chē)用緩沖彈簧，結(jié)構(gòu)可行。在設(shè)計(jì)時(shí)候抓住地震時(shí)間短的特點(diǎn)，保證材料在極限應(yīng)力范圍內(nèi)滿足緩沖要求。地面波動(dòng)傾斜，玻璃溫室質(zhì)量大的原因移動(dòng)慢，近似認(rèn)為溫室是勻速移動(dòng)，簡(jiǎn)化了計(jì)算方法。

3）框架下安裝了平面耗能軸承。削面滾子非圓滾動(dòng)，能促進(jìn)能量消耗。此軸承集移動(dòng)與耗能特點(diǎn)于一體，與傳統(tǒng)平面軸承相比，既有繼承又有突破。削面滾子可通過(guò)鑄造或模鍛方法獲得，工藝不難。

5? 結(jié)論

1）針對(duì)地震會(huì)損壞玻璃溫室的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了溫室防震裝置。工字鋼框架內(nèi)填充鋼筋混凝土，工字鋼下面安裝平面軸承。緩沖彈簧安裝在框架四周，溫室質(zhì)量15 t，緩沖墩5個(gè)，彈簧板片n=2，厚度h=6 mm，寬度b=50 mm，彎曲應(yīng)力符合要求。

2）平面軸承安裝在工字鋼下面，具有浮動(dòng)作用。耗能平面軸承的分隔板上淺槽卡在工字鋼上，滾子與框架一起移動(dòng)。削面滾子既增加滑動(dòng)耗能能力，又提高了玻璃溫室靜止時(shí)的穩(wěn)度。

3）理論分析說(shuō)明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠緩沖溫室移動(dòng)，能夠消耗地震傳給溫室的能量?？s尺模型試驗(yàn)表明有防震結(jié)構(gòu)相對(duì)無(wú)防震結(jié)構(gòu)抗震能力提高到了4倍，抗震效果明顯。防震結(jié)構(gòu)能夠有效防止玻璃溫室結(jié)構(gòu)被破壞?？s尺抗震模型與實(shí)際的玻璃溫室在空間結(jié)構(gòu)上有一定的相似性，使用的材質(zhì)不同，但是符合縮尺模型試驗(yàn)條件。

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