溫室推拉門組合式門邊柱設計方法

承建溫室工程的過程中經(jīng)常會遇到要求加大推拉門尺寸的情況，以方便一些大型車輛的出入，而且要求用鋁合金推拉門。例如有溫室案例要求推拉門尺寸為寬× 高=4 m×3.2 m，每扇門如圖1。為保證推拉門能夠承受10 級風（W0=0.40 kPa），首先需要考慮是否有專用門邊柱鋁型材。在未找到合適專用門邊柱鋁型材的情況下，不得不采用普通鋁合金矩形管來代替。青島藍天溫室有限公司選擇尺寸為120 mm×60 mm×1.2 mm 的6063-T5 鋁合金型材，然后在鋁管內插入鍍鋅板折成的槽鋼（圖2），用一種組合結構的門邊柱來解決此問題，其橫截面如圖3。

該組合結構門邊柱需通過計算來明確鍍鋅板槽鋼的截面尺寸。冷彎槽鋼用鍍鋅板（Q235）制作，其屈服點σs=215 MPa。設風荷載垂直作用在每扇門上，最終由各門扇的兩個邊柱承載。每扇門在上下導軌間靠滑輪左右移動，每個門邊柱受力情況視為一簡支梁（圖4），受力彎矩見圖5。

假設風荷載垂直作用在門上，且風荷載為均布荷載，按照GB/T51183-2016《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》基本風壓W0=0.40 kN/m2，則有：

圖1 推拉門/mm

圖2 冷彎槽鋼/mm

圖3 門邊柱截面/mm

圖4 門邊柱受力圖/mm

圖5 門邊柱受力彎矩圖/mm

式中：Wk—風荷載標準值，kN/m2；

W0—基本風壓，kN/m2，W0=0.40 kN/m2；

μs—局部風壓體型系數(shù)，μs=1.2。

μz—風壓高度變化系數(shù)，μz=1

βgz—陣風系數(shù)，βgz=1.7

代入得：

每扇門受風荷載：

式中：A—單扇門面積，m2，A=3.2×2=6.4 m2。

代入得：

單個門邊柱受的均布荷載：

式中：L—門邊柱上下支點間距離，m，L=3.2 m。

代入得：

所有符合此數(shù)值地區(qū)均可使用此設計，假設組合式門邊柱在風荷載作用下，其鋁合金矩形管與鍍鋅板槽鋼是同時起作用的，即它們所產生的撓度是相等的：

式中：f1—鋁合金矩形管在風荷載下的最大撓度，mm；

f2—鍍鋅板槽鋼在風荷載下的最大撓度，mm。

鋁合金門邊柱在風荷載作用下最大撓度規(guī)定為≤20 mm[1]。

用簡支梁在均布荷載下求撓度的公式可求出每個門邊柱的最大撓度：

式中：fmax—門邊柱在風荷載下的最大撓度，cm，fmax=2 cm。

得：

式中：q1、q2—分別為鋁合金矩形管與鍍鋅板槽鋼所受到的風荷載之均布荷載，kN/m；

E1、E2—分別為鋁合金矩形管與鍍鋅板槽鋼的材料彈性模量，MPa，E1=0.7×105MPa、E2=2×105MPa；

I1、I2—分別為鋁合金矩形管與鍍鋅板槽鋼的截面軸慣性矩，cm4，I1=28.72 cm4；

代入（2）得：

因為q1+q2=q

得出q2=q-q1

將q2值代入（3）得：

由于鍍鋅板槽鋼截面的外形尺寸受鋁合金矩形管內腔尺寸所限，所以僅需決定其壁厚即可。通過試算，當壁厚為2.5 mm 時，其截面軸慣性矩I2=18.6 cm4，大于初設計算值17.8 cm4，這樣，組合式截面二種材料承擔的均布荷載就會發(fā)生變化，而必須進行修正。

通過式（2）與（3），可得：

簡化得：

因此得出q1=q2E1I1/E2I2=（q-q1）E1I1/E2I2

此處的I2為實際應用鍍鋅板槽鋼的截面軸慣性矩。

代入各值得：

由于實際應用槽鋼的截面軸慣性矩增大，因此在額定風荷載下其最大撓度會發(fā)生減小。

將選用鍍鋅板槽鋼的截面軸慣性矩和重新分配的均布荷載值代入式（1）得：

fmax1=fmax2=19.4 mm ≤20 mm，符合規(guī)定。

對于所選鋁合金矩形管及鍍鋅板槽鋼，雖然滿足撓度要求，但還應進行機械強度方面的驗證。對于均布荷載下的簡支梁，最大彎矩發(fā)生在梁之中部，如圖5 所示。根據(jù)其最大彎矩的計算公式：

式中：Mmax—邊柱組件在風荷載下的最大彎矩，kN·m。

代入各已知數(shù)值，得：

依據(jù)公式：

式中：Wx—邊柱組件的截面系數(shù)，cm3，Wx1=9.57 cm3、Wx2=4.4 cm3；

σmax—組合式門邊柱型材最大彎矩處的截面應力，N/mm2。

代入即得組合門邊柱型材最大彎矩處的截面應力：

門邊柱計算應力應符合下式要求：

式中：[σs]—材料強度標準值，N/mm2；

其中：

經(jīng)過計算，各數(shù)據(jù)均滿足強度要求。