溫室推拉門(mén)組合式門(mén)邊柱設(shè)計(jì)方法

承建溫室工程的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到要求加大推拉門(mén)尺寸的情況，以方便一些大型車(chē)輛的出入，而且要求用鋁合金推拉門(mén)。例如有溫室案例要求推拉門(mén)尺寸為寬×高=4 m×3.2 m，每扇門(mén)如圖1。為保證推拉門(mén)能夠承受10級(jí)風(fēng)（W0=0.40 kPa），首先需要考慮是否有專用門(mén)邊柱鋁型材。在未找到合適專用門(mén)邊柱鋁型材的情況下，不得不采用普通鋁合金矩形管來(lái)代替。青島藍(lán)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(nèi)插入鍍鋅板折成的槽鋼（圖2），用一種組合結(jié)構(gòu)的門(mén)邊柱來(lái)解決此問(wèn)題，其橫截面如圖3。

該組合結(jié)構(gòu)門(mén)邊柱需通過(guò)計(jì)算來(lái)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(diǎn)σs=215 MPa。設(shè)風(fēng)荷載垂直作用在每扇門(mén)上，最終由各門(mén)扇的兩個(gè)邊柱承載。每扇門(mén)在上下導(dǎo)軌間靠滑輪左右移動(dòng)，每個(gè)門(mén)邊柱受力情況視為一簡(jiǎn)支梁（圖4），受力彎矩見(jiàn)圖5。

假設(shè)風(fēng)荷載垂直作用在門(mén)上，且風(fēng)荷載為均布荷載，按照GB/T51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》基本風(fēng)壓W0=0.40 kN/m2，則有：

Wk=W0×μs×μz×βgz

式中：Wk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;

W0—基本風(fēng)壓，kN/m2，W0=0.40 kN/m2;

μs—局部風(fēng)壓體型系數(shù)，μs=1.2。

μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，μz=1

βgz—陣風(fēng)系數(shù)，βgz=1.7

代入得：

Wk=0.40×1.2×1×1.7=0.816 kN/m2

每扇門(mén)受風(fēng)荷載：

Q=Wk×A

式中：A—單扇門(mén)面積，m2，A=3.2×2=6.4 m2。

代入得：

Q=0.816×6.4=5.22 kN

單個(gè)門(mén)邊柱受的均布荷載：

q=Q/2L

式中：L—門(mén)邊柱上下支點(diǎn)間距離，m，L=3.2 m。

代入得：

q=5.22/（2×3.2）=0.816 kN/m

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

f1=f2

式中：f1—鋁合金矩形管在風(fēng)荷載下的最大撓度，mm;

f2—鍍鋅板槽鋼在風(fēng)荷載下的最大撓度，mm。

鋁合金門(mén)邊柱在風(fēng)荷載作用下最大撓度規(guī)定為≤20 mm[1]。

用簡(jiǎn)支梁在均布荷載下求撓度的公式可求出每個(gè)門(mén)邊柱的最大撓度：

fmax=5qL4/384EI? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：fmax—門(mén)邊柱在風(fēng)荷載下的最大撓度，cm，fmax=2 cm。

得：

fmax1=5q1L4/384E1I1=2 cm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

fmax2=5q2L4/384E2I2=2 cm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：q1、q2—分別為鋁合金矩形管與鍍鋅板槽鋼所受到的風(fēng)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=0.7×105 MPa、E2=2×105 MPa;

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：

q1=0.294 kN/m

因?yàn)閝1+q2=q

得出q2=q-q1

q2=0.816-0.294=0.522 kN/m

將q2值代入（3）得：

I2=17.8 cm4

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

通過(guò)式（2）與（3），可得：

5q1L4/384E1I1=5q2L4/384E2I2

簡(jiǎn)化得：

q1/E1I1=q2/E2I2

因此得出 q1=q2E1I1/E2I2=（q-q1）E1I1/E2I2

此處的I2為實(shí)際應(yīng)用鍍鋅板槽鋼的截面軸慣性矩。

代入各值得：

q1=0.286 kN/m

q2=0.53 kN/m

由于實(shí)際應(yīng)用槽鋼的截面軸慣性矩增大，因此在額定風(fēng)荷載下其最大撓度會(huì)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(duì)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(yīng)進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度方面的驗(yàn)證。對(duì)于均布荷載下的簡(jiǎn)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(jì)算公式：

Mmax=qL2/8

式中：Mmax—邊柱組件在風(fēng)荷載下的最大彎矩，kN·m。

代入各已知數(shù)值，得：

Mmax1=0.366 kN·m

Mmax2=0.678 kN·m

依據(jù)公式：

σmax=Mmax/Wx

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(mén)邊柱型材最大彎矩處的截面應(yīng)力，N/mm2。

代入即得組合門(mén)邊柱型材最大彎矩處的截面應(yīng)力：

σmax1=38.3 N/mm2

σmax2=154.2 N/mm2

門(mén)邊柱計(jì)算應(yīng)力應(yīng)符合下式要求：

σmax≤[σs]

式中：[σs]—材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2;

其中：

6063-T5：

[σs]=130 N/mm2[2]

Q235：

[σs]=215 N/mm2

σmax1=38.3 N/mm2<[σs]=130 N/mm2

σmax2=154.2 N/mm2<[σs]=215 N/mm2

經(jīng)過(guò)計(jì)算，各數(shù)據(jù)均滿足強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).鋁合金門(mén)窗.GB/T8478-2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).一般工業(yè)用鋁及鋁合金熱擠壓型材.GB/T6892-2006[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：吳俊霖（1989-），男，山東平度人，工程師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代溫室設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

[引用信息]吳俊霖.溫室推拉門(mén)組合式門(mén)邊柱設(shè)計(jì)方法[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2021，41（04）：57-58.