基于ANSYS的玻璃溫室鋼結構優(yōu)化分析

朱贊彬 侯晨陽 龔守富

摘?要：為研究在不同荷載作用下溫室鋼結構的受力變形情況，本文重點對在2種極端組合荷載作用下鋼結構的受力情況進行分析。通過建立溫室鋼結構的三維模型以及溫室恒載、風荷載和雪荷載等各種荷載對鋼結構影響分析計算，并結合ANSYS靜力學分析軟件依次對鋼結構施加荷載，得到2種極端荷載組合下整個鋼結構的受力圖、彈性形變圖以及應力云圖，為此類溫室的設計以及維護提供理論參考。

關鍵詞：玻璃溫室;鋼結構;溫室荷載;優(yōu)化分析;ANSYS軟件

中圖分類號：S625.1?文獻標識碼：A?文章編號：1006-8023（2021）06-0068-06

Abstract：In order to analyze the stress and deformation of greenhouse steel structure under different loads， this paper mainly analyzed the stress of steel structure under two extreme combined loads. Through the establishment of the greenhouse steel structure three-dimensional model， the greenhouse dead load， wind load， snow load and other loads on the steel structure were analyzed and calculated. Combined with ANSYS statics analysis software， load was applied to the steel structure in turn， and the force diagram， elastic deformation diagram and stress cloud diagram of the whole steel structure under two extreme load combinations were obtained， which provided theoretical reference for the design and maintenance of this kind of greenhouse.

Keywords：Glass greenhouse; steel structure; greenhouse load; optimization analysis; ANSYS software

0?引言

我國對溫室的研究多從影響作物生長的環(huán)境角度出發(fā)，而針對溫室結構的研究相對較少。不同的溫室在建設時其規(guī)模的重要性、耐久性以及失事造成的危害等方面的差別很大[1]。與其他建筑相比，玻璃溫室屬于簡易設施類型，因而在受到極端天氣影響時，溫室的鋼結構無法承受其荷載作用，結構會遭到損壞[2]。

我國溫室建造起步較晚，目前溫室建造技術主要是從國外引進的，其設計標準化問題備受業(yè)內(nèi)重視，國內(nèi)溫室在建造方面缺乏理論依據(jù)[3-4]。近年來我國溫室設施因極端天氣而遭到破壞，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭到很嚴重的損失。如圖1所示。

近年來我國諸多學者對溫室結構優(yōu)化設計方面進行了研究分析。白義奎等[5]進行了新型鋼骨架結構日光溫室設計與測試，并進行了結構優(yōu)化;魏寶發(fā)等[6]結合抗震抗壓技術，設計出了 248 弓圓型無立柱日光溫室結構，增強了整個溫室的抗壓抗風性;安巧霞[2]、 陳國輝等[7]設計出了適合高寒地區(qū)的半地下式溫室，半地下式溫室和傳統(tǒng)溫室相比更有利于室內(nèi)環(huán)境的保溫;李石[8]建模分析了北方高寒地區(qū)無立柱圓弧形前屋面日光溫室的采光問題和結構安全問題，開發(fā)出適用于該地區(qū)的優(yōu)化軟件;林愛金[9]對一種桁架結構采用滿應力方法進行結構優(yōu)化，并且詳細地闡述了優(yōu)化過程。

我國要發(fā)展設施農(nóng)業(yè)，溫室建設是發(fā)展基礎。溫室不僅要求有良好的保溫性能，還要有較強的抗風抗雪能力。因此，本文對信陽農(nóng)林學院校內(nèi)玻璃溫室的鋼結構進行設計，利用ANSYS有限元軟件對溫室的鋼結構骨架進行靜力學分析，為其結構設計提供理論依據(jù)。

1?鋼結構主體框架的建立及荷載計算

1.1?ANSYS軟件介紹

ANSYS是一種數(shù)值分析軟件，可以用于解決現(xiàn)代工程學的很多問題[10]。ANSYS軟件可以通過建模建立節(jié)點單元，也可以利用其他繪圖軟件導入建模，該軟件操作較為靈活簡單[11-12]。在利用軟件分析過程中，根據(jù)研究對象，將其劃分為多個節(jié)點、多個不同單元，再利用數(shù)值模擬進行求解，節(jié)點、單元劃分的數(shù)量越多，求解結果也就越精確。對溫室鋼結構分析屬于靜力線性分析。

1.2?鋼結構主體框架的建立

1.2.1?玻璃溫室的選型

本文研究玻璃溫室選型為三折式雙跨Venlo（文洛型）型玻璃溫室，溫室覆蓋材料選用性價比較高的PC板，主體結構材料選用Q235型鋼，以保證其結構穩(wěn)定性。該玻璃溫室單跨9.6 m，長40 m，立柱高3.8 m，開間寬4 m，繪制溫室的二維立面圖如圖2和圖3所示。

1.2.2?玻璃溫室鋼結構三維模型的建立

SolidWorks（三維設計軟件）是具有可以簡單地進行放大和縮小功能的軟件，可以利用工具模塊中移動不同的面進行調整至所需要的幾何體;還可以通過調整模型的基準面進行修改草圖的尺寸大小，修改至所需的三維模型，利用該軟件可以隨時放大縮小、查看修改幾何體[13]。為了分析節(jié)點間的受力性能，需要對其建立三維模型[14]，三維模型可以更加直觀地模擬出實際的溫室結構狀況，利用該軟件繪制出溫室結構三維圖，如圖4所示。

由于溫室各個單元受力一樣，因此本文以溫室一個跨度的一個開間為單位進行優(yōu)化分析。通過分離出的一個單位三維模型進行分析，如圖5所示。

1.3?溫室荷載計算

溫室的設計荷載是溫室結構強度和穩(wěn)定性計算的前提，是保證溫室結構設計安全的重要依據(jù)。有了準確的溫室設計荷載再輔以科學的設計方法，可以避免所設計的溫室發(fā)生因結構失穩(wěn)而導致的溫室倒塌;避免因過大的設計荷載得到過于保守的結構尺寸，導致了鋼材浪費與建造成本過高的問題[15]。本文將參考GB 50009—2001《建筑結構荷載規(guī)范》[16]和 GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》[17]，對9.6 m跨的玻璃溫室荷載進行計算。

1.3.1?恒荷載

恒荷載指的是使溫室結構或構件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力及其他因素。本文研究溫室的屋面覆蓋材料為玻璃，故參照GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范，該溫室的恒荷載為：

1.3.2?風荷載

風荷載是空氣流動對溫室結構所產(chǎn)生的壓力，是溫室結構設計過程中的重要荷載之一[18]。本文參照GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范，風荷載計算公式為：

式中：W0為基本風壓，基本風壓取50年一遇風壓，取值為0.35 kN/m2;μz為風壓高度變化系數(shù)，地面粗糙度為C 類，取值為0.6;μs為風荷載體型系數(shù)，當μs=0.8時，風荷載Wk1為0.168 kN/m2;當μs =0.5 時，風荷載Wk2為0.105 kN/m2。

1.3.3?雪荷載

雪荷載是作用在溫室結構屋面水平投影面上的雪壓，其計算公式為：

式中：S0為基本雪壓標準值，kN/m2，取20年一遇雪壓，取值為0.44 kN/m2; Ct為加熱影響系數(shù)，取值為1.0;μr為屋面積雪分布系數(shù)。

本文溫室坡度角為28°，參照GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范，雪荷載按不均勻分布計算，當μr=1.6時，雪荷載Sk1為0.704 kN/m2;當μr =0.8時，雪荷載Sk2為0.352 kN/m2。

1.3.4?作物荷載

本文研究的玻璃溫室選取的作物以番茄、黃瓜為主，依據(jù)GB/T 51183—2016規(guī)定，該溫室作物吊重荷載值為Q1=0.15 kN/m2。

1.3.5?施工活荷載

施工活荷載指施加在結構上的由人群﹑物料和交通工具引起的使用或占用荷載和自然產(chǎn)生的自然荷載。參考GB/T 51183—2016農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范，施工活荷載取值Q2=0.8kN/m2，作用于屋脊節(jié)點上。

1.3.6?荷載組合

依據(jù)各種荷載組合進行分析，本文選取以下2種最極端荷載組合進行研究。組合①：恒荷載+雪荷載（不均勻分布）+施工活荷載+作物荷載;組合②：恒荷載+風荷載（垂直于屋脊方向）+作物荷載。

1.4?溫室鋼結構力學計算

現(xiàn)分別計算上述2種極端荷載組合工況下的受力情況。其受力簡圖如圖6所示。

2?基于ANSYS的溫室鋼結構力學優(yōu)化分析

2.1?荷載組合作用下的鋼結構靜力分析

利用ANSYS有限元軟件對溫室鋼結構進行建模、計算、分析，使鋼框架結構更加可靠[19]。荷載組合作用下玻璃溫室的鋼結構靜力分析是將上述2種極端荷載組合分別施加在有限元模型上。進行加載之后便可以得到這2種荷載組合作用下的應力應變云圖。將溫室的組合體進行結構離散化生成有限元網(wǎng)格如圖7所示，該結構劃分為44 776個節(jié)點，11 082個單元。

2.2?受力加載

依次對溫室鋼結構施加荷載，得到2種極端荷載組合下鋼結構受力的應力應變云圖。具體情況如下。

（1）組合①：依次施加作用于整個屋面上弦的均布雪荷載、下弦的均布作物質量、作用于整個屋脊人字梁平面的均布質量以及覆蓋材料的均布質量。其各個力的大小及方向如圖8（a）所示。

（2）組合②：依次施加作用于整個屋脊的人字梁和覆蓋材料的均布質量、作用于立柱的均布質量、作用于整個屋面上弦的均布風荷載及下弦的均布作物吊重。其各個力的大小及方向如圖8（b）所示。

2.3?ANSYS力學分析

施加相應約束與載荷后，2種極端載荷組合下的鋼結構總體應變云圖如圖9所示，最大彈性變形圖如圖10所示，總體應力云圖如圖11所示。

由組合①的總體變形圖9（a）得出：節(jié)點最大位移的位置在最外側人字梁和桁架相接處，節(jié)點最大位移為0.031 4 m。由組合②的變形圖9（b）得出：最大位移的位置為中部人字梁相接部，節(jié)點最大位移為0.018 7 m。通過上述結果分析得出，在2種最不利荷載下，鋼結構的變形位移滿足變形要求的條件：鋼結構的最大位移值小于溫室跨度的1.6%，即9.6×1.6%=0.153 6 m[20]，因此滿足變形要求。

分析荷載組合應力云圖11得出，組合①的最大應力為192.6 MPa;組合②的最大應力為203.24 MPa，2種荷載組合下的數(shù)值均小于鋼材的許用應力235 MPa[20-21]，滿足結構的承載力要求。

通過比較分析得出，組合①溫室遭到破壞的原因為：當溫室的屋面結構受到不均勻的雪壓迫時，溫室的鋼結構無法承受，超出溫室鋼結構所能滿足的最大應力，從而導致溫室鋼結構發(fā)生變形，溫室受到損壞。組合②溫室遭到破壞的原因為：溫室結構在受到外部風力的作用下，溫室內(nèi)的壓強大小基本不變，而溫室外的壓強在風力的作用下發(fā)生變化，從而使溫室內(nèi)和溫室外的壓強不同，進而導致溫室的鋼結構發(fā)生形變。

2.4?優(yōu)化分析

通過對上述加載結果進行分析發(fā)現(xiàn)，在2種極端荷載組合下，鋼結構的最大變形以及最大應力均滿足要求，同時也確定了此鋼結構最大應力發(fā)生在桿件的連接處，為應力集中區(qū)域，因此在對玻璃溫室進行優(yōu)化設計和施工中應加強此處的強度，同時防止連接處的焊縫或螺釘?shù)纳P及松動。在建造設計時可以通過加大原結構構件截面和連接強度來加固鋼結構連接處。

3?結論

本文以9.6 m跨的玻璃溫室為研究對象，運用 ANSYS分析軟件，對其進行了靜力分析及優(yōu)化設計。結合溫室設計要求及原則，確定了適用于玻璃溫室的2種極端荷載組合，組合①為：恒荷載+雪荷載（不均勻分布）+施工活荷載+作物荷載;組合②為：恒荷載+風荷載（垂直于屋脊）+作物荷載。然后運用ANSYS有限元分析軟件，建立能反映玻璃溫室基本實際情況（受力情況與彈性形變）的有限元分析模型。在有限元模型分析軟件中分別加載了2種荷載組合情況，得到了不同荷載組合作用下的應力應變云圖，分析得出該溫室的鋼結構滿足變形和承載要求。本文通過分析確定了該溫室的最薄弱處，為溫室建造優(yōu)化設計提供了理論參考。

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