農業種植大棚風雪荷載計算及結構優化

張天虎,鐘建琳

(北京信息科技大學 機電工程學院,北京 100192)

0 引言

農業種植大棚從骨架上主要分為竹木結構、鋼架混凝土結構、鋼架結構、鋼竹混合結構等[1-2]。鋼架結構大棚更加堅固,不易毀壞,使用壽命長,無中間支柱,內部操作空間大,易于安裝、拆卸,并且運輸方便,因此在種植業得到廣泛應用。大棚骨架是支撐覆蓋物的主體結構,它的承載力是衡量大棚骨架優劣的主要標準,骨架的性能直接影響大棚的使用壽命。

綜上,大棚在惡劣的環境下,可能產生巨大形變而不能使用,造成經濟損失。因此本文采用中國和美國相關規范對風雪荷載進行計算,使用ANSYS Workbench軟件對大棚邊柱與地面所成夾角不同的大棚結構進行靜力學分析,得到其應力和形變情況,得出最優的大棚骨架結構,提高了大棚的承載能力和穩定性。

1 大棚骨架結構

本文研究的農業種植大棚骨架為鋼架結構,中間無支柱,長37 m,寬8 m,高3.8 m。大棚骨架主要由邊柱、立柱、橫梁、拱桿、縱拉桿、斜八字撐、角鐵(斷面為L型鋼材)和連接件(連接縱拉桿和拱桿)組成。大棚邊柱與水平面垂直安裝的簡圖如圖1所示。該大棚的整體結構如圖2所示。

圖1 大棚邊柱垂直安裝Fig.1 Vertical installation of the side columns of the greenhouse

圖2 大棚骨架Fig.2 Framework of the greenhouse

該大棚骨架采用鍍鋅鋼材構成,材料參數如表1所示。

表1 大棚骨架材料參數Table 1 Material parameters of the greenhouse′s framework

2 風雪荷載計算

2.1 風荷載計算

美國規范[8]和中國規范[9]中關于基本風速的定義都涉及到離地高度、地面粗糙度、平均時距、重現期等因素,除了平均時距不同外,其余因素基本相同。美國規范中平均時距為3 s,突出了風的脈動峰值作用,得出的最大風速較大;中國規范中平均時距為10 min,平均時距比較長,會把較多的小風考慮進去,得出的最大風速較小。

該大棚骨架為封閉結構,高度H小于18.30 m,長寬比(L/B)為4.63,在2至5之間。該大棚建筑場地為平坦的丘陵地帶,不會經過小山、山脈和懸崖等,因此地形系數Kzt=1。該大棚符合文獻[8]中建筑物的標準。同時由于該大棚有出口需求,因此采用文獻[8]中風荷載的計算方法,具體步驟如下。

1)計算基本風速。由于該大棚失效時不會對人和公眾造成重大威脅并且不含劇毒物質,因此大棚風險級別為Ⅱ級。風險等級為Ⅱ的建筑物的基本風速重現期為700 a。由于采用美國規范,需按式(1)將中國的基本風速換算為美國的基本風速[10-12]。按照最大抗風等級5級,中國基本風速v0=30 m/s對大棚的承載能力和穩定性進行評估。

vT=[0.51+0.14ln(12T/a)]v0

(1)

式中:T為基本風速重現期,單位為a。由(1)式計算得到v700=53.25 m/s。

2)計算靜壓力。該大棚建立在遠離海岸并且周圍沒有障礙物的地區,因此暴露類別為C。根據基本風速、大棚高度、大棚長寬比和暴露類別等,確定大棚頂部靜壓力Ph1=1.25×10-3MPa。

3)計算風荷載。根據地形系數Kzt,計算大棚頂部最大風荷載Ph,Ph=KztPh1。由于2

2.2 雪荷載計算

該大棚出口地雪荷載情況與中國相似,因此采用文獻[9]中的方法對雪荷載進行計算。

Sk=μrS0

(2)

式中:Sk為雪荷載標準值,單位為kN/m2;S0為基本雪壓,單位為kN/m2;μr為屋面積雪分布系數。該大棚傾角小于25°,可得μr=1。

該大棚骨架不屬于大跨度結構,因此采用50年重現期的雪壓,為模仿極端天氣,選用近50年最大的基本雪壓進行計算[13],最大基本雪壓為1.15 kN/m2,依據式(2)可得到最大雪荷載為1.15×10-3MPa。

3 大棚骨架有限元模型

3.1 模型及邊界約束

在SolidWorks軟件中建立大棚三維模型,將其以step格式導入ANSYS Workbench軟件中。

大棚邊柱底部和立柱底部埋入地面以下500 mm,無法旋轉和移動,因此采用固定約束。ANSYS Workbench中接觸形式有綁定、不分離、無摩擦、粗糙、有摩擦和強制摩擦滑動6種接觸形式?？v拉桿與連接件使用楔子連接,建模時將其簡化為縱拉桿與連接件上圓孔的連接,因其可能發生切線方向的移動,因此采用有摩擦接觸。其余零件為焊接,因此采用綁定接觸。網格大小為40 mm。

3.2 荷載施加方式

荷載包括風荷載、雪荷載和耦合荷載,將計算出的各荷載等效為靜應力均勻地施加于大棚骨架。其中風荷載平行于地面施加,雪荷載垂直于地面施加。

3.2.1 風荷載施加方式

根據計算結果,將風荷載以均勻分布方式加載到迎風面和背風面,迎風面風荷載方向由外向內,背風面風荷載方向由內向外。風荷載施加方式分別如圖3(a)和(b)所示。

圖3 施加風荷載Fig.3 Applying wind load

3.2.2 雪荷載施加方式

根據計算結果及實際情況,施加雪荷載時,還要考慮大棚覆蓋物重力的影響。覆蓋物為草苫和薄膜,1 m2面積上的質量為2.1 kg,對應的壓強為2.06×10-5MPa。因此施加1.17×10-3MPa的雪荷載,將雪荷載視為均勻分布,施加方向垂直于地面向下,如圖4所示。

圖4 施加雪荷載(局部)Fig.4 Applying snow load (local)

3.2.3 兩種荷載的耦合

兩種荷載進行耦合,即風荷載和雪荷載同時加載于大棚骨架上,加載方式和大小與單獨加載時一致。

4 應力和形變仿真分析

通過ANSYS Workbench求解,得到邊柱與水平面垂直安裝的大棚(下文簡稱90°大棚)在3種工況下的形變和應力云圖。

施加風荷載工況:最大形變在大棚頂部,最大形變為5.98 mm;最大應力在斜八字撐與縱拉桿焊接處,最大應力為94.7 MPa,分別如圖5(a)和(b)所示。

圖5 風荷載下90°大棚形變和應力云圖Fig.5 Nephogram of deformation and stress of the 90° greenhouse under the wind load

施加雪荷載工況:最大形變在大棚頂部,縱拉桿的中部,最大形變為43.2 mm;最大應力在斜八字撐與縱拉桿焊接處,最大應力為291 MPa,分別如圖6(a)和(b)所示。

施加風雪耦合荷載工況:最大形變在大棚頂部,縱拉桿的中部偏向背風面,最大形變為49.0 mm;最大應力在斜八字撐與邊柱的焊接處,最大應力為394 MPa,分別如圖7(a)和(b)所示。

圖6 雪荷載下90°大棚形變和應力云圖Fig.6 Nephogram of deformation and stress of 90° greenhouse under the snow load

圖7 風雪耦合荷載下90°大棚形變和應力云圖Fig.7 Nephogram of deformation and stress of 90° greenhouse under the coupling load of wind and snow

5 大棚骨架結構優化仿真

5.1 優化參數和目標分析

由于大棚內種植菌類作物,不需要陽光直射,因此邊柱與地面應該有一定的夾角。邊柱與地面的夾角不宜過小或過大,過小將會降低大棚空間的利用效率,減少農作物的產量,承載能力也將會下降;過大時耗材多,不利于草苫和薄膜的覆蓋,表面積減少。因此采用邊柱與地面夾角(α)成85°、84°、83°、82°、81°、80°的大棚骨架結構進行靜力學分析。在總體長度、總體高度、橫梁高度、邊柱的豎直高度、拱桿彎曲程度、邊柱與地面連接的寬度和載荷狀況不變的情況下,通過改變邊柱與地面的夾角,根據得到的形變和應力情況,以應力為主要指標,確定最優的大棚骨架結構。

5.2 不同角度大棚仿真分析

對α為85°、84°、83°、82°、81°、80°的大棚,分別施加風荷載、雪荷載以及風雪耦合荷載,施加方式及荷載大小同3.2節,進行靜力學仿真分析,得到的最大應力和形變結果如圖8所示。

圖8 不同角度下大棚的最大應力和形變Fig.8 The maximum stress and deformation of greenhouse with different angles

由圖8可知,風荷載下最大形變和應力隨角度α的減小而減小;雪荷載下最大形變隨α減小而減小,最大應力隨α先減小再增大;耦合荷載下,最大形變和應力隨α先減小后增大。在邊柱與地面的夾角α為82°時,雪荷載和耦合荷載下應力最小,風荷載下應力變化幅度不大;耦合荷載下形變最小,風荷載下形變變化幅度不大,雪荷載下形變大于81°和80°。

滿足應力最小的前提下,形變盡可能小,進行優選,確定邊柱與地面的夾角為82°的大棚骨架結構最優。82°大棚的安裝簡圖如圖9所示。

圖9 優化后大棚的安裝Fig.9 Installation of the optimized greenhouse

5.3 優化后的大棚形變和應力分析

對大棚骨架施加風荷載產生的最大形變為4.54 mm,最大應力為51.5 MPa,如圖10所示。對大棚骨架施加雪荷載產生的最大形變為31.6 mm,最大應力為378 MPa,如圖11所示。風雪荷載耦合情況下最大形變為35.9 mm,最大應力為431 MPa,如圖12所示。最大應力和最大形變出現位置與90°大棚骨架結構相似。

圖11 雪荷載下82°大棚形變和應力云圖Fig.11 Nephogram of deformation and stress of 82° greenhouse under the snow load

圖12 耦合荷載下82°大棚形變和應力云圖Fig.12 Nephogram of deformation and stress of 82° greenhouse under the coupled load

6 結束語

應用有限元軟件對大棚骨架進行靜力學分析,得出風荷載、雪荷載和耦合荷載作用下大棚骨架最大形變和最大應力位置。風荷載作用下,最大形變在大棚頂部;最大應力在斜八字撐與縱拉桿焊接處。雪荷載作用下,最大形變在大棚頂部,縱拉桿的中部;最大應力在斜八字撐與縱拉桿焊接處。耦合荷載作用下,最大形變在大棚頂部,縱拉桿的中部偏向背風面;最大應力在斜八字撐與邊柱的焊接處。

通過改變大棚邊柱與地面的夾角進行優化分析,得出邊柱與地面夾角為82°時最佳,對應的風雪荷載作用下的應力最小,形變的變化幅度不大。優化后大棚承載能力和穩定性得到提高,可以為工程應用提供參考。