后屋面水平投影长度对日光温室性能的研究

郭艳玲　李石　陈国辉

摘要 为了研究后屋面水平投影长度对节能型日光温室性能的影响，以北方高纬度日光温室为研究对象，分析了哈尔滨日光温室合理的前屋面角。在确保日光温室采光性能的基础上，应用ANSYS有限元软件对温室结构进行了三维分析，讨论了后屋面水平投影长度对日光温室结构安全性能的影响。结果表明，对于北方高纬度地区常用的脊跨比为1∶2的日光温室，当后屋面水平投影长与脊高之比为24%～25%时，日光温室结构比较合理。前屋面角大于哈尔滨最小前屋面角29.2°，有利于日光温室的采光和积雪的滑落，钢结构承载能力比较好，是适合课题组即将建设的北方高纬度地区的日光温室结构。

关键词 后屋面水平投影；日光温室；ANSYS；高纬度地区

中图分类号 S625 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）05-01555-03

Abstract In order to study the effects of the horizontal projection length of the roof on the energy-saving solar greenhouse performance， with the greenhouse in the northern high latitudes as the study， based on the analysis of the former Harbin reasonable greenhouse roof angle to ensure that greenhouse lighting performance， the three-dimensional analysis was conducted on greenhouse structure with application of ANSYS software， the influence to the structural safety performance of greenhouse were studied. The results show that： for the northern high latitudes common ridge span ratio of 1∶2 greenhouse， when the rear horizontal projection of the roof ridge length and height ratio of 24% to 25%， the greenhouse structure is more reasonable. Front roof angle relatively large is conducive to greenhouse lighting and snow fall， while steel has better carrying capacity that is suitable for the construction of a greenhouse in northern high latitudes area.

Key words Roof horizontal projection； Solar greenhouse； ANSYS finite element； High latitude region

目前已建造的日光溫室，主要还是凭借以往的建造经验来确定后屋面水平投影的长度。传统的温室设计，后屋面水平投影一般取其跨度长的20% ～ 30%[1]。由于缺少这方面的科学研究，各地区在建设日光温室时，对该值的取值一直都有争议。日光温室后屋面水平投影的长短，直接影响日光温室的采光性能和内部的保温性能[2]。在一定条件下，日光温室后屋面水平投影越长，日光温室的保温性能越好，但当太阳高度角较大时，就会导致日光温室后屋面遮光，使日光温室后部出现大面积阴影，影响栽培作物的生长和发育，而且日光温室后屋面越长，日光温室前屋面的采光面将越短，从而造成内部部分采光不足。当日光温室后屋面短时，日光温室内部采光非常好，但是保温性能却大大降低，造成日光温室白天升温快，夜间降温也快的问题[3-4]。为此，研究后屋面水平投影长度对日光温室性能的影响，对日光温室结构参数的标准化有着重要的现实意义。课题组特针对即将在高纬度地区哈尔滨市建造的节能型日光温室进行了前期模拟与分析，考虑了哈尔滨地区独特的地理气候等条件，研究了后屋面水平投影长度对日光温室内部采光性能的影响，并利用ANSYS计算并分析了其对日光温室结构安全的影响，提出了合理的后屋面水平投影长度模型。

1 日光温室场地情况

节能型日光温室的场地进行实地测量，场地总长60 m，宽10 m，有一段能利用的2.5 m后墙。在北方高纬度地区，采光保温和结构安全是日光温室面临的主要问题。因此采用无立柱圆弧形前屋面节能日光温室较为适宜[5-6]，无立柱是为了方便大型设备的工作及管理人员的活动，圆弧形前屋面是为了日光温室内部的采光和冬天积雪的滑落，后屋面是为了提高日光温室保温、承重和防水的性能[7-8]。准备用40 mm×60 mm实心方钢管搭建日光温室钢骨架，材料杨氏模量为2.0×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3，准备用10 mm厚聚碳酸酯中空板（PC板）为覆盖材料。

2 理论分析

2.1 采光研究

前屋面角每增加1°时，会使室内接收太阳能增加5.47 KJ/d·m（3 648.4 KJ/d·亩）[15]。所以，前屋面角在一定范围内越大，冬季接受的辐射越多，蓄热就越多。从表1中可以看出，20%～22%后屋面投影所产生的前屋面角小于哈尔滨地区建造日光温室的最小前屋面角度29.2°，所以不予考虑。

4 有限元分析

4.1 有限元的单元划分

取该节能型日光温室其中一个重复单元，以钢骨架、覆盖PC板组成的整体为研究对象。其中，骨架选用beam4（空间梁单元），覆盖PC板选用shell63（弹性壳单元）。所有材料均考虑为线弹性，各向同性，在骨架底部施加约束条件，将各方向自由度约束，各杆件链接视为刚接。对日光温室几何模型进行smart size网格划分，结果为单元数83个，节点数104个，如图2所示。

4.2 计算 在日光温室总长度、跨距、脊高、前窗高度、后墙高度保持不变的前提下，以后屋面水平投影长度为变量，计算范围为跨度长的23% ～ 30%，以1%为跨度，对得到的日光温室模型施加最危险荷载组合，进行有限元分析，分别得到不同后屋面水平投影对应的新日光温室一个重复单元模型的合位移等值线图和等效应力场等值线图，统计数据如表2所示。

4.3 有限元结果分析

日光温室结构中采用的钢材主要是Q235沸腾钢，这种钢材是按照机械性能供应，即保证钢材的抗拉强度和伸长率满足国家规定的标准。这种钢材在使用、加工和焊接等方面性能都比较好，生产量大，取材容易，非常适合温室对结构鋼的要求，这种钢材也大量应用于工业建筑的结构中。由于计算时参考的是50年一遇的极端天气情况，所以计算出的变形和受力会比较大。根据机械设计手册，选取安全系数为1.25，许用应力为235 MPa，温室工程设计的刚度要求是最大相对位移控制在跨度的1.6%之内。

从表2中可以看出，当后屋面投影长与跨度之比为23%、26%、27%、28%、29%、30%时，节点中最大应力均超出钢的许用应力235 MPa，此日光温室结构在50年一遇的极端天气情况下存在安全隐患。当后屋面投影长与跨度之比为24%与25%时，节点中最大应力分别为204 MPa与222 MPa，均小于钢的许用应力。

因此，当后屋面投影长与跨度之比为24%～25%时，日光温室结构最合理。此时，日光温室在最危险荷载组合下的总体变形图和等效应力场等值线图，分别如图3、4所示，其中等效应力场等值线图是弯曲应力图和轴向应力图的叠加。

5 结论

（1） 对于此类型脊跨比为1∶2的无立柱圆弧形前屋面日光温室，当后屋面投影长与跨度之比为24%～25%时，日光

温室结构比较合理，是适合北方高纬度地区地理气候条件的

日光温室，课题组可按此比例进行建造。

（2） 此时日光温室的前屋面角30°±0.5°，满足哈尔滨地区建造日光温室的前屋面角度要求29.2°，对日光温室的内部采光较为有利，同时也有利于积雪从圆弧形前屋面上滑落。

（3） 此时的日光温室结构在在骨架承载能力、受载后的变形等指标上比较好，50年一遇的危险荷载情况下也不会超标，保证了日光温室的整体安全性。

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