吕梁地区日光温室弧形钢架荷载分析

张 毅 峰

(晋中市农业局，山西 晋中 030600)

吕梁地区日光温室弧形钢架荷载分析

张 毅 峰

(晋中市农业局，山西 晋中 030600)

针对吕梁地区已修建的10 m跨度的弧形钢架砖墙型日光温室，结合我国最新的建筑结构荷载规范，确定了作用在弧形钢架上的各种荷载，重点计算了弧形钢架的自重、雪荷载、风荷载，并且根据日光温室的实际使用情况，抛开北风风压对日光温室的影响，确定了三种可能不利荷载组合。

弧形钢架，日光温室，荷载

荷载是作用在温室钢架结构上的外力，包括自然荷载(风载、雪载、地震力等)和人为荷载(堆物、吊重、检修荷载等)，是温室钢架结构设计的基本依据。若取值过小时，经不起风雪袭击，对生命财产安全造成严重后果；若载荷取值过大，浪费材料，增加成本，并导致阴影增加，影响作物生长生育。因此确定一个合理的荷载取值，是日光温室钢架设计的基本前提[1]。温室产业发展较早的一些发达国家对温室结构荷载方面相关的标准和规范已制定出来。而我国日光温室发展较晚，对其荷载计算还没有制定出相关规范。目前对于日光温室荷载的计算，均参照国外相关准则再结合我国《建筑结构荷载规范》[2]来进行。本文结合我国最新修订的《建筑结构荷载规范》，同时考虑日光温室自身的弧形钢架受力特点，对吕梁地区日光温室弧形钢架进行详细的分析和计算。提出适合山西省吕梁地区日光温室的弧形钢架荷载计算和分析的方法，为日光温室结构参数的确定和弧形钢架结构的进一步优化提供依据，直接指导日光温室设计与建造，对温室产业的蓬勃发展有理论和实际意义。

1 日光温室钢管弧形钢架的荷载计算

建筑物所承受的荷载一般分为三类型：恒荷载、活荷载和偶然荷载。基于日光温室自身的结构特点和使用场合与普通民用建筑有较大区别，在考虑荷载时不考虑偶然荷载。其中恒荷载包括温室前屋面段钢架的自重、后坡段钢架的自重、前屋面覆盖材料自重、后坡保温覆盖材料的自重；活荷载包括雪荷载、风荷载、作物吊重荷载、施工荷载。

1.1 恒荷载

1.1.1 钢架前、后段自重

本文所研究的日光温室的弧形钢架结构形式为双管结构，如图1所示。弧形钢架的上弦规格为1寸的镀锌钢管，即外径为33.5 mm，壁厚为4.25 mm；下弦规格为4分的镀锌钢管，即外径为21 mm，壁厚为3 mm。弧形钢架的上下弦之间采用φ14镀锌钢筋按照一定角度双向交叉进行焊接，钢筋作为腹杆，增加屋顶的整体稳定性。经实际考察计算，该日光温室弧形钢架上弦长度为11 634 mm，其中后坡段长度为1 502 mm；下弦长度为11 322 mm，其中后坡段长度为1 348 mm；腹杆总长度为17 698 mm，其中前屋面段上的腹杆长度为16 273 mm，后屋面段上的腹杆长度为1 425 mm，所有钢材均为Q235钢材。

圆形截面钢管的重量(kg/m)=(od-wt)×wt×0.024 66

(1)

其中，od为钢管的外径，mm；wt为钢管的壁厚，mm。

钢筋的重量(kg/m)=D×D×0.024 66

(2)

其中，D为钢筋的直径，mm。

由式(1)，式(2)可得，弧形钢架上弦的重量为3.066 kg/m；弧形钢架下弦的重量为1.332 kg/m；腹杆的重量为1.21 kg/m。

一榀弧形钢架的前屋面段的用钢量为：

3.066 kg/m×(11.634-1.502)m+1.332 kg/m×(11.322-1.348)m+1.21 kg/m×16.273 m=61.05 kg。

一榀弧形钢架的后坡段的用钢量为：

3.066 kg/m×1.502 m+1.332 kg/m×1.348 m+1.21 kg/m×1.425 m=8.13 kg。

假设本文所研究日光温室的东西方向长度为60 m，则需要的弧形钢架数为61榀，则10 m跨度该日光温室前屋面段的用钢量为：

61.05 kg×61=3 724.05 kg。

后坡段的用钢量为：

8.13 kg×61=495.93 kg。

则10 m跨度日光温室的前屋面段弧形钢架的单位水平投影面积的自重荷载G1为：

3 724.05 kg×9.8 N/kg÷(9.12 m×60 m)=0.067 kN/m2。

10 m跨度日光温室的后坡段钢架的单位水平投影面积的自重荷载G2为：

459.93 kg×9.8 N/kg÷(1.12 m×60 m)=0.06 kN/m2。

1.1.2 前屋面覆盖材料自重

吕梁地区日光温室前屋面覆盖材料以稻草为常见。稻草容重1.2 kN/m3，厚度一般为3.5 cm，考虑受潮等因素增加20%重量，折成水平投影面载荷时，应考虑前屋面弧长和前屋面在水平地上的影长度之比，取G3=0.058 kN/m2。

1.1.3 后坡保温覆盖材料自重

后屋面保温覆盖材料自重荷载G4为：150 mm厚挤塑板自重为0.001 kN/m2，25 mm厚的1∶3水泥砂浆自重为0.5 kN/m2，80 mm厚白灰炉渣自重为0.8 kN/m2，卷材防水层自重为0.3 kN/m2，合计为G4=1.601 kN/ m2。

1.2 活荷载

1.2.1 雪荷载

雪荷载是屋面水平投影面上雪荷载标准值，应该按照式(3)来计算：

Sk=UrS0

(3)

式中：Sk——雪荷载标准值，kN/m2；

Ur——屋面积雪分布系数；

S0——当地基本雪压，根据《全国基本雪压分布图》，山西吕梁地区基本雪压为：S0=0.3 kN/m2。

10 m日光温室的弧形前屋面坡度角分布如图2所示，由图2可知，A点处的屋面坡度角α=25°，AC段为屋面坡度角α≤25°的屋面段，因此AC段的屋面积雪分布系数为Ur=1.0；B点处屋面坡度角α=47°，也是本日光温室弧形屋面上坡度角最大的点处，而本温室弧形屋面上不存在坡度角α≥60°的地方，因此也不存在屋面积雪分布系数Ur=0的地方。BA段的屋面坡度角α为25°和47°之间，这里我们将弧形的BA前屋面段近似等效为直线形的BA前屋面段，其坡度角近似等效为α=35°，因此BA段的屋面积雪分布系数近似等效为Ur=0.7。后屋面钢架(CD段)的坡度角为42°，经过保温防水处理后，后屋面的坡度角基本上保持α=42°不变，介于40°和45°之间，后屋面的屋面积雪分布系数Ur介于0.55和0.4之间，取Ur=0.5。

由式3)可得10 m日光温室的屋面雪荷载为：

BA段Sk1=0.21 kN/m2。

AC段Sk2=0.3 kN/m2。

CD段Sk3=0.15 kN/m2。

10 m日光温室的整个屋面雪荷载分布情况如图3所示。

1.2.2 风荷载

风荷载是指垂直作用于建筑物表面上的风压力，其计算方法与雪荷载的计算方法基本相同，见式(4)：

Wk=βzusuzw0

(4)

式中：Wk——风荷载标准值,kN/m2；

βz——高度Z处的风振系数，βz=1.0[3]；

us——风荷载体型系数；

uz——风压高度变化系数；

w0——基本风压，根据《全国基本风压分布图》，山西吕梁地区基本风压为：w0=0.45 kN/m2。

1)风压高度变化系数uz。

《建筑结构荷载规范》规定，对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别来确定。

日光温室建造地区一般属于B类即田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，风压高度变化系数的计算公式如下[4]：

uz=(Z/HT)2α×350.32

(5)

式中：Z——建筑高度，m；HT——梯度风高度，对于B类地区取350 m；α——地面粗糙度系数，对于B类地区取0.160。

求得：屋脊高度为3.9 m，前屋面和后屋面的风压高度变化系数为uz=0.739；后墙高度为3.2 m，后墙的风压高度变化系数为uz=0.692。

2)风荷载体型系数us。

参考《建筑结构荷载规范》中给出的如图4所示的其中一种屋面形式及表1给出的其风荷载体型系数来计算10 m日光温室的弧形前屋面在南风荷载下的风荷载体型系数。

表1 中间值按线性插值法计算

f/lus0.1+0.10.2+0.20.5+0.6注:f/l为封闭式落地拱形屋面的高宽比

因为整个拱形屋面基本上可等效为弧形前屋面与其镜像的合体，且日光温室的弧形前屋面是封闭式落地屋面，所以假设图4拱形屋面的左半屋面和右半屋面全部为日光温室的弧形的前屋面。假设的封闭式落地拱形屋面的高宽比f/l=3.9/(9.12×2)≈0.2(式中3.9和9.12分别为10 m日光温室的屋脊高度和弧形前屋面的水平投影长度，m)。由表1可得，在南风荷载下，10 m日光温室的弧形前屋面的风荷载体型系数为uz=0.2。

因此，根据式(4)可得：

刮北风时，10 m日光温室的前、后屋面风荷载为：

Wk1=-0.166 kN/m2,Wk2=-0.199 kN/m2。

刮南风时，10 m日光温室的前、后屋面风荷载为：

1.2.3 其他荷载

1)施工活荷载。

施工活荷载主要是操作前屋面保温帘或保温被操作人员的重量，在载荷的取值上可按温室屋脊作用一个80 kg的集中力考虑[5]。因此，施工活荷载取Q=0.8 kN/m2。

2)作物吊重荷载。

生产过程中某些作物(黄瓜、番茄等)挂在温室钢架上形成的荷载即作物吊重荷载。一般按均布荷载来考虑，取V=0.15 kN/m2。

3)覆盖材料卷重(屋脊集中)。

前屋面覆盖材料卷起在屋顶时，取集中荷载Q2=0.348 kN。

2 日光温室钢管弧形钢架的荷载组合

2.1 荷载分项系数λ

《建筑结构荷载规范》对永久荷载和可变荷载，规定了不同的分项系数。对永久荷载，当其效应对结构不利时，取1.2；当其效应对结构有利时，取1.0。对可变荷载，一般情况下取1.4。

2.2 可变荷载组合值系数ψ

荷载效应系数是结构或构件中的效应(如内力、应力等)与产生该效应荷载的比值，可按结构力学的方法进行确定。对于可变

荷载的组合值系数ψ，当有两个或两个以上的可变荷载参与组合且其中包括风荷载时，取0.85，其他情况下取1.0。

2.3 可能的最不利荷载组合

在北风作用下，日光温室的前屋面的覆盖材料无论是塑料薄膜还是草帘受到的都是负压作用，其结果都是对弧形钢架起到缓解受压的有利作用，因此，在考虑不利荷载组合时不考虑北风荷载。

本文用三种可能的最不利荷载组合对10 m日光温室钢架结构进行内力计算，即：

组合1——全部恒荷载+雪荷载+施工活荷载+作物吊重荷载(雪后人上屋顶作业)。

组合2——全部恒荷载(除了前屋面草帘自重)+南风荷载+覆盖物卷重+施工活荷载+作物吊重荷载(刮南风，草帘已卷起在屋顶，人上屋顶作业)。

组合3——全部恒荷载+南风荷载+施工活荷载+作物吊重荷载(刮南风，草帘已放下，人上屋顶作业)。

对应的荷载设计值为：

组合1荷载设计值=1.2×(G1+G2+G3+G4)+1.4×(Sk+Q1+V)；

3 结语

通过分析吕梁地区10 m跨度日光温室的结构形式，确定了该种日光温室的各种荷载，详细地计算了该温室弧形钢架的自重以及适合于该日光温室弧形屋面的特定雪荷载、风荷载。依据我国最新的《建筑结构荷载规范》，应用工程力学理论，对该日光温室进行了荷载分析，确定了三种可能的最不利荷载组合，即荷载组合1：雪后人上屋顶作业；荷载组合2：刮南风，草帘已经卷起在屋顶，人上屋顶作业；荷载组合3：刮南风，草帘已经放下，人上屋顶作业。

[1] 翟 莲，刘东辉，宋述尧，等.吉林省日光温室钢骨架的受力性能研究法[J].农机化研究，2011(8):31-34.

[2] GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[3] 张连永，李进京，孙新年.华北连栋塑料温室结构设计风荷载研究[J].农机化研究，2008(1):62-66.

[4] 张相庭，王 聪.圆弧曲梁单元的质量矩阵和刚度矩阵[J].同济大学学报，1985(2):18-28.

[5] 丛祥安，王志臣，杨晓波.日光温室设计受力载荷分析[J].辽宁农业职业技术学院学报，2002，4(1):26-27.

Analysis on the load of curved steel frame of solar greenhouse in Lvliang area

ZHANG Yi-feng

(JinzhongAgriculturalBureau,Jinzhong030600,China)

Aimed at 10 meters span cambered steel frame brick wall type solar greenhouse that has been build in Lvliang area, based on the actual structure of this type of solar greenhouse, combined with the latest load code for the design of building structures in our country, this paper confirms various loads on the cambered steel frame, and importantly calculates the weight of cambered steel frame, snow load and wind load. Based on actual service condition of the sola greenhouse, throwing off the influence of north wind pressure of the sola greenhouse, this paper confirms three possible adverse load combinations.

curved steel frame, solar greenhouse， load

1009-6825(2014)28-0029-03

2014-07-28

张毅峰(1972- )，女，农艺师

TU312.1

A