连栋温室钢结构框架稳定设计研究

摘 要：稳定性设计是连栋温室钢结构中的一项重要内容。目前，我国在民用建筑和工业建筑中对钢结构稳定性设计分析，一方面无法反映结构的真实力学特征，另一方面由于在设计上存在的问题较为严重，整个温室钢的质量过大。这对温室的发展十分不利。由此可见，对连栋温室钢结构框架稳定设计进行研究具有一定的现实意义。

关键词：连栋温室；稳定设计；钢结构；长度系数

中图分类号：TU391 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.114

目前，我国缺乏明确的温室结构设计理论，科技人员虽对温室结构设计进行了相应的研究与分析，但是并未形成一套稳定设计理论。温室结构与一般民用钢结构相比，其钢构件的截面更小。这对整个结构稳定性提出了更高的要求。在工程建设中，部分构件经常无法达到标准要求，影响工程质量，由此可见稳定设计的重要性。因此相关人员要加强对其的研究与分析。

1 温室结构的类型及特点

1.1 山形屋面温室

采用门式钢架结构制作温室，在应用此温室结构时，如果跨度大小超过了8 m，为了确保结构的稳定性，应当在门架梁中间建设一拉杆。对于温室的柱脚，在制作上应当使用刚接或铰接，梁与柱两者之间的连接则应通过刚接完成。通常情况下，跨度为6 m或者8 m，开间通常为3 m或者4 m。

1.2 三角形屋架温室

选用三角形屋架温室时，如果使用的体系为檀体系，梁柱在连接上应当选用刚接，柱脚则应当采用交接连接；跨度通常有8 m或9.6 m2种不同的情况，开间一般则有4 m或5 m2种情况。

1.3 拱形屋面温室

屋架的整体成一个拱形形状，在屋面上需要设置拉杆，注胶的制作则利用刚接或交接完成。其中，刚接主要用于柱与柱之间的连接，跨度通常有8 m或10 m2种不同的长度，开间则通常有3 m或4 m2种不同的类型。

1.4 三铰拱屋架温室

屋架主要由于吊杆和小桁架共同组成，屋架下弦的为轻钢拉杆中间吊杆，上弦的为小桁架，屋面上所应用的体现为檀体系。该结构的温室的柱脚也有刚接和铰接2种不同的方式，梁与柱之间的连接方式为刚接，跨度一般有9.6 m、12.8 m、15.0 m 3种不同的类型，开间通常也包括3种不同的类型，分别为3.0 m、4.0 m、5.0 m。

2 传统计算方法及修正后应用的困难

2.1 计算长度系数的传统方法

人们已经对计算长度系数的传统方法进行了大量的研究与分析。从研究结果可以看出，传统的计算方法存在以下弊端，受到了较多质疑：①传统的计算方法在对长度系数进行确定时，不会对结构中柱子与柱子之间的作用力加以考虑，而是简单地判断为处于同一层的所有柱子都具有相同的失稳状态，考虑问题不够全面，问题分析存在较大的漏洞。从大量分析结果可以判断，实际情况是，一个柱子在温室刚结构中是不会单独出现侧移屈曲的情况，只有整层结构才会出现侧移失稳的现象。②长度系数的计算来源于过于理想化的结构。对于轴压框架模型这种结构，梁中不存在弯矩，同时该结构也不存在初始侧移。但是从实际情况来看，结构中的框架梁是具有荷载的，并且存在初始弯矩和弯曲。因此传统计算长度系数的计算方法是不可取的，最终的计算结果与实际情况之间存在较大误差，会对结构的稳定性造成不良影响。③应用传统方法所计算出的长度系数从本质上看是有弹性的，而实际结构是弹塑性的。基于以上3点不难看出，传统的长度系数计算方法存在较多问题，必须对其进行修正。

2.2 修正后长度系数计算方法应用的困难

传统计算长度系数的方法所具有的物理意义十分明确，在具体过程中可以通过多框架算例的方式完成相应的验证工作。

通过分析可以发现，屈曲时，轴力较大的柱子失稳倾向更大，因此将会得到轴力较小的柱子的支援。在计算轴力大的柱子的长度系数时，需要在考虑这种相互支援后再进行相应的修正。这样，最终所获取的数值要比传统计算方法所获取的数值略小。在应用这种修正后的长度计算方法时会遇到以下困难：①一些受力较大的柱子会受到受力较小柱子的支撑。如果这种支撑作用达到了一定值，利用标准公式所计算的长度会略小于框架产生无侧移失稳时的计算长度。此时，在计算长度时，必须依照无侧移失稳进行。②计算某些轴力较小的柱子时，由于其对一些轴力较大的柱子提供了支持，如果在计算过程中仍然依据层稳定计算公式进行，计算的长度系数将会偏大，进而增加控制柱子的细长的难度。因此在具体计算过程中，最好直接通过验算的方式完成几何长细比。③除了长细指标外，还有轴力为零、轴力很小、轴力为柱子拉力。因为其在结构中会对其他柱子提供一定的支持，所以计算起来难度较大，可能会导致稳定系数很小，甚至无法查到。该现象在工程实践中经常出现，但是这并不表示承载力已被完全消耗。一旦应用常规方法计算，结果出现异常现象，必须寻找相应的改进措施，从而使计算变得科学、合理。

3 判断框架是否存在侧移失稳的方式

通过分析可以直接获取框架中每一侧刚度值K，框架存在侧移失稳，在没有水平力作用的状态下，框架在水平方向上将会出现较大移动。这一侧移说明了此时框架不再具有抵抗水平力作用。也就说，结构不再存在抗侧刚度。通过对大量的连栋温室钢结构进行分析可以发现，K值从大于0变为0的主要原因是受到竖向荷载作用的影响。这在结构中是一种负刚度，正好将结构中的正刚度抵消。

在具体分析过程中，假设结构在竖向上的荷载为V（N），在完成对框架临界荷载计算后，采用反算方式獲取负刚度，计算方式如公式（1）所示：

由此可以得到框架侧曲简单准则为K=- =0.各国的研

究结果表明，在整个结构中，α始终都在一个较小的范围内变化，在实际中对工程进行分析可以发现，α值取1.1时，临界荷载的误差不会超过10%.如果对长度系数进行计算，那么误差不会超过5%。由于实际工程中框架柱中α的取值处于1.05～1.15之间，在计算中取1.1，计算结果误差很小，因此，推导出

的K=- =0具有很强的应用意义。对于连栋温室钢结构框

架来说，计算分析时可以先设定一个荷载工况，该工况荷载是在每一个柱顶设计水平力，然后再对柱顶发生的位移进行计算。

4 层整体弹塑性失稳下的框架稳定系数

在连栋温室钢结构跨框架结构分析过程中，考虑到各柱之间相互作用的修正计算长度系数方法难度较大，结果准确率较低，因此应当提出一种新的计算方法。修改后的方案如下。

考虑到同层柱之间存在相互作用，第i根柱子的临界荷载计算方法如公式（2）所示：

式（2）中：m为非摇摆柱总数；n为柱子总数。

其中衔接摇摆柱，非摇摆柱αj=1.1，摇摆柱αj=1.0.在分析过程中，假设结构中的柱子细长，弹性范围内出现了失稳现象，稳定系数φ=PEi/Aify.此时，在引入抗拉分项系数时，可以得到公式（3）：

通过公式（2）和公式（3）可以发现，考虑整层失稳后，任意柱子轴力项都有相同的数值，不论柱子轴力受到的拉力是大还是小。

如果结构恰好在弹塑性阶段工作，可以对K值进行适当的调整。依照压杆弹塑性稳定的切线模量法及日后出现的压杆稳定系数，得出失稳层中的稳定系数。在分析过程中，通过对大量的跨度、长度细比、层数框架等多项内容的弹性进行深度分析，对结构中各种缺陷可能产生的影响都进行了充分考虑，对上述所提到的公式的合理性都进行了验证，结果表明，上述公式适合应用于稳定设计研究中。

5 温室柱整层失稳模式稳定设计修改意见

在连栋温室钢结构稳定设计研究中，依据整层失稳计算，需要单独计算每个柱子的稳定性，在完全弹性框架弹性结构中，所存在的弯矩并不会影响整个结构的稳定性。但是，需要研究人员注意的是，对于材料为弹塑性的实际框架，由于弯矩的存在，将会使梁柱更早地进入弹塑性，从而使框架的刚度被削弱，对框架结构的稳定性产生不良影响。因此在分析过程中，需要逐个考虑柱子弯矩对结构整体失稳性所造成的影响，采用线性分析弯矩的情况。

如果框架整层存在侧失稳现象，应当在强柱弱梁或柱子上下端开展塑性，同时在所有梁端或柱顶都接近塑形铰时，使层级的极限承载力达到最大。这也是计算整层稳定性的方法之一，并且应当与弯矩项相加。在此情况下，与传统方法相比，该方法的可靠度偏低，因此并不推荐使用。

依据整层对稳定性计算之后，能够确保的是整个框架在应用过程中不会出现整层侧移的情况。但是，无法确保框架中的单个柱子在具体应用过程中不出现失稳情况，因此需要对单个柱子的稳定情况进行计算与分析。通常来说，轴力较大时，并且在应用过程中能够得到其余柱子支援的情况下才有可能不会发生侧移稳失。结构中的摇摆柱子的验算只需进行无侧移屈曲验算即可。下面通过实例，对比采用不同算法的计算参数，具体内容如表1所示。

由表1中的数据可以看出，依据修正计算长度系数法，采用传统方法计算出的中柱计算长度变小了。因此在实际操作中可以适当减小中柱截面，从而使结构设计变得更加科学、合理。

在有水平力作用的基础下，应用稳定系数法计算长度系数，可以使钢结构的经济性得到提高。这主要是因为在水平力作用下，框架中的轴力分布不均匀，框架柱会得到更大支援，从而缩减了截面。

6 结束语

目前，多数温室在设计中都采用了中柱和边柱，采用本文提到的方法对温室柱设计进行了分析，在获取到不错的经济效益同时提高了结构的稳定性。但是，需要注意的是，一些结构中中柱采用上下铰接方式，在对这一结构计算稳定系数时，需要对无侧移失稳进行适当补充。

参考文献

[1]丁敏，李密密，施旭栋，等.考虑覆盖材料蒙皮效应的温室结构稳定承载力计算[J].农业工程学报，2016（S1）：224-232.

[2]王新忠，陶从炳，陆海燕.锯齿形连栋塑料温室的力学分析和结构优化[J].农机化研究，2011（10）：15-18.

[3]包立辉，张翔.连栋整体型大棚结构稳定性仿真检测研究[J].新余学院学报，2014（02）：6-9.

[4]黄政华，曲妮妮，徐懿，等.钢箍碳纤维布组合节点竹拱结构平面内稳定承载力试验[J].农业工程学报，2015（24）：179-185.

[5]張中昊，付强，范峰.斜拉杆增强温室双向网格型单层柱面网壳稳定性[J].农业工程学报，2016（10）：172-179.

[6]宋丹，王宏丽，李凯，等.日光温室钢架组合墙体结构研究[J].北方园艺，2013（03）：52-55.

〔编辑：刘晓芳〕