新疆日光温室前屋面的风载数值模拟分析

马月虹，李保明，王国强，宋兵伟，刘 娜

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091；2. 中国农业大学水利与土木工程学院，农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083)

0 引 言

【研究意义】新疆各地区日光温室常有保温被被吹起、棚膜撕烂的现象，风灾是新疆东疆吐鲁番和南疆和田、喀什等地区日光温室生产面临的主要问题。日光温室的风载荷是新疆日光温室性能的主要考核指标。在进行日光温室结构优化设计时，模拟和计算各围护结构在当地实际承载的风雪载荷非常必要，直接关系到日光温室的性能可靠性和结构稳定性[1]。日光温室在生产种植过程中，会同时承受多个载荷[2]。6个组合中，有恒载+活载+雪载与恒载+活载+风载，雪载和风载采用谁大取谁的原则，不会同时出现[1]。由于雪载的作用方向与重力一致，相对比较单一，多数采取人工清雪和机械清理的方式预防雪灾，相对可控。而风载的作用方向多且变化复杂，且不可控，对风载的模拟有提前预测和防灾功能。日光温室的外围结构因为前屋面、后屋面和墙体的不规则、不对称，相对复杂，由钢骨架、北墙体、东西向拉杆等部件组成。开展日光温室结构的力学研究，必须根据计算模型的选取规律，用一个可表达其基本受力与变形特性的简略计算模型来替代实际日光温室结构[3]。现有的力学研究较多又成熟，对前屋面钢骨架建模分析，得到不同后屋面方案，计算荷载组合钢骨架的内力及其对北墙的作用力。【前人研究进展】Mathews-EH和Meyer-JP用实验分析和数值模拟相结合的方法，研究了半圆拱型塑料日光温室的风荷载取值[4-5]。宋占军[6]针对国内温室建立了5连栋温室受风雪荷载时半边结构的计算模型。郭万东等[7]利用计算流体力学软件CFX一5对华南型单栋温室的表面风压进行了数值模拟，并讨论了温室屋檐和屋脊处的风压分布特点。吕家圣[8]针对丘陵山区温室结构选型，建立了Venlo型、尖顶型、圆拱型3种典型温室，在改变跨度、风向角的情况下对温室表面风压进行了模拟研究。【本研究切入点】目前国内外预测和研究低层房屋风荷载的主要方法有：足尺模型场地试验( 或现场实测)、缩尺模型风洞试验、数值模拟。相对于高层建筑，低层房屋的全尺寸场地试验开展得较多[9]。数值模拟方法是20世纪80年代发展起来的一种新的建筑风载预测方法。经过20年的探索研究，目前在利用该方法预测简单体型的单体建筑方面已经取得了较大的进展[10-11]。【拟解决的关键问题】选取新疆和田地区的日光温室，日光温室保温被铺开、半卷、全卷、无保温被共4种工作状态，对4种保温被卷铺状态的前屋面风载进行模拟，使用UG 软件对日光温室和保温被进行不同位置模型，将墙体、顶部保温被、骨架等结构适当简化。

1 材料与方法

1.1 材 料

选取新疆和田地区的日光温室。模拟日光温室方位角南偏西8°；长度80 m；跨度8.5 m；脊高3.9 m；北墙墙体高2.2 m；墙体厚度50 cm；后屋面水平投影1.9 m；前屋面倾角33°；后屋面仰角40°。日光温室保温被铺开、半卷、全卷、无保温被共四种工作状态；被子厚度约50 mm，全卷时被子为圆柱体，被子的直径约400 mm，对4种保温被卷铺状态的前屋面风载进行模拟。图1

图1 温室截面示意Fig.1 Location of air guide wall

1.2 方法

使用UG 软件对日光温室和保温被进行不同位置模型，将墙体、顶部保温被、骨架等结构适当简化。

1.2.1 保温被的不同位置模型设计

红色为日光温室，黄色为保温被。图2

图2 保温被的不同位置模型Fig.2 Three dimensional drawing of different positions of insulation quilt

将上述模型与空气进行布尔求差，得到整体的模型。日光温室底面为X向80 m(-40 m

将UG中做好的模型导入到ANSYS ICEM中，进行网格划分。图4，图5。

图3 日光温室整体模型Fig.3 Whole model of greenhouse

图4 整体模型网格划分Fig.4 Global model mesh generation

图5 日光温室模型网格划分Fig.5 Gridding of greenhouse model

1.2.2 风模拟

由于日光温室方位为南偏西8度，且项目区多西南风，每年2～4月多大风天气，风力为6～7级，可取风与日光温室的夹角为45+8=53°，风速取为13.8 m/s。则可计算得X向风速为8.28 m/s，Y向风速为-11.04 m/s。图6

图6 风向示意Fig.6 Wind direction diagram

2 结果与分析

2.1 保温被状态对薄膜风压的影响

研究表明，无保温被时，围护结构最南部风压大，约1.014×105Pa,脊高位置风压最小约1.010×105Pa,其它位置风压大小差异性不大，约1.013×105Pa。图7

图7 无保温被时薄膜风压Fig.7 Film wind pressure without thermal insulation quilt

保温被全卷时，南部风压最大，约1.014×105Pa,其它位置风压大小差异性很小，约1.013×105Pa。由风向原因，后屋面西段风压明显最小，约1.012×105Pa。图8

图8 保温被全卷时薄膜风压Fig.8 Film wind pressure when the insulation quilt is fully rolled

保温被半卷时，也是南部风压最大，约1.014×105Pa,保温被卷铺位置风压有个骤减，约1.012×105Pa,接着回升，后屋面西半部风压又明显减小，约1.010×105Pa。图9

图9 保温被半卷时薄膜风压Fig.9 Film wind pressure when the insulation quilt is half rolled

保温被全铺时，南部风压最大，约1.014×105Pa，向北部逐渐降低，脊高位置风压最小，约1.010×105Pa，后屋面西头风压明显比东段小，约1.012×105Pa。

再通过Y向的九条曲线(X=-39 m，-30 m，-20 m，-10 m，0 m，10 m，20 m，30 m，39 m)画出不同条件下风压变化对比曲线。图10

图10 保温被全铺时薄膜风压Fig.10 Film wind pressure when the insulation quilt is fully laid

图11 提取风压位置示意Fig.11 Schematic diagram of extracting wind pressure

图12 不同保温被状态薄膜风压Fig.12 Thin film wind pressure

在X=-39 m，-30 m，-20 m，-10 m，0 m，10 m，20 m，30 m，39 m九个断面，无保温被和保温被全铺，薄膜风压的两条曲线重叠，薄膜风压基本一样。图11

保温被半卷和保温被全卷，薄膜风压变化趋势接近，保温被半卷在保温被卷放位置有个突变，因为卷放的被子约高400 mm，风压遇障碍物，有突变。保温被半卷和保温被全卷薄膜风压其它位置相近。从X= 0 m，10 m，20 m，30 m，39 m，-10 m，-20 m，-30 m到X=-39 m断面，从两者风压值相同到保温被全卷略大于保温被半卷风压值，保温被半卷和保温被全卷两者间的风压差值逐渐增加。4种位置风压为：无保温被=保温被全铺<保温被半卷<保温被全卷。图12

3 讨论

在无保温被和保温被全铺时，薄膜南侧风压最大，约1.014×105Pa，脊高位置风压最小约1.010×105Pa,北侧风压低，约1.013×105Pa，分析是由于南侧风遇到阻碍，造成风压的升高，而北侧位于日光温室顶端，风速快，而风速快的位置风压小[12]。且两种方式下薄膜风压及风压变化规律接近一致，可见保温被全铺与不铺对薄膜表面压强影响不大。

在保温被全卷及半卷时，最南侧风压较大，约1.014×105Pa,脊高位置风压最小约1.010×105Pa,其它位置风压大小差异性不大，约1.012×105Pa。往北有风压的降低，再往北则会重新升高。南北两侧风压的升高分析是由于风遇到了日光温室或保温被的阻碍。对于保温被半卷时，在保温被卷放位置会有风压的突变。

无保温被、保温被全铺、保温被全卷及保温被半卷4种情况南侧风压相差不大，但越往北侧，保温被全卷或半卷会造成薄膜风压的升高，尤其是屋脊顶部的突然升高。李晓豁[13]的研究，风荷载的体型系数极值通常出现在特殊边角位置，如迎风面东西山墙的顶端屋檐与屋脊，此类位置亦是风压激烈变化位置，通常风口前缘会出现最大值，日光温室屋面其它位置的风压则变化平稳[13]。该文模拟结果与李晓豁[13]研究结论一致，且该模拟能得到薄膜各个位置具体风载数据，准确合理。

4 结 论

保温被3种位置状态风压为保温被全铺<保温被半卷<保温被全卷，因此保温被全铺是最佳的防风方案。因各位置方案都是南侧风压高，南侧前屋面钢骨架底脚拱形段的风载最大，达到1.015×105Pa。新疆北部地区日光温室风雪荷载的计算分析[1]由分段式计算得Wk东南等于0.50 kn/m2，知风载极值在前屋面拱形段。此段结构性能对日光温室前屋面稳定性和安全性至关重要，设计和建设时需要着重计算和核验。

该模拟将日光温室结构简化，使用UG 软件造型，将模型与空气布尔求差的整体模型导入ANSYS ICEM再网格划分，得到保温被4种状态薄膜风压，对比风压变化，该模拟方法能得到温室各个位置具体风载数据，准确合理。