温室推拉门组合式门边柱设计方法

承建温室工程的过程中经常会遇到要求加大推拉门尺寸的情况，以方便一些大型车辆的出入，而且要求用铝合金推拉门。例如有温室案例要求推拉门尺寸为宽×高=4 m×3.2 m，每扇门如图1。为保证推拉门能够承受10级风（W0=0.40 kPa），首先需要考虑是否有专用门边柱铝型材。在未找到合适专用门边柱铝型材的情况下，不得不采用普通铝合金矩形管来代替。青岛蓝天温室有限公司选择尺寸为120 mm×60 mm×

1.2 mm的6063-T5铝合金型材，然后在铝管内插入镀锌板折成的槽钢（图2），用一种组合结构的门边柱来解决此问题，其横截面如图3。

该组合结构门边柱需通过计算来明确镀锌板槽钢的截面尺寸。冷弯槽钢用镀锌板（Q235）制作，其屈服点σs=215 MPa。设风荷载垂直作用在每扇门上，最终由各门扇的两个边柱承载。每扇门在上下导轨间靠滑轮左右移动，每个门边柱受力情况视为一简支梁（图4），受力弯矩见图5。

假设风荷载垂直作用在门上，且风荷载为均布荷载，按照GB/T51183-2016《农业温室结构荷载规范》基本风压W0=0.40 kN/m2，则有：

Wk=W0×μs×μz×βgz

式中：Wk—风荷载标准值，kN/m2;

W0—基本风压，kN/m2，W0=0.40 kN/m2;

μs—局部风压体型系数，μs=1.2。

μz—风压高度变化系数，μz=1

βgz—阵风系数，βgz=1.7

代入得：

Wk=0.40×1.2×1×1.7=0.816 kN/m2

每扇门受风荷载：

Q=Wk×A

式中：A—单扇门面积，m2，A=3.2×2=6.4 m2。

代入得：

Q=0.816×6.4=5.22 kN

单个门边柱受的均布荷载：

q=Q/2L

式中：L—门边柱上下支点间距离，m，L=3.2 m。

代入得：

q=5.22/（2×3.2）=0.816 kN/m

所有符合此数值地区均可使用此设计，假设组合式门边柱在风荷载作用下，其铝合金矩形管与镀锌板槽钢是同时起作用的，即它们所产生的挠度是相等的：

f1=f2

式中：f1—铝合金矩形管在风荷载下的最大挠度，mm;

f2—镀锌板槽钢在风荷载下的最大挠度，mm。

铝合金门边柱在风荷载作用下最大挠度规定为≤20 mm[1]。

用简支梁在均布荷载下求挠度的公式可求出每个门边柱的最大挠度：

fmax=5qL4/384EI                                  （1）

式中：fmax—门边柱在风荷载下的最大挠度，cm，fmax=2 cm。

得：

fmax1=5q1L4/384E1I1=2 cm                     （2）

fmax2=5q2L4/384E2I2=2 cm                     （3）

式中：q1、q2—分別为铝合金矩形管与镀锌板槽钢所受到的风荷载之均布荷载，kN/m;

E1、E2—分别为铝合金矩形管与镀锌板槽钢的材料弹性模量，MPa，E1=0.7×105 MPa、E2=2×105 MPa;

I1、I2—分别为铝合金矩形管与镀锌板槽钢的截面轴惯性矩，cm4，I1=28.72 cm4;

代入（2）得：

q1=0.294 kN/m

因为q1+q2=q

得出q2=q-q1

q2=0.816-0.294=0.522 kN/m

将q2值代入（3）得：

I2=17.8 cm4

由于镀锌板槽钢截面的外形尺寸受铝合金矩形管内腔尺寸所限，所以仅需决定其壁厚即可。通过试算，当壁厚为2.5 mm时，其截面轴惯性矩I2=18.6 cm4，大于初设计算值17.8 cm4，这样，组合式截面二种材料承担的均布荷载就会发生变化，而必须进行修正。

通过式（2）与（3），可得：

5q1L4/384E1I1=5q2L4/384E2I2

简化得：

q1/E1I1=q2/E2I2

因此得出 q1=q2E1I1/E2I2=（q-q1）E1I1/E2I2

此处的I2为实际应用镀锌板槽钢的截面轴惯性矩。

代入各值得：

q1=0.286 kN/m

q2=0.53 kN/m

由于实际应用槽钢的截面轴惯性矩增大，因此在额定风荷载下其最大挠度会发生减小。

将选用镀锌板槽钢的截面轴惯性矩和重新分配的均布荷载值代入式（1）得：

fmax1=fmax2=19.4 mm≤20 mm，符合规定。

对于所选铝合金矩形管及镀锌板槽钢，虽然满足挠度要求，但还应进行机械强度方面的验证。对于均布荷载下的简支梁，最大弯矩发生在梁之中部，如图5所示。根据其最大弯矩的计算公式：

Mmax=qL2/8

式中：Mmax—边柱组件在风荷载下的最大弯矩，kN·m。

代入各已知数值，得：

Mmax1=0.366 kN·m

Mmax2=0.678 kN·m

依据公式：

σmax=Mmax/Wx

式中：Wx—边柱组件的截面系数，cm3，Wx1=9.57 cm3、Wx2=4.4 cm3;

σmax—组合式门边柱型材最大弯矩处的截面应力，N/mm2。

代入即得组合门边柱型材最大弯矩处的截面应力：

σmax1=38.3 N/mm2

σmax2=154.2 N/mm2

门边柱计算应力应符合下式要求：

σmax≤[σs]

式中：[σs]—材料强度标准值，N/mm2;

其中：

6063-T5：

[σs]=130 N/mm2[2]

Q235：

[σs]=215 N/mm2

σmax1=38.3 N/mm2<[σs]=130 N/mm2

σmax2=154.2 N/mm2<[σs]=215 N/mm2

经过计算，各数据均满足强度要求。

参考文献

[1] 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.铝合金门窗.GB/T8478-2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.一般工业用铝及铝合金热挤压型材.GB/T6892-2006[S].北京：中国标准出版社，2007.

作者简介：吴俊霖（1989-），男，山东平度人，工程师，研究方向为现代温室设计开发。

[引用信息]吴俊霖.温室推拉门组合式门边柱设计方法[J].农业工程技术，2021，41（04）：57-58.