地震作用在温室荷载组合中的控制效应

胡 林，闫冬梅，周长吉※，闫俊月

（1.农业农村部规划设计研究院，北京 100125；2.中国船舶重工集团国际工程有限公司，北京 100021；3.农业农村部农业设施结构工程重点实验室，北京 100125）

0 引 言

《中华人民共和国防震减灾法》[1]第三十五条明确规定，除重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程需要进行地震安全性评价并按安全性评价结果进行抗震设计外，其他建筑工程均应按照建设地区地震烈度区划图所确定的抗震设防要求进行抗震设防。温室工程属于建设工程的范畴，理应遵循国家法律法规。根据《建筑抗震设计规范》[2]中的条文要求，抗震设防烈度为 6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计，同时，抗震设防烈度为6度时，除特殊规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。温室的设计使用寿命一般不超过20年[3]，使用中作业管理人员不多，温室破坏也不会产生次生灾害，按照《建筑工程抗震设防分类标准》[4]的规定，可划归为丁类建筑。由此可以确定，在抗震设防烈度为 6度的区域建设温室可以不进行地震作用计算，其他区域应按照相关规范进行地震作用计算。

由于中国温室结构设计规范尚未出台，温室结构设计是否要严格按照《建筑抗震设计规范》[2]的要求进行设计一直是行业内争论和纠结的一个问题。事实上，《建筑抗震设计规范》[2]也明确规定“行业有特殊要求的工业建筑，其抗震设计应按有关专门规定执行”。为此，国家发展和改革委员会、国家能源局、住房和城乡建设部、交通运输部等部门根据输油（气）管道、水电工程、水工建筑、核建筑、公路桥梁等不同建设工程的特点分别制定了相应的抗震设计规范[5-11]。

温室建筑属于农业工程的范畴，从结构类型看主要为组装式薄壁轻钢结构；从建筑形式看基本为单层结构，而且平、立面形式规则；从结构荷载看，由于屋面和墙面基本覆盖以塑料薄膜和单层玻璃为主的透光覆盖材料[12]，结构的自重很轻，地震作用引起结构的内力远小于恒活风雪荷载下的内力，即使考虑地震作用，结构构件的最不利荷载工况在大部分地区也是被恒活风雪荷载组合所控制。

美国温室制造业协会的《温室结构设计荷载标准》[13]中明确提出“不必考虑地震作用”；欧盟温室设计规范[14]中，按照承载能力极限状态设计时，德国、希腊、意大利等 3国考虑地震作用，比利时、芬兰、法国、荷兰、挪威、葡萄牙、西班牙、英国等8国则不考虑地震作用；日本设施园艺协会提出的《园艺设施结构安全标准》[15]中提出温室结构设计需计算地震作用。中国的台湾地区因全岛属于高烈度区，温室结构设计也要求进行地震作用组合[16]。

从上述不同国家和地区专用温室结构设计规范看，日本和中国台湾地区处于岛屿位置，希腊和意大利位于半岛区域，地震活动强烈，德国也在全球地震带上，这些国家和地区重视地震作用是客观需要。而美国的西海岸沿岸也是全球地震带，但从经济利益考虑全美温室设计都没有规定需进行地震作用计算。中国除局部地域有强烈地震活动外，总体上不处于地震带上。

受经济水平的限制以及引进荷兰和以色列等发达国家温室的影响，国内温室结构设计基本都没有完全按照工业与民用建筑结构设计相关规范进行强度和变形设计。从实际的运行效果看，目前国内还没有见到有关地震造成温室倒塌的案例和报道。相关温室抗震的研究仅限于理论层面[17-19]，与实际生产温室基本没有关系。所以，不论从国家规范层面还是从实际工程应用层面，相关温室结构抗震设计的可操作性的设计依据目前国内都基本处于空白。

为了能准确确定温室结构设计中地震作用的影响及作用效应，本文以屋面自重最大的文洛型玻璃温室（透光覆盖材料最重[20]，地震作用的效应最大）为研究对象，分析比较地震作用参与的荷载组合对结构的内力主控效应，由此来评判地震作用在温室结构设计中的作用与地位，拟为中国温室结构设计提出理论依据。

1 温室分析结构方案

1.1 温室结构形式选择

玻璃温室的结构形式主要有门式刚架结构、大屋面温室屋面梁结构和荷兰文洛型结构等。从国内实际生产应用的情况看，文洛型温室占绝大多数，尤其近年来引进和建设的大规模蔬菜种植玻璃温室基本都是文洛型结构[21]。因此，本文选择文洛型结构为研究对象。

1.2 温室建筑和结构构件的尺寸确定

文洛型温室的标准跨度为 6.4 m，开间为 3.0 m。近年来，随着机械化作业水平的提高，温室建设要求尽量减少温室内立柱的数量，由此温室建设开始向更大跨度和开间方向发展。目前国内采用的文洛型温室的跨度主要为 8.0 、9.6 、10.8 m，其中以 9.6 m跨度应用最多，在开间方向，国内文洛型温室多采用4.0 、4.5 、5.0 m的模数。结合生产实际综合考虑，本文确定文洛型温室以跨度9.6 m，开间4.5 m为基本单元进行建筑平面布置。

按照《建筑抗震设计规范》[2]的要求，规则建筑和不规则建筑在地震作用下的效应有较大的差异，应分类计算。这里所述的规则建筑和不规则建筑对温室来讲主要表现为平面形状的不同。规则温室主要有长条形和正方形两种形式，平面凹进尺寸大于相应投影方向总尺寸30%的缺角型温室为不规则温室[2]。

按照上述原则，本文选择确定了3种温室建筑平面：①接近正方形的6跨10开间（A模型，图1a）；②长条形的2跨10开间（B模型，图1b）；③L型的6跨10开间（C模型，图1c），其中A、B 模型为规则形平面，C模型为不规则平面。3种模型在高度方向尺寸保持相同，温室檐高6.5 m、脊高7.17 m（图1d）。

在结构设计上，桁架高度取520 mm，温室两侧第3开间设柱间斜撑和屋面水平支撑（C模型凹角侧因工艺布置要求将柱间斜撑和屋面水平支撑向内平移一个开间），两侧山墙中部设柱间支撑。结构材质为：钢管 Q235B、钢筋HPB300、铝合金6063 T6。

A、C模型的主体钢结构构件截面尺寸采用国内实际项目中的常用规格尺寸。B模型由于只有两跨，横向刚度较小，在采用和A、C模型同样的构件尺寸计算后发现柱顶位移超过规范的容许值，因此将B模型的部分钢柱截面加大直至计算结果满足规范要求。3种模型的主体钢结构构件截面尺寸详见表1。其中侧墙柱、山墙柱和角柱的尺寸主要依据中柱尺寸和构造要求来确定，同时对于天沟、屋面人字梁和屋脊梁 3种铝合金构件，因软件中无法对实际的铝合金异型截面进行分析和设计，故以抗弯刚度相当的矩形截面等效替代。

表1 主体钢结构构件截面尺寸Table 1 Section dimension of main steel structure component

2 温室荷载及其组合

2.1 荷载选取原则

根据温室工程设计经验，绝大多数情况下地震对主体钢结构的应力比不起控制作用。本文的荷载值将围绕寻找地震起控制作用的分界点这个目标进行选取。

根据《农业温室结构荷载规范》[3]和本文研究对象的工程实际情况，共设置9个荷载工况：永久荷载（D）、活载（L）、作物吊挂荷载（DG）、风荷载（Wx、Wy）、地震作用（Ex+、Ex-、Ey+、Ey-），其中L取屋面活荷载和雪荷载的较大值；下标x、y表示荷载作用方向为X轴、Y轴；+、-符号表示地震作用在同一个坐标轴的正反两个方向。

对于雪荷载、作物吊挂荷载等竖向作用的荷载，由于其参与地震作用，对不考虑地震作用的a类荷载组合效应和考虑地震作用后增加的 e类荷载组合效应都有直接影响，无法直接判断取值大小与a、e类荷载组合效应对比的关系，因此本文按国内可能出现的最小值和最大值分别取值计算。对于风荷载和地震作用，由于其均为水平荷载，同时风荷载的取值也不影响地震效应的大小，因此对风荷载按规范要求的最小值选取。

2.2 永久荷载

永久荷载包括钢结构、透光覆盖材料玻璃及其镶嵌材料和室内遮阳保温幕的自重。钢结构构件的自重和玻璃及其镶嵌框的自重（0.12 kN/m2）作用在温室屋面和外墙上，室内遮阳保温幕的自重（0.07 kN/m2）作用在桁架上弦上。

2.3 可变荷载

可变荷载包括屋面活荷载、风荷载、雪荷载和作物吊挂荷载。

1）屋面活荷载 依据《农业温室结构荷载规范》[3]，屋面均布活荷载标准值取0.15 kN/m2。

2）雪荷载 雪荷载分为有雪和无雪两种情况。温室屋面覆盖材料为玻璃，覆盖材料热阻值小、传热快，而且为保证温室采光会在每次降雪后及时清理屋面积雪，因此在温室结构设计中屋面雪荷载只需考虑单次降雪荷载即可。根据国家对降雪量等级的划分[22]，最大等级为特大暴雪，其定义为24 h降水量达到30 mm，故本文有雪情况的雪荷载标准值取不小于0.30 kN/m2。

3）作物吊挂荷载 依据《农业温室结构荷载规范》[3]，吊挂荷载按两种情况考虑：种植温室的最大吊挂荷载按小型盆栽类作物考虑，吊挂荷载取0.30 kN/m2，加载到桁架下弦；育苗温室和叶菜生产温室一般没有作物吊挂荷载，仅布置喷灌机的设备吊挂荷载，吊挂荷载取0.07 kN/m2，加载到桁架下弦。

4）风荷载 依据《农业温室结构荷载规范》[3]，基本风压按最小值0.25 kN/m2取值，地面粗糙度取B类，风压高度系数和体型系数按《农业温室结构荷载规范》[3]取值。

2.4 地震作用

为找到地震作用的控制点，抗震设防烈度分别按 7度（0.10g）、7度（0.15g）、8度（0.20g）、8度（0.30g）、9度（0.40g）取值。场地类别为Ⅲ类，地震分组为第一组，阻尼比参考《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[23]取0.05，采用CQC计算，自振周期折减系数取1.0。因玻璃温室设计使用年限为20年，水平地震作用按照《建筑抗震设计规范》[2]的计算结果再考虑0.65的折减系数[24]。

温室结构柱间斜撑及水平支撑由只承受拉力的拉杆组成，为几何非线性模型，振型分解反应谱法是线性分析，无法给出拉杆的正确受力。在Gen软件中需先采用线性模型进行特征值分析，得出 4个地震作用反应谱荷载工况（Rx+、Rx-、Ry+、Ry-）下的节点力，然后转化成地震作用静力荷载工况（Ex+、Ex-、Ey+、Ey-）下的节点荷载，再进行非线性分析。

2.5 荷载组合

为了直观得出地震作用的效应是否起控制作用，本文将荷载组合分为两大类，第一类是不考虑地震作用时的荷载组合，只采用5种荷载：D、L、DG、Wx、Wy，共40个荷载效应基本组合，简称a类荷载组合，其中组合a-1～a-20的恒载分项系数为1.0，组合a-21～a-40的恒载分项系数为0.95，详见表2；第二类是考虑地震作用后增加的荷载组合，因风荷载和屋面活荷载不与地震作用同时组合，故共计8个荷载效应基本组合，简称e类荷载组合，其中恒载的分项系数根据《农业温室结构荷载规范》[3]的要求只按1.0取值，详见表3。

表2 不考虑地震作用的荷载组合（a类）Table 2 Load combinations without seismic action (class a)

表3 考虑地震作用后增加的荷载组合（e类）Table 3 Load combinations with seismic action (class e)

2.6 荷载组别

根据荷载取值和组合的不同，对于 A、B、C3个模型，各自分别采用 8个荷载组别进行分析设计，各组别对应的不同荷载工况标准值大小及用于计算的荷载组别编号详见表4。

表4 荷载标准值取值及荷载组别编号Table 4 Load standard value and combination class

3 计算方法与结果分析

3.1 计算方法

Midas Gen是国际主流的空间有限元结构分析设计系统，可对文洛型温室、国内外异形塑料大棚等各种复杂空间结构进行精细化分析，并按国内外多个国家的设计规范进行内力分析和强度验算。本文采用该软件进行非线性静力分析，并根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[25]自动进行构件强度验算。

3.1.1 计算力学模型

1）构件单元类型

温室的桁架腹杆两端可按铰接考虑，在 Midas Gen中采用桁架单元建模，柱间支撑和水平支撑采用大长细比的钢筋作为拉杆，在软件中采用只受拉单元建模，其余构件均采用梁单元建模。

2）柱底边界条件

温室柱底边界条件根据不同项目的需求可按铰接和固结进行设计，本文采用实际项目中常用的铰接方式进行建模分析。

3）其余构件边界条件

柱顶与天沟连接采用铰接，人字梁与天沟采用铰接，桁架上下弦与钢柱连接采用铰接。

3.1.2 判定指标

按照《农业温室结构荷载规范》[3]的规定，承载能力极限状态设计应按荷载的基本组合计算荷载组合的效应设计值，并满足

式中0γ为结构重要性系数，Sd为荷载组合的效应设计值，N/mm²；Rd为结构构件抗力设计值，N/mm²。本文取为a类荷载组合的应力比，并应小于等于1.0。

按照《建筑抗震设计规范》[2]的规定，结构构件的截面抗震验算应满足

式中γRE为承载力抗震调整系数；S为包含地震作用的荷载组合效应设计值，N/mm²；R为结构构件承载力设计值，N/mm²。本文取为e类荷载组合的应力比，并应小于等于1.0。

根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[25]，主要设计指标包括强度、稳定性、宽厚比、长细比等，其中宽厚比和长细比不随荷载的变化而变化，因此本文通过对比不同荷载组合下的强度应力比和稳定应力比的最大值，来比较该结构在不同荷载组合下的安全性。

3.2 计算结果与分析

对表2和表3的不同荷载组合，应用Midas Gen软件分别进行内力分析和强度验算，给出各构件的最大应力比，并采用图形和表格的形式进行输出，如图2。

对A、B、C这3个模型8个荷载组别（表4）进行分析和验算，分别统计温室主体结构中重要的五类构件（角柱、中柱、侧墙柱、桁架上弦、桁架下弦）的最大应力比。

为了尽快找到地震作用主控的平衡点，减少重复计算工作量，先选取5个抗震设防烈度的中间值进行计算。在抗震设防烈度为 8度（0.20g）时，规则形平面布局的 A模型和B模型中，无论吊挂荷载和雪荷载取值多少，主要受力构件最大应力比均由不考虑地震作用的a类荷载组合控制（表5、表6），其中A模型的e类荷载组合应力比更接近a类荷载组合应力比，有可能在提高抗震设防烈度后会超过a类。但在平面布局不规则的C模型中，凹角处的角柱应力比明显比A模型大，同时因平面不规则导致刚度不均匀，使得部分侧墙柱在e类荷载组合下应力比增大，并最终导致4e组别的应力比略大于4a组别（0.31＞0.29），超越比例为7%（0.31/0.29-100%=7%），如表7。

表5 A模型8度（0.20g）构件最大应力比Table 5 Maximum stress ratio of model A in seismic intensity 8 degrees (0.20g)

表6 B模型8度（0.20g）构件最大应力比Table 6 Maximum stress ratio of model B in seismic intensity 8 degrees (0.20g)

表7 C模型8度（0.20g）构件最大应力比Table 7 Maximum stress ratio of model C in seismic intensity 8 degrees (0.20g)

编号No.

上述计算的风荷载是按照最小风荷载 0.25 kN/m2（相当于 8级风的风力）计算的。事实上，按照《农业温室结构荷载规范》[3]，0.25 kN/m2的风荷载地区全国只有5个，而且这些地区的抗震烈度除云南省腾冲市外全部在7度及以下，即使风荷载提高到0.26 kN/m2，达到该荷载的地区也仅仅增加3个，且达到抗震烈度8度（0.20g）仅有云南省普洱市的思茅区（表8）。总体来讲这些区域面积都很小，由此建议在抗震设防烈度8度（0.20g）区，不论是规则温室还是不规则温室均可以不考虑地震作用。

表8 中国最小风荷载地区的抗震设防烈度Table 8 Seismic intensity in areas with the smallest wind load in China

根据8度（0.20g）的计算结果推测，地震作用主控的平衡点就在 8度区。进一步将抗震设防烈度提高到 8度（0.30g）。计算发现，A模型的3e、4e组别中，中柱和侧墙柱的最大应力比都超过3a、4a组别（表9）。由此表明，在抗震设防烈度为8度（0.30g）时，规则布局的温室建筑地震作用也已经成为了主控荷载。所以，在抗震设防烈度达到8度（0.30g）时温室结构设计应考虑地震的作用。

表9 A模型8度（0.30g）构件最大应力比Table 9 Maximum stress ratio of model A in seismic intensity 8 degrees (0.30g)

4 结论与建议

通过对典型的规则和不规则建筑平面文洛型玻璃温室结构在地震作用参与和不参与的各种荷载组合下立柱和桁架的最大应力比的计算分析表明：

1）在抗震设防烈度为8度（0.20g）的地区，规则平面布置的文洛型玻璃温室主体钢结构构件的最大应力比主要由恒、活、风、雪荷载控制，地震作用不起控制作用。对于凹角等平面布置不规则的温室，个别构件可能因刚度不均匀导致地震作用起控制作用，但计算结果显示地震作用荷载组合下的最大应力比仅比恒、活、风、雪荷载组合下高7%，且本文风荷载仅按最小值 0.25 kN/m2取值，国内风荷载这么小的地区仅有 5个气象站点，其中只有一个地区的抗震设防烈度达到8度（0.20g）。同时文洛型玻璃温室的地震响应大于其他各种温室，因此本文建议在8度（0.20g）及以下的地区，各类农业温室在结构设计中可不考虑地震作用计算。

2）在抗震设防烈度为8度（0.30g）的地区，规则平面布置的文洛型玻璃温室主体钢结构构件的最大应力比由地震作用控制，且超过较多，因此建议在 8度（0.30g）及以上地区的玻璃温室在结构设计中应考虑地震作用计算。