基于ANSYS的玻璃温室钢结构优化分析

朱赞彬 侯晨阳 龚守富

摘 要：为研究在不同荷载作用下温室钢结构的受力变形情况，本文重点对在2种极端组合荷载作用下钢结构的受力情况进行分析。通过建立温室钢结构的三维模型以及温室恒载、风荷载和雪荷载等各种荷载对钢结构影响分析计算，并结合ANSYS静力学分析软件依次对钢结构施加荷载，得到2种极端荷载组合下整个钢结构的受力图、弹性形变图以及应力云图，为此类温室的设计以及维护提供理论参考。

关键词：玻璃温室;钢结构;温室荷载;优化分析;ANSYS软件

中图分类号：S625.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）06-0068-06

Abstract：In order to analyze the stress and deformation of greenhouse steel structure under different loads， this paper mainly analyzed the stress of steel structure under two extreme combined loads. Through the establishment of the greenhouse steel structure three-dimensional model， the greenhouse dead load， wind load， snow load and other loads on the steel structure were analyzed and calculated. Combined with ANSYS statics analysis software， load was applied to the steel structure in turn， and the force diagram， elastic deformation diagram and stress cloud diagram of the whole steel structure under two extreme load combinations were obtained， which provided theoretical reference for the design and maintenance of this kind of greenhouse.

Keywords：Glass greenhouse; steel structure; greenhouse load; optimization analysis; ANSYS software

0 引言

我国对温室的研究多从影响作物生长的环境角度出发，而针对温室结构的研究相对较少。不同的温室在建设时其规模的重要性、耐久性以及失事造成的危害等方面的差别很大[1]。与其他建筑相比，玻璃温室属于简易设施类型，因而在受到极端天气影响时，温室的钢结构无法承受其荷载作用，结构会遭到损坏[2]。

我国温室建造起步较晚，目前温室建造技术主要是从国外引进的，其设计标准化问题备受业内重视，国内温室在建造方面缺乏理论依据[3-4]。近年来我国温室设施因极端天气而遭到破坏，使农业生产遭到很严重的损失。如图1所示。

近年来我国诸多学者对温室结构优化设计方面进行了研究分析。白义奎等[5]进行了新型钢骨架结构日光温室设计与测试，并进行了结构优化;魏宝发等[6]结合抗震抗压技术，设计出了 248 弓圆型无立柱日光温室结构，增强了整个温室的抗压抗风性;安巧霞[2]、 陈国辉等[7]设计出了适合高寒地区的半地下式温室，半地下式温室和传统温室相比更有利于室内环境的保温;李石[8]建模分析了北方高寒地区无立柱圓弧形前屋面日光温室的采光问题和结构安全问题，开发出适用于该地区的优化软件;林爱金[9]对一种桁架结构采用满应力方法进行结构优化，并且详细地阐述了优化过程。

我国要发展设施农业，温室建设是发展基础。温室不仅要求有良好的保温性能，还要有较强的抗风抗雪能力。因此，本文对信阳农林学院校内玻璃温室的钢结构进行设计，利用ANSYS有限元软件对温室的钢结构骨架进行静力学分析，为其结构设计提供理论依据。

1 钢结构主体框架的建立及荷载计算

1.1 ANSYS软件介绍

ANSYS是一种数值分析软件，可以用于解决现代工程学的很多问题[10]。ANSYS软件可以通过建模建立节点单元，也可以利用其他绘图软件导入建模，该软件操作较为灵活简单[11-12]。在利用软件分析过程中，根据研究对象，将其划分为多个节点、多个不同单元，再利用数值模拟进行求解，节点、单元划分的数量越多，求解结果也就越精确。对温室钢结构分析属于静力线性分析。

1.2 钢结构主体框架的建立

1.2.1 玻璃温室的选型

本文研究玻璃温室选型为三折式双跨Venlo（文洛型）型玻璃温室，温室覆盖材料选用性价比较高的PC板，主体结构材料选用Q235型钢，以保证其结构稳定性。该玻璃温室单跨9.6 m，长40 m，立柱高3.8 m，开间宽4 m，绘制温室的二维立面图如图2和图3所示。

1.2.2 玻璃温室钢结构三维模型的建立

SolidWorks（三维设计软件）是具有可以简单地进行放大和缩小功能的软件，可以利用工具模块中移动不同的面进行调整至所需要的几何体;还可以通过调整模型的基准面进行修改草图的尺寸大小，修改至所需的三维模型，利用该软件可以随时放大缩小、查看修改几何体[13]。为了分析节点间的受力性能，需要对其建立三维模型[14]，三维模型可以更加直观地模拟出实际的温室结构状况，利用该软件绘制出温室结构三维图，如图4所示。

由于温室各个单元受力一样，因此本文以溫室一个跨度的一个开间为单位进行优化分析。通过分离出的一个单位三维模型进行分析，如图5所示。

1.3 温室荷载计算

温室的设计荷载是温室结构强度和稳定性计算的前提，是保证温室结构设计安全的重要依据。有了准确的温室设计荷载再辅以科学的设计方法，可以避免所设计的温室发生因结构失稳而导致的温室倒塌;避免因过大的设计荷载得到过于保守的结构尺寸，导致了钢材浪费与建造成本过高的问题[15]。本文将参考GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》[16]和 GB/T 51183—2016《农业温室结构荷载规范》[17]，对9.6 m跨的玻璃温室荷载进行计算。

1.3.1 恒荷载

恒荷载指的是使温室结构或构件产生内力和变形的外力及其他因素。本文研究温室的屋面覆盖材料为玻璃，故参照GB/T 51183—2016农业温室结构荷载规范，该温室的恒荷载为：

1.3.2 风荷载

风荷载是空气流动对温室结构所产生的压力，是温室结构设计过程中的重要荷载之一[18]。本文参照GB/T 51183—2016农业温室结构荷载规范，风荷载计算公式为：

式中：W0为基本风压，基本风压取50年一遇风压，取值为0.35 kN/m2;μz为风压高度变化系数，地面粗糙度为C 类，取值为0.6;μs为风荷载体型系数，当μs=0.8时，风荷载Wk1为0.168 kN/m2;当μs =0.5 时，风荷载Wk2为0.105 kN/m2。

1.3.3 雪荷载

雪荷载是作用在温室结构屋面水平投影面上的雪压，其计算公式为：

式中：S0为基本雪压标准值，kN/m2，取20年一遇雪压，取值为0.44 kN/m2; Ct为加热影响系数，取值为1.0;μr为屋面积雪分布系数。

本文温室坡度角为28°，参照GB/T 51183—2016农业温室结构荷载规范，雪荷载按不均匀分布计算，当μr=1.6时，雪荷载Sk1为0.704 kN/m2;当μr =0.8时，雪荷载Sk2为0.352 kN/m2。

1.3.4 作物荷载

本文研究的玻璃温室选取的作物以番茄、黄瓜为主，依据GB/T 51183—2016规定，该温室作物吊重荷载值为Q1=0.15 kN/m2。

1.3.5 施工活荷载

施工活荷载指施加在结构上的由人群﹑物料和交通工具引起的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载。参考GB/T 51183—2016农业温室结构荷载规范，施工活荷载取值Q2=0.8kN/m2，作用于屋脊节点上。

1.3.6 荷载组合

依据各种荷载组合进行分析，本文选取以下2种最极端荷载组合进行研究。组合①：恒荷载+雪荷载（不均匀分布）+施工活荷载+作物荷载;组合②：恒荷载+风荷载（垂直于屋脊方向）+作物荷载。

1.4 温室钢结构力学计算

现分别计算上述2种极端荷载组合工况下的受力情况。其受力简图如图6所示。

2 基于ANSYS的温室钢结构力学优化分析

2.1 荷载组合作用下的钢结构静力分析

利用ANSYS有限元软件对温室钢结构进行建模、计算、分析，使钢框架结构更加可靠[19]。荷载组合作用下玻璃温室的钢结构静力分析是将上述2种极端荷载组合分别施加在有限元模型上。进行加载之后便可以得到这2种荷载组合作用下的应力应变云图。将温室的组合体进行结构离散化生成有限元网格如图7所示，该结构划分为44 776个节点，11 082个单元。

2.2 受力加载

依次对温室钢结构施加荷载，得到2种极端荷载组合下钢结构受力的应力应变云图。具体情况如下。

（1）组合①：依次施加作用于整个屋面上弦的均布雪荷载、下弦的均布作物质量、作用于整个屋脊人字梁平面的均布质量以及覆盖材料的均布质量。其各个力的大小及方向如图8（a）所示。

（2）组合②：依次施加作用于整个屋脊的人字梁和覆盖材料的均布质量、作用于立柱的均布质量、作用于整个屋面上弦的均布风荷载及下弦的均布作物吊重。其各个力的大小及方向如图8（b）所示。

2.3 ANSYS力学分析

施加相应约束与载荷后，2种极端载荷组合下的钢结构总体应变云图如图9所示，最大弹性变形图如图10所示，总体应力云图如图11所示。

由组合①的总体变形图9（a）得出：节点最大位移的位置在最外侧人字梁和桁架相接处，节点最大位移为0.031 4 m。由组合②的变形图9（b）得出：最大位移的位置为中部人字梁相接部，节点最大位移为0.018 7 m。通过上述结果分析得出，在2种最不利荷载下，钢结构的变形位移满足变形要求的条件：钢结构的最大位移值小于温室跨度的1.6%，即9.6×1.6%=0.153 6 m[20]，因此满足变形要求。

分析荷载组合应力云图11得出，组合①的最大应力为192.6 MPa;组合②的最大应力为203.24 MPa，2种荷载组合下的数值均小于钢材的许用应力235 MPa[20-21]，满足结构的承载力要求。

通过比较分析得出，组合①温室遭到破坏的原因为：当温室的屋面结构受到不均匀的雪压迫时，温室的钢结构无法承受，超出温室钢结构所能满足的最大应力，从而导致温室钢结构发生变形，温室受到损坏。组合②温室遭到破坏的原因为：温室结构在受到外部风力的作用下，温室内的压强大小基本不变，而温室外的压强在风力的作用下发生变化，从而使温室内和温室外的压强不同，进而导致温室的钢结构发生形变。

2.4 优化分析

通過对上述加载结果进行分析发现，在2种极端荷载组合下，钢结构的最大变形以及最大应力均满足要求，同时也确定了此钢结构最大应力发生在杆件的连接处，为应力集中区域，因此在对玻璃温室进行优化设计和施工中应加强此处的强度，同时防止连接处的焊缝或螺钉的生锈及松动。在建造设计时可以通过加大原结构构件截面和连接强度来加固钢结构连接处。

3 结论

本文以9.6 m跨的玻璃温室为研究对象，运用 ANSYS分析软件，对其进行了静力分析及优化设计。结合温室设计要求及原则，确定了适用于玻璃温室的2种极端荷载组合，组合①为：恒荷载+雪荷载（不均匀分布）+施工活荷载+作物荷载;组合②为：恒荷载+风荷载（垂直于屋脊）+作物荷载。然后运用ANSYS有限元分析软件，建立能反映玻璃温室基本实际情况（受力情况与弹性形变）的有限元分析模型。在有限元模型分析软件中分别加载了2种荷载组合情况，得到了不同荷载组合作用下的应力应变云图，分析得出该温室的钢结构满足变形和承载要求。本文通过分析确定了该温室的最薄弱处，为温室建造优化设计提供了理论参考。

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