农业种植大棚风雪荷载计算及结构优化

张天虎,钟建琳

(北京信息科技大学 机电工程学院,北京 100192)

0 引言

农业种植大棚从骨架上主要分为竹木结构、钢架混凝土结构、钢架结构、钢竹混合结构等[1-2]。钢架结构大棚更加坚固,不易毁坏,使用寿命长,无中间支柱,内部操作空间大,易于安装、拆卸,并且运输方便,因此在种植业得到广泛应用。大棚骨架是支撑覆盖物的主体结构,它的承载力是衡量大棚骨架优劣的主要标准,骨架的性能直接影响大棚的使用寿命。

综上,大棚在恶劣的环境下,可能产生巨大形变而不能使用,造成经济损失。因此本文采用中国和美国相关规范对风雪荷载进行计算,使用ANSYS Workbench软件对大棚边柱与地面所成夹角不同的大棚结构进行静力学分析,得到其应力和形变情况,得出最优的大棚骨架结构,提高了大棚的承载能力和稳定性。

1 大棚骨架结构

本文研究的农业种植大棚骨架为钢架结构,中间无支柱,长37 m,宽8 m,高3.8 m。大棚骨架主要由边柱、立柱、横梁、拱杆、纵拉杆、斜八字撑、角铁(断面为L型钢材)和连接件(连接纵拉杆和拱杆)组成。大棚边柱与水平面垂直安装的简图如图1所示。该大棚的整体结构如图2所示。

图1 大棚边柱垂直安装Fig.1 Vertical installation of the side columns of the greenhouse

图2 大棚骨架Fig.2 Framework of the greenhouse

该大棚骨架采用镀锌钢材构成,材料参数如表1所示。

表1 大棚骨架材料参数Table 1 Material parameters of the greenhouse′s framework

2 风雪荷载计算

2.1 风荷载计算

美国规范[8]和中国规范[9]中关于基本风速的定义都涉及到离地高度、地面粗糙度、平均时距、重现期等因素,除了平均时距不同外,其余因素基本相同。美国规范中平均时距为3 s,突出了风的脉动峰值作用,得出的最大风速较大;中国规范中平均时距为10 min,平均时距比较长,会把较多的小风考虑进去,得出的最大风速较小。

该大棚骨架为封闭结构,高度H小于18.30 m,长宽比(L/B)为4.63,在2至5之间。该大棚建筑场地为平坦的丘陵地带,不会经过小山、山脉和悬崖等,因此地形系数Kzt=1。该大棚符合文献[8]中建筑物的标准。同时由于该大棚有出口需求,因此采用文献[8]中风荷载的计算方法,具体步骤如下。

1)计算基本风速。由于该大棚失效时不会对人和公众造成重大威胁并且不含剧毒物质,因此大棚风险级别为Ⅱ级。风险等级为Ⅱ的建筑物的基本风速重现期为700 a。由于采用美国规范,需按式(1)将中国的基本风速换算为美国的基本风速[10-12]。按照最大抗风等级5级,中国基本风速v0=30 m/s对大棚的承载能力和稳定性进行评估。

vT=[0.51+0.14ln(12T/a)]v0

(1)

式中:T为基本风速重现期,单位为a。由(1)式计算得到v700=53.25 m/s。

2)计算静压力。该大棚建立在远离海岸并且周围没有障碍物的地区,因此暴露类别为C。根据基本风速、大棚高度、大棚长宽比和暴露类别等,确定大棚顶部静压力Ph1=1.25×10-3MPa。

3)计算风荷载。根据地形系数Kzt,计算大棚顶部最大风荷载Ph,Ph=KztPh1。由于2

2.2 雪荷载计算

该大棚出口地雪荷载情况与中国相似,因此采用文献[9]中的方法对雪荷载进行计算。

Sk=μrS0

(2)

式中:Sk为雪荷载标准值,单位为kN/m2;S0为基本雪压,单位为kN/m2;μr为屋面积雪分布系数。该大棚倾角小于25°,可得μr=1。

该大棚骨架不属于大跨度结构,因此采用50年重现期的雪压,为模仿极端天气,选用近50年最大的基本雪压进行计算[13],最大基本雪压为1.15 kN/m2,依据式(2)可得到最大雪荷载为1.15×10-3MPa。

3 大棚骨架有限元模型

3.1 模型及边界约束

在SolidWorks软件中建立大棚三维模型,将其以step格式导入ANSYS Workbench软件中。

大棚边柱底部和立柱底部埋入地面以下500 mm,无法旋转和移动,因此采用固定约束。ANSYS Workbench中接触形式有绑定、不分离、无摩擦、粗糙、有摩擦和强制摩擦滑动6种接触形式。纵拉杆与连接件使用楔子连接,建模时将其简化为纵拉杆与连接件上圆孔的连接,因其可能发生切线方向的移动,因此采用有摩擦接触。其余零件为焊接,因此采用绑定接触。网格大小为40 mm。

3.2 荷载施加方式

荷载包括风荷载、雪荷载和耦合荷载,将计算出的各荷载等效为静应力均匀地施加于大棚骨架。其中风荷载平行于地面施加,雪荷载垂直于地面施加。

3.2.1 风荷载施加方式

根据计算结果,将风荷载以均匀分布方式加载到迎风面和背风面,迎风面风荷载方向由外向内,背风面风荷载方向由内向外。风荷载施加方式分别如图3(a)和(b)所示。

图3 施加风荷载Fig.3 Applying wind load

3.2.2 雪荷载施加方式

根据计算结果及实际情况,施加雪荷载时,还要考虑大棚覆盖物重力的影响。覆盖物为草苫和薄膜,1 m2面积上的质量为2.1 kg,对应的压强为2.06×10-5MPa。因此施加1.17×10-3MPa的雪荷载,将雪荷载视为均匀分布,施加方向垂直于地面向下,如图4所示。

图4 施加雪荷载(局部)Fig.4 Applying snow load (local)

3.2.3 两种荷载的耦合

两种荷载进行耦合,即风荷载和雪荷载同时加载于大棚骨架上,加载方式和大小与单独加载时一致。

4 应力和形变仿真分析

通过ANSYS Workbench求解,得到边柱与水平面垂直安装的大棚(下文简称90°大棚)在3种工况下的形变和应力云图。

施加风荷载工况:最大形变在大棚顶部,最大形变为5.98 mm;最大应力在斜八字撑与纵拉杆焊接处,最大应力为94.7 MPa,分别如图5(a)和(b)所示。

图5 风荷载下90°大棚形变和应力云图Fig.5 Nephogram of deformation and stress of the 90° greenhouse under the wind load

施加雪荷载工况:最大形变在大棚顶部,纵拉杆的中部,最大形变为43.2 mm;最大应力在斜八字撑与纵拉杆焊接处,最大应力为291 MPa,分别如图6(a)和(b)所示。

施加风雪耦合荷载工况:最大形变在大棚顶部,纵拉杆的中部偏向背风面,最大形变为49.0 mm;最大应力在斜八字撑与边柱的焊接处,最大应力为394 MPa,分别如图7(a)和(b)所示。

图6 雪荷载下90°大棚形变和应力云图Fig.6 Nephogram of deformation and stress of 90° greenhouse under the snow load

图7 风雪耦合荷载下90°大棚形变和应力云图Fig.7 Nephogram of deformation and stress of 90° greenhouse under the coupling load of wind and snow

5 大棚骨架结构优化仿真

5.1 优化参数和目标分析

由于大棚内种植菌类作物,不需要阳光直射,因此边柱与地面应该有一定的夹角。边柱与地面的夹角不宜过小或过大,过小将会降低大棚空间的利用效率,减少农作物的产量,承载能力也将会下降;过大时耗材多,不利于草苫和薄膜的覆盖,表面积减少。因此采用边柱与地面夹角(α)成85°、84°、83°、82°、81°、80°的大棚骨架结构进行静力学分析。在总体长度、总体高度、横梁高度、边柱的竖直高度、拱杆弯曲程度、边柱与地面连接的宽度和载荷状况不变的情况下,通过改变边柱与地面的夹角,根据得到的形变和应力情况,以应力为主要指标,确定最优的大棚骨架结构。

5.2 不同角度大棚仿真分析

对α为85°、84°、83°、82°、81°、80°的大棚,分别施加风荷载、雪荷载以及风雪耦合荷载,施加方式及荷载大小同3.2节,进行静力学仿真分析,得到的最大应力和形变结果如图8所示。

图8 不同角度下大棚的最大应力和形变Fig.8 The maximum stress and deformation of greenhouse with different angles

由图8可知,风荷载下最大形变和应力随角度α的减小而减小;雪荷载下最大形变随α减小而减小,最大应力随α先减小再增大;耦合荷载下,最大形变和应力随α先减小后增大。在边柱与地面的夹角α为82°时,雪荷载和耦合荷载下应力最小,风荷载下应力变化幅度不大;耦合荷载下形变最小,风荷载下形变变化幅度不大,雪荷载下形变大于81°和80°。

满足应力最小的前提下,形变尽可能小,进行优选,确定边柱与地面的夹角为82°的大棚骨架结构最优。82°大棚的安装简图如图9所示。

图9 优化后大棚的安装Fig.9 Installation of the optimized greenhouse

5.3 优化后的大棚形变和应力分析

对大棚骨架施加风荷载产生的最大形变为4.54 mm,最大应力为51.5 MPa,如图10所示。对大棚骨架施加雪荷载产生的最大形变为31.6 mm,最大应力为378 MPa,如图11所示。风雪荷载耦合情况下最大形变为35.9 mm,最大应力为431 MPa,如图12所示。最大应力和最大形变出现位置与90°大棚骨架结构相似。

图11 雪荷载下82°大棚形变和应力云图Fig.11 Nephogram of deformation and stress of 82° greenhouse under the snow load

图12 耦合荷载下82°大棚形变和应力云图Fig.12 Nephogram of deformation and stress of 82° greenhouse under the coupled load

6 结束语

应用有限元软件对大棚骨架进行静力学分析,得出风荷载、雪荷载和耦合荷载作用下大棚骨架最大形变和最大应力位置。风荷载作用下,最大形变在大棚顶部;最大应力在斜八字撑与纵拉杆焊接处。雪荷载作用下,最大形变在大棚顶部,纵拉杆的中部;最大应力在斜八字撑与纵拉杆焊接处。耦合荷载作用下,最大形变在大棚顶部,纵拉杆的中部偏向背风面;最大应力在斜八字撑与边柱的焊接处。

通过改变大棚边柱与地面的夹角进行优化分析,得出边柱与地面夹角为82°时最佳,对应的风雪荷载作用下的应力最小,形变的变化幅度不大。优化后大棚承载能力和稳定性得到提高,可以为工程应用提供参考。