不同计算模型的结构分析为了方便比较,以华东型连栋塑料温室为例,利用有限元法,按三维梁单元,对不同计算模型下的结构强度进行分析(暂不考虑稳定的影响)。温室主要技术参数:跨度7m、顶高5m、肩高3m、柱距3m、拱距1m;材料为Q235(A3)钢材,弹性模量为2.06×105N/mm2,重力密度为78.5kN/m3。抗风载能力:最大风速30m/s(相当于11级风力);抗雪载能力:最大积雪厚度30cm;作物荷载:0.15kN/m2。温室主体骨架结构的单位面积耗钢量为6.7kg/m2。主体结构杆件规格,如示。
折算设计风压为0.5625kN/m2。风荷载体型系数sμ随建筑物的外型不同,在其各部位产生的风压也不同,按建筑结构荷载规范有关规定选用,横向受风的风载体型系数,如所示。风压高度变化系数zμ,应根据地面粗糙度类别确定。由于建筑结构荷载规范仅给出最小高度5m时的zμ值,这对屋面平均高度小于5m的温室显然是取值偏大。所以应根据文献<4>给出的公式计算为32。02)35()/(=αμTzHZ其中,TH为梯度风高度,B类地区TH=350m;α为地面粗糙系数,B类地区α=0.16求得温室侧墙高=3m时,zμ=0.68;温室屋面平均高度Z=4m时,zμ=0.75;四是雪荷载S:按照美国温室制造业协会温室设计标准对雪荷载进行验算,取设计雪压S=0.30kN/m2,重要性因子I=0.8,雪荷载暴露因子eC=0.7,热因子tgC=1.00.对于均匀分布雪荷载作用,连栋塑料温室不论坡度大小,屋面积雪分布系数一律取1.0;对于非均匀分布雪荷载作用,其屋面积雪分布系数取线性分布,从屋脊的0.5增至天沟处的3.0.屋面积雪分布系数如所示。五是工况分析。工况1(恒载D+均布雪荷载S);工况2(恒载D+非均布雪荷载S);工况3(恒载D+风荷载W)。
横向受风的风载体型系数屋面积雪分布系数考虑部分空间作用的计算模型的结构分析根据结构布置和实际受力情况,选取部分空间作用(考虑了天沟、纵梁等的作用)的计算,如示。
部分空间作用的计算模型示意图在工况1、工况2和工况3作用下,按部分空间作用的计算模型得到的杆件最不利内力,如示。考虑不同连栋数的简化平面计算模型的结构分析根据结构布置和实际受力情况,选取简化平面计算模型。主拱所在的计算模型,如所示;付拱所在的计算模型,如示。
对照3种计算模型,在雪荷载作用下,拱杆的最不利应力发生在靠近天沟处;在风荷载作用下,边侧立柱的应力最大。用简化平面计算模型代替部分空间作用的计算模型进行计算,在工况2作用下:一是简化平面计算模型(考虑连栋作用)中主拱应力与部分空间作用的计算模型中主拱应力相差无几,付拱情况则相反,相差很多;二是简化平面计算模型(不考虑连栋作用)中主拱应力小于部分空间作用的计算模型中主拱应力,付拱情况则相反,相差很多;三是拱杆控制应力则是平面模型大于空间模型,两者的应力偏差水平为21.9%.
在工况3作用下:一是简化平面计算模型中立柱应力一般远大于部分空间作用的计算模型中立柱应力,两者的应力偏差水平分别为83.5%(单栋),49.9%(2连栋),23.1%(3连栋),7.5%(4连栋),-2.6%(5连栋);二是简化平面计算模型中主拱应力均大于部分空间作用的计算模型中主拱应力,付拱则相差更大。
对华东型连栋塑料温室来说,不均匀雪荷载对拱杆起控制作用,风荷载对立柱起控制作用,用简化平面计算模型代替部分空间作用的计算模型总体上偏于安全。但在连栋塑料温室设计中,要注意主拱的结构形式,因为在工况2作用下,简化平面计算模型中主拱应力(当不考虑连栋或考虑的连栋数较少时)小于部分空间作用的计算模型中主拱应力,即空间作用对主拱承载能力有不利的影响。
结论在对连栋塑料温室进行结构分析时,一般情况下可用简化平面计算模型代替部分空间作用的计算模型,以简化求解问题的工作量和难度。但在非均匀雪荷载作用下,用简化平面计算模型代替部分空间作用的计算模型,要注意空间作用对主拱承载能力的不利影响。对于需要精确分析和优化设计时,最好采用部分空间作用的计算模型。