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竖向荷载下日光温室钢骨架承载力有限元分析

文章出处:未知 人气:发表时间:2018-09-19 10:06
    随着宁夏地区农村温室种植经济的发展,钢骨架日光温室的应用越来越广泛. 通过调研,采集了宁夏地区日光温室钢骨架的典型结构形式及结构参数. 利用有限元方法分析了一系列有限元模型在竖向荷载作用及不同结构参数条件下,日光温室钢骨架的承载力与变形特点的变化. 提出不同形式的支座及其对钢构件的约束程度将使日光温室钢骨架承载能力产生较大的变化,支座刚度越大,承载能力越高. 在3 种杆件中,增加下弦杆直径的同时应使腹杆直径接近下弦杆直径是提高日光温室钢骨架承载能力的最佳措施. 为宁夏地区日光温室钢骨架设计及制作提供参考.
    由于光热资源十分丰富,近年来宁夏地区积极采取措施,大力开发利用钢骨架日光温室. 截至目前,宁夏已累计发展设施农业2. 74 万hm2 ,比上年增加0. 95 万hm2 . 但是,目前宁夏在钢骨架温室栽培应用中依然存在一些问题. 根据宁夏农牧部门统计,近年来常常发生由于钢骨架整体承载力不足而出现不利温室整体使用的过大变形以及整体倒塌事故. 宁夏地处西北,经济相对落后,对于农民而言,钢骨架拱棚日光温室投资较大. 一旦日光温室钢骨架倒塌,使得冬季温室作物减产或绝收,将给种植农户造成巨大的经济损失.
    现行的温室类行业规范,对于日光温室钢骨架的结构形式给出了相对详细的规定. 例如日光温室前坡屋面形状有抛物线、摆线、圆弧等形状. 制作钢骨架时,前屋面仰角根据拱架进深不同而发生变化等,并未对钢骨架承载力的影响因素明确地阐述. 而日光温室钢骨架结构承载力的变化是影响整体温室体系使用的重要因素之一. 宁夏大部分地区地处北纬36°~39°,其自然条件和日光温室钢骨架结构形式有自身的特点,如果照搬其他地区的温室钢骨架研究结果,其结构安全性、耐久性及经济适用性都会存在一定的不合理性. 因此针对宁夏普遍采用日光温室钢骨架的形式进行竖向荷载作用下承载能力的分析,了解影响钢骨架整体承载能力的主要因素,将有助于提高日光温室的抗灾性能及加固使用,对于发展宁夏的设施农业将会有很大的帮助.
1  宁夏常用日光温室钢骨架的结构及主要构件的形式
    调研发现,宁夏所采用的日光温室钢骨架的结构形式一般为无立柱或有立柱的单面拱圆式,其中无立柱的单面拱式占多数. 前屋面为拱式钢骨架,跨度较大,上铺柔性屋面材料;后屋面为平式钢骨架或梁,跨度较小,上铺刚性材料. 日光温室两侧有山墙抵抗的纵向水平荷载. 从其结构形式分析可以看出,前坡骨架跨度大,较为细柔,在竖向荷载作用下位移较大,其P2δ效应较其他受力部分更为突出,因此其在竖向荷载下结构承载能力将对温室整体受力起到控制作用.
    宁夏日光温室钢骨架的构件一般为上弦杆采用钢管,管径为50 mm 左右;下弦杆及腹杆采用钢筋,直径为10 mm 左右. 钢骨架间距1. 5 m 左右,平面外通常设置2 道至3 道水平支撑,支撑一般采用与下弦杆相近的钢筋或30 mm 左右的钢管,构件连接全部采用焊接形式. 腹杆采用比下弦杆直径小的钢筋拉花结构,顶部支座焊接于后坡骨架或屋面梁预埋件上,钢骨架底部支座焊接于基础预埋件上或仅与底部横向钢管支撑焊接. 温室跨度一般为6 m 左右,前屋面仰角变角处的高为1. 5 m , 前屋面仰角60°左右,屋脊高3 m 左右. 从几何特点来看,结构形式接近于钢管结构. 由钢管结构规范可知,不同结构构件参数将影响结构承载能力的大小. 此对其前屋面钢骨架结构构件参数改变条件下承载能力的分析进而了解整体温室结构的特性是非常有益的.
2  结构构件参数变化对承载能力影响的有限元分析
2. 1  数值模型及分析方法
    根据宁夏常用日光温室的几何特点,针对前屋面钢骨架形式,建立有限元分析模型. 型主要结构参数为:跨度6. 5 m ,脊高3. 0 m ,前屋面仰角边角处高1. 4 m. 上弦管采用Φ40 ×2. 5 至Φ65 ×2. 5 钢管,外径增量为5 mm ,壁厚均为2. 5 mm. 下弦及腹杆为Φ6 至Φ14 圆钢,直径增量为2 mm. 支撑为Φ30 ×2. 5 钢管,分别组成一系列不同结构参数的前坡钢骨架有限元模型,取连续4 跨结构,2 道横向水平支撑.模型中外荷载布置于上弦杆节点,模型形式及荷载布置如图1 所示. 采用有限元软件ANSYS 对模型进行竖向荷载作用下的极限承载力分析. 钢骨架杆件采用梁单元中的BEAM188 单元,并在节点处耦合,以协调单元的变形. 材料模型为线弹性、各向同性,钢材密度7 850 kg/ m3 ,弹性模量E = 2. 06 ×105MPa ,泊松比取0. 3.
图1 温室钢骨架数值分析模型
    图1 温室钢骨架数值分析模型
    由于温室结构体系杆件较为细柔,而且结构体系可以看作由多杆件组成的体系,所以实际荷载作用下结构会发生较大的位移与杆件位移叠加,而大位移会对承载力产生影响. 因此,在分析过程中打开NL GEOM 命令,以激活单元大变形效应. 对模型而言,因为刚度受位移影响,单元的形状和单元局部坐标方向改变将导致刚度的改变,且反之亦然. 因此激活单元大变形效应所得到的承载力更加接近实际承载力. 分析方法采用基于牛顿拉普拉斯法的弧长法,以便使用渐进加载方式的静态分析,通过合理调整总体荷载和加载子部数来找出结构的极限承载能力. 弧长法可在计算过程中得到荷载2位移曲线的下降段, 其曲线的顶点就是结构的理论极限承载力,但这时结构的变形已经过大, 在实际应用中已不再适合结构的使用,故通常以曲线上升段斜率急剧变化处的荷载作为钢骨架可承受的最大荷载.
2. 2  分析结果
    2. 2. 1  支座处不同约束条件下的承载力及变形比较
 图2 为钢骨架上下端位置和位移取值的节点位置. 如前所述,在我区日光温室钢骨架的建造中,前屋面钢骨架上端的杆件全部是通过焊接与后坡钢架或横梁预埋件相连,连接相对比较牢固,对于杆件约束很大,可视为具有一定的嵌固作用的支座. 但是前屋面下端与基础的连接却不尽相同,大多采用与预埋角钢点焊,而有些钢骨架直接将上弦杆插入到多孔砌块中后填埋. 虽然焊缝连接可以视为刚接即可以约束杆件的转角位移,但是由于支座刚度过小,对杆件的嵌固和约束作用就会大大减小,甚至只能达到铰接的效果. 根据数值分析可知,支座形式的不同将对前屋面钢骨架产生不同的约束程度,并直接影响其承载力的大小. 表1 为钢骨架上下端约束不同时,加载在单个上弦节点处的荷载所能达到的极限承载能力,即荷载2位移曲线顶点处的荷载值. 从表中可以看出,上下端固接时可以明显提高节点荷载的极限值,铰接相比,其承载力提高接近50 %. 此可见增加支座的约束刚度以及其对钢骨架杆件的约束程度,减少钢骨架杆件在支座处的转角变形,可提高日光温室承载能力.
图2  钢骨架上下端及位移取值节点
    图2  钢骨架上下端及位移取值节点
表1  不同支座约束条件下钢骨架承载力
    表1  不同支座约束条件下钢骨架承载力
    通过分析可知,在上弦杆竖向节点荷载作用下,竖向位移最大值发生在上弦杆件接近水平段的中部,即图2 中节点处. 图3 为作用于上弦节点的荷载在加载过程中,钢骨架最大竖向位移和荷载的变化趋势. 可以看出,在相同的加载条件和加载步及不同支座约束条件下,钢骨架的变形趋势基本相同,但是上下端固接钢骨架杆件的变形明显小于上下端铰接的钢骨架杆件,上端固接下端铰接的变形介于二者之间. 由此可见在荷载作用下,上下端固接的荷载二阶效应对杆件变形的影响最小. 这对于钢骨架整体的受力情况是十分有利的,所以上下端固接的钢骨架会有更高的承载力.
图3  节点荷载与最大竖向位移关系图
    图3  节点荷载与最大竖向位移关系图
    2. 2. 2  不同杆件直径对承载力的影响
    增加杆件的直径将增大构件的刚度,必然会提高钢骨架的整体承载能力,但是同时还会提高用钢量,从而使制作成本增加. 在建造钢骨架过程中,增加不同杆件的直径会对承载能力产生不同的影响. 在钢骨架加工过程中,上弦杆在骨架外缘,下弦杆处在内缘,桁架高度不大时,上下弦杆的长度基本一致且上弦杆略长于下弦杆. 表2 是分析中对模型分别改变上弦杆外径和下弦杆直径时,最大承载力的变化与钢骨架中杆件用钢量的变化对比. 从表中可以看出,承载力增加幅度基本一致的条件下,下弦杆的用钢量明显低于上弦杆的用钢量. 也就是说,为了提高日光温室钢骨架的整体承载能力,增加下弦杆的直径的经济性优于增加上弦杆的直径.
表2  承载力与用钢量比较表
    表2  承载力与用钢量比较表
    当下弦杆直径与腹杆直径之间的差值较大时,即腹杆直径比下弦杆直径小很多,骨架整体承载力增加较快. 但是当腹杆直径等于或大于下弦杆直径时,承载力增加效果就不明显了,基本趋于不变. 如图4 所示,通过仅增加腹杆直径提高承载力的方式在腹杆直径小于下弦杆直径情况下相对较明显,但当腹杆直径大于下弦杆直径时几乎没有效果. 因此,在日光温室钢骨架的建造中,选用腹杆钢筋的直径不宜大于下弦杆直径.
图4  构件用钢增量与承载力增量关系图
    图4  构件用钢增量与承载力增量关系图
3  结论
    1) 日光温室钢骨架的支座刚度以及支座处对钢骨架杆件的变形约束程度对其承载力影响比较大.在建造安装骨架时,应尽量增加支座刚度并使钢骨架与支座牢固焊接,以确保支座对构件变形的约束.
    2) 为了提高钢骨架承受竖向荷载的能力,宜优先考虑增加下弦杆直径,达到的经济效果是最佳的.
    3) 在钢骨架的加工与制作过程中,相对于下弦杆直径,腹杆的直径不宜过小,同时也不宜大于下弦杆直径,从而可使钢骨架具有较高的承受竖向荷载的能力. 良好的承载能力有助于日光温室钢骨架在使用过程中抵抗突发性外部作用,减小杆件的变形,从而保证日光温室应用上的安全可靠.

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