[工程][案例][资料] 某农业玻璃温室结构设计 [Structural design of an agricultural glass greenhouse]

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某农业玻璃温室结构设计

作者:李华荣 、崔济东

0. 概要

根据建筑平面布置及功能要求,​对某农业玻璃温室结构进行横向结构体系、纵向结构体系的方案比选,并对结构的正常使用极限状态,承载力极限状态等方面进行详细计算分析。结果表明,该温室结构具有很好的承载能力和变形性能,可满足相关规范的设计要求,较好的实现了建筑效果及使用功能。

1. 项目概况

本项目位于贵阳市,为玻璃温室结构,建筑平面尺寸为205m×240m(图1),室内分为4个不同的气候区,分别种植不同气候品种的蔬菜,结构整体不设缝,根据建筑要求,柱网距离为12m×5m,单个12m跨单元剖面见图2,温室檐口高度为5.3m,屋面造型为1跨3尖顶形式。

图1 建筑平面示意图

图2 建筑剖面示意图

2. 横向结构体系选用

温室横向240m长度范围,根据建筑对种植区宽度的划分,每间隔12m可设置一根结构柱,但横向平面面内不能设置柱间支撑,以免影响机器及人员通行,所以横向结构体系优先选用具有一定抗侧能力的门式钢架。

从稳定性角度考虑,门式钢架中的钢柱优先选用薄壁钢方通,而门式钢架的横梁选用,则进行了方案对比,在满足强度及挠度计算的前提下,整体模型实腹钢梁用钢量为206吨,桁架用钢量为66吨,实腹梁用钢量为桁架用钢量的3倍,所以,在同样满足结构安全的前提下,从经济性角度考虑,优先选择格构桁架方案(图3 ),即 《农业温室结构荷载规范》规范中提到的 文洛型屋架。

图3 横向结构体系方案对比图(文洛型屋架)

3. 纵向结构体系选用

温室纵向205m长度范围,建筑对柱间距密度无特殊要求,在205m中间位置留出通行走道即可,所以纵向柱位最后确定为跨度适中且和能被总长整除的5m作为模数。

纵向结构体系,也需要保证足够的抗侧能力,以满足整体结构在水平荷载下的变形要求,根据常规设计思路,主要有两种形式可选用,一种是刚接柱脚排架,另一种则是铰接柱脚+柱间支撑,两种结构形式各有利弊。

刚接柱脚排架方案的优缺点:刚接柱脚排架优点是对温度荷载作用下的结构变形约束相对较弱,两端的钢柱不会累积过多的温度应力,钢柱截面可控制在较小截面B110×3;缺点则是由于支撑数量少,整体纵向刚度会相对较弱,纵向钢架在风荷载下的位移角为1/530,但也可以满足《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022的1/100限值要求,同时为了达到刚接效果,柱脚节点制作及安装也相比铰接柱脚麻烦。

铰接柱脚+5道柱间支撑方案的优缺点:优点是支撑数量较多,结构纵向刚度大,风荷载下位移角为1/2650,同时铰接柱脚节点构造简单,制作和安装更方便;缺点则是越靠近两侧柱间支撑处钢柱的温度应力越大,钢柱截面越大,两侧第一道柱间支撑处钢柱截面需要做到B140×3。

综合考虑对比后,虽然铰接柱脚+5道柱撑方案用钢量会略大,但结构的纵向抗侧刚度更好,且柱脚制作安装方便,故最终选用了铰接柱脚+5道逐间支撑的方案(图4)。

图4 纵向结构体系方案对比图

4. 水平支撑的设置

在平面周圈及中间设置水平支撑(图5),能很好的控制桁架因风荷载作用下的平面外变形,避免桁架弦杆产生面外偏心受力,设置水平支撑后,桁架平面外变形只有2mm,几乎可忽略不计。

图5 水平支撑的布置形式

5. 整体结构构成

根据前述方案对比选型后,温室整体结构采用了由40榀横向门式主钢架、49纵向支撑钢架、桁架上弦平面周边水平支撑+中间一道水平支撑共同构成的结构形式(图6)。

图6 整体结构布置形式

横向主钢架、纵向支撑钢架布置见图7,图8,水平支撑布置见图5,桁架与立柱、柱间支撑与立柱、水平支撑与桁架的连接均为铰接,桁架腹杆与桁架弦杆则采用焊接连接。

图7 横向主钢架剖面图

图8 纵向支撑钢架剖面图

6. 杆件截面

构件截面均参考《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022附录A中的截面选用,立柱截面根据柱间支撑的分布分成了3种类型,最外侧柱间支撑处立柱截面最大,为B140×3,第二道柱撑处截面次之,为B120×3,其余柱截面为B110×3;柱钢架桁架弦杆的截面为B40×60×3,腹杆为B20×1.5及B30×1.5,跨中腹杆较小(图9),5道柱间支撑均采用Ф20张紧圆钢,水平支撑则采用Ф12张紧圆钢,构件材质均为Q235B(表1)。

图9 构件布置剖面

表1 构件截面表

编号 类型 规格(mm) 材质
LZ1 第一道柱撑处立柱 B140×3 Q235
LZ2 第二道柱撑处立柱 B120×3
LZ3 其余立柱 B110×3
XG 上、下弦杆 B40×60×3
FG1 中跨腹杆 B20×1.5
FG2 边跨腹杆 B30×1.5
ZC 柱间支撑 Ф20张紧圆钢
SC 水平支撑 Ф12张紧圆钢

 

7. 荷载条件

(1)恒载

幕墙均布附加恒载:0.26kN/m2(作用在上弦)

设备均布附加恒载:0.07kN/m2(作用在下弦)

钢结构自重通过软件自动计算。

(2)活载

根据《农业温室结构荷载规范》GBT51183-2016第8.1.1条取0.15kN/m2

(3)雪荷载

根据《农业温室结构荷载规范》GBT51183-2016附录C表中,贵阳20年基本雪压为0.12kpa,雪荷载标准值则根据第6.1.1条计算取值为0.15kN/m2

(4)风荷载

根据《农业温室结构荷载规范》GBT51183-2016附录D表中,贵阳20年基本风压为0.55kpa,风荷载标准值则根据第7.1.1条根据建筑不同位置的体型系数计算得出。

(5)温度荷载

最低温度取贵阳当地年平均最低气温0℃,由于温室内部温度较高,最高气温考虑在贵阳年平均最高温度32℃基础上再加10℃,即最高温度按42℃,控制合拢温度16℃,即升温+2℃,降温-16℃。

(6)地震作用

抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。

8. 正常使用极限状态验算

据《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022第 4.4.1条的规定,玻璃温室柱顶位移限值为1/100。对各主要工况下的柱顶位移值进行验算,其中,风荷载工况下横向柱顶变形值为52mm(位移角1/102),纵向柱顶变形值为1mm(位移角1/5300),温度工况下横向柱顶变形值为36mm(位移角1/147),纵向柱顶变形值为2mm(位移角1/2650)。各工况下的柱顶位移角均小于1/100,满足规范要求。

据《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022第 4.4.2条的规定,桁架竖向挠度限值为1/250与30mm较小值,桁架平面外水平挠度限值为1/300与12mm较小值。对各工况组合下的桁架挠度值进行验算,其中,恒+活作用下桁架的竖向变形值为19mm(挠度值1/631),恒+下压风荷载作用下的桁架竖向变形值为纵向柱顶变形值为10mm(挠度值1/1200),水平风荷载作用下的桁架平面外水平变形值为2mm(挠度值1/6000)。各工况下的挠度满足规范要求。

9. 承载力极限状态验算结果

计算结果显示,在风、地震、温度、雪等工况的包络组合下,所有构件验算的应力比均能满足规范要求(表2)。

表2 各类构件应力比汇总表

构件类型 钢柱 桁架 柱间支撑 水平支撑
应力比 0.89 0.92 0.97 0.82

10. 结语

根据建筑布置及功能要求,对某温室结构进行了详细的结构方案选项分析,且依据相关设计规范,对该温室结构进行了正常使用极限状态、承载力极限状态验算,确保本工程具有较好的承载能力及变形性能。

参考文献

[1] 农业温室结构荷载规范:GBT51183-2016 [S]. 北京: 中国计划出版社, 2017.

[2] 农业温室结构设计标准: GB/T51424-2022 [S] . 北京: 中国计划出版社, 2022.

[3] 建筑抗震设计规范: GB 50011-2010(2016版) [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.

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