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第 29 卷 第 12 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.12 194 2013 年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2013 薄膜承载力及其对日光温室结构稳定性能的影响 丁 敏，施旭栋，李密密，剧锦三，蒋秀根 （中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083） 摘 要：为研究薄膜对日光温室结构抗灾害垮塌性能的影响，采用 ANSYS 有限元分析软件，模拟了单片薄膜受 风雪、冰雹荷载作用情景，分析了薄膜厚度、尺寸（长度宽度） 、预张力和外荷载对单膜承载力的影响，建立了 日光温室结构单榀拱架、无膜空间整体骨架、覆膜空间整体骨架 3 种计算模型，得到了风雪灾害下日光温室结构 破坏全过程以及覆膜日光温室结构空间系数，探讨了薄膜厚度、弹性模量、预张力等参数改变时，薄膜张拉刚化 效应对日光温室结构稳定性能的影响。结果表明：薄膜尺寸（长度宽度）和厚度是影响其承载性能的主要因素， 同时应适当考虑薄膜长宽比影响；0.2 mm 厚的薄膜可满足特强冰雹的防灾要求；薄膜张拉刚化效应有助于提高日 光温室结构抗风承载力，对抗雪承载力影响不大；各分析参数中，薄膜弹性模量对日光温室结构空间系数的影响 不明显。研究结果为覆膜日光温室结构抗风雪、抗冰雹灾害设计提供参考。 关键词：温室，薄膜，有限元方法，承载力，稳定性，日光温室，空间系数 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.12.025 中图分类号：TU261 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-12-0194-09 丁 敏， 施旭栋， 李密密， 等 薄膜承载力及其对日光温室结构稳定性能的影响J. 农业工程学报， 2013， 29(12)： 194202. Ding Min, Shi Xudong, Li Mimi, et al. Load-bearing capacity of films and its effect on structure stability of Chinese solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(12): 194202. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 温室是现代工厂化农业的主要设施之一，它可 以提供适合于动植物生长的人工环境，其中，采用 薄膜覆盖的温棚和日光温室是中国使用最为广泛 的温室类型。温室除了提供动植物生长、生产的基 本空间及适宜的温湿度环境外，还需承担包括非正 常操作状况及极端自然灾害（暴雪、大风、冰雹） 所产生的各类荷载作用1-5。 灾害荷载作用下，温室结构的失效包括覆盖材 料的失效和温室骨架结构的失效。覆盖材料的失效 主要是材料强度破坏或变形过大而不适宜继续承 载；温室骨架结构的失效则包括构件或整体结构的 强度破坏或失稳破坏，其中构件及整体结构以失稳 破坏为主要失效模式6。 收稿日期：2013-02-08 修订日期：2013-05-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51279206） ；高等学校博士学 科点专项科研基金（20110008120017） ；教育部中央高校基本科研业务 费专项资金项目（2011JS126）。 作者简介：丁 敏（1980） ，女，山东曲阜人，副教授，博士，主要 从事设施农业工程结构安全性能方面的研究。 北京 中国农业大学水利 与土木工程学院，100083。Email：dingmin 通信作者：蒋秀根（1966） ，男，江苏大丰人，教授，主要从事结 构工程方面的研究。 北京 中国农业大学水利与土木工程学院， 100083。 Email：jiangxg 覆膜温室的安全性需要考虑薄膜和温室结构 2 个方面，温室结构在各类规定荷载作用下具有足够 承载力的同时，还要考虑覆盖薄膜的性能及其对整 体结构的影响。温室薄膜属于柔性材料，不具备平 面外刚度，只能承受拉力，薄膜破坏一般以拉坏为 主7。而温室结构的破坏则以失稳破坏为主。温室 拱（架）的失稳类型除了平面内失稳（压弯跃越失 稳、压弯分岔失稳、压弯极值点失稳）和平面外失 稳，还涉及弹性失稳和弹塑性失稳8。薄膜受力性 能及其对覆薄温室结构在各种可遇荷载下受力性 能的影响是保证温室结构安全、防止其在极端灾害 荷载下整体倒塌的主要研究内容之一。 目前国内外对温室的研究较多，孙德发9-10、 梁宗敏11、宫婉婷12、王东霞13-14、俞永华15、张 连永16、Morcous G17、Castellano S18-19等研究了 风、雪荷载在温室结构设计中的取值及其对温室承 载力的影响，指出温室风荷载可以按准静态荷载计 算；张连永20、李成志21、齐飞22、王斌23-24、 Luis Iribarne25-26等利用有限元软件对温室结构在 各种荷载下的受力性能进行了模拟，提出了一系列 针对构件的优化设计方法。这些研究主要集中在温 室结构设计时风、雪荷载的取值及温室骨架结构及 构件的各种优化27-28，将覆盖材料和骨架作为一个 整体来分析的研究资料较少。 第 12 期 丁 敏等：薄膜承载力及其对日光温室结构稳定性能的影响 195 因此，考虑温室结构的整体性，使温室结构的 设计工作状态与实际工作状态相一致，研究薄膜受 力性能及其对覆膜温室结构受力性能的影响，完善 温室设计理论，明确垮塌机理，对覆膜温室产业健 康发展是十分必要的。 本文采用 ANSYS 有限元分析软件，研究薄膜 抗风雪、抗雹受力性能；建立日光温室结构单榀拱 架、无膜空间整体骨架、覆膜空间整体骨架 3 种计 算模型，模拟风、雪灾害下日光温室结构破坏全过 程；并分析各参数对薄膜受力性能和覆膜日光温室 结构稳定性能的影响。 1 薄膜承载力 1.1 单膜抗风雪性能 1.1.1 模型参数 为研究单片薄膜在常遇风雪荷载作用下的受 力性能， 考虑研究的通用性， 与房屋建筑中膜结构 对膜的要求相结合， 参考温室薄膜的常用规格， 以 薄膜厚度、薄膜尺寸（长度宽度）、预张力、外 荷载大小等为参数， 采用 ANSYS 有限元软件对受 风雪荷载的单膜进行模拟， 计算中仅考虑均布风雪 荷载，将风雪荷载等效为垂直面荷载施加在薄膜 上。 薄膜厚度分别取 0.12、 0.2、 0.3、 0.4 和 0.5 mm； 薄膜尺寸 （长度宽度） 分别取 4 m1 m、 4 m2 m、 4 m3 m 和 4 m4 m； 薄膜预张力分别取 0.6、 0.7、 0.8、0.9 和 1.0 MPa；薄膜所受均布面荷载分别取 300、400、500、600 和 700 Pa，以研究各参数对 薄膜受力性能的影响规律与程度， 计算模型参数如 表 1 所示。 表 1 各计算模型参数 Table 1 Parameters of every computation model 薄膜厚度 Film thickness /mm 薄膜尺寸 （长度宽度） Film dimensions (length width) /(mm) 薄膜预张力 Film pre-tension /MPa 外荷载 External load /Pa 标准工况 0.12 43 0.9 500 厚度工况 1 0.2 43 0.9 500 厚度工况 2 0.3 43 0.9 500 厚度工况 3 0.4 43 0.9 500 厚度工况 4 0.5 43 0.9 500 尺寸工况 1 0.12 41 0.9 500 尺寸工况 2 0.12 42 0.9 500 尺寸工况 3 0.12 44 0.9 500 预张力工况10.12 43 0.6 500 预张力工况20.12 43 0.7 500 预张力工况30.12 43 0.8 500 预张力工况40.12 43 1.0 500 外荷载工况10.12 43 0.9 300 外荷载工况20.12 43 0.9 400 外荷载工况30.12 43 0.9 600 外荷载工况40.12 43 0.9 700 有限元模型中，薄膜选取 shell181 单元，薄膜 处于弹性状态，薄膜的弹性模量为 172 MPa，泊松 比为 0.43929。 薄膜材料属柔性材料，一般忽略其平面外转动 刚度，同时由骨架、檩条的存在，本文计算中假设 薄膜的支承条件为四边简支。 1.1.2 结果与分析 由图 1a 可知，针对不同外荷载，加载过程中 每个子步所施加的荷载会出现变化，但计算结果在 相同的荷载段下是完全重合的，可见此计算算法的 稳定性。 由图 1b 可知，不同尺寸的薄膜在相同面荷载 作用下， 由于小尺寸薄膜的刚度较大， 所以 4 m1m 薄膜产生的位移量最小；同时所选取的薄膜尺寸宽 度以 1m 递增， 从 1m 至 4m 薄膜的最终位移增量分 别为 0.15、0.16 和 0.12m，可见薄膜长宽比亦影响 最终位移。因此薄膜尺寸对薄膜受力性能的影响需 同时考虑薄膜宽度和长宽比两因素，其中宽度影响 所占的比例较大，在实际设计中应优先考虑。 由图 1c 可知，薄膜厚度对薄膜受力性能有明 显影响，薄膜越厚，最终位移越小。其中 0.12 和 0.2mm 厚的薄膜最终位移分别为 0.4 和 0.33m，薄 膜增厚 0.08mm 就使最终位移减小了 0.07m，但随 着厚度的增加，最终位移的减少量逐渐减少，厚度 的影响也逐渐趋缓。因此增加薄膜厚度来提高薄膜 承载力是一个有效可取的方法，但不宜追求过大厚 度带来的高强度，需要同时考虑工艺、成本与收益 的影响。 由图 1d 可以看出，5 条曲线十分接近，几乎重 合。从数据上看 5 种不同预张力下的最终位移差别 在 0.01mm 左右，不足整体位移的 1/10000。因此， 预张力仅对薄膜提供一个刚度，对薄膜受力性能的 影响几乎可以忽略。需要指出的是，本小节的计算 是弹性静力计算，未考虑塑性变形和时间效应，而 实际上适当提高预张力可以增加薄膜的刚度，减小 变形，从而减小局部荷载的积累，有利于改善薄膜 的受力性能。 a. 不同外荷载 a. Different external load 农业工程学报 2013 年 196 b. 不同薄膜尺寸 b. Different film dimensions c. 不同薄膜厚度 c. Different film thickness d. 不同薄膜预张力 d. Different film pre-tension 注：图 a 薄膜厚度为 0.12 mm，薄膜尺寸（长度宽度）为 4 m3 m，薄 膜预张力为 0.9 MPa； 图 b 薄膜厚度为 0.12 mm， 薄膜预张力为 0.9 MPa， 外荷载为 500 Pa；图 c 薄膜尺寸（长度宽度）为 4 m3 m，薄膜预张 力为 0.9 MPa， 外荷载为 500Pa； 图 d 薄膜厚度为 0.12 mm， 薄膜尺寸 （长 度宽度）为 4 m3 m，外荷载为 500 Pa。 Note: Fig.a: film thickness is 0.12 mm, film dimension (lengthwidth) is 4 m3 m and film pre-tension is 0.9 MPa; Fig.b: film thickness is 0.12 mm, film pre-tension is 0.9 MPa and external load is 500Pa; Fig.c: film dimension (lengthwidth) is 4 m3 m, film pre-tension is 0.9 MPa and external load is 500 Pa; Fig.d: film thickness is 0.12 mm, film dimension (lengthwidth) is 4 m3 m and external load is 500 Pa. 图 1 不同工况下的荷载-位移曲线 Fig.1 Load-displacement curves under different load cases 为了进一步观察薄膜宽度和厚度对薄膜承载 力的影响，分别做出薄膜宽度系数（薄膜宽度与宽 度中间处位移的比值）与薄膜上所对应面荷载的关 系曲线， 如图 2 所示。 图 2a 与图 1b 对比可以看出， 4 m1 m 的薄膜虽然整体绝对位移小，但相同宽度 系数对应的面荷载要远大于其他尺寸。整体看来， 薄膜面积小固然可以降低薄膜的绝对位移，但在相 同相对位移下， 薄膜承载力的要求也会更高， 因此， 考虑薄膜面积的同时，还需考虑薄膜宽度的影响。 图 2b 与图 1c 比较可见，不同薄膜厚度下结构的整 体位移和相对位移对薄膜承载力的要求一致。 a. 不同薄膜尺寸 a. Different film dimensions b. 不同薄膜厚度 b. Different film thickness 注： 图 a： 薄膜厚度为 0.12 mm， 薄膜预张力为 0.9 MPa， 外荷载为 500 Pa； 图 b：薄膜尺寸（长度宽度）为 4 m3 m，薄膜预张力为 0.9 MPa，外 荷载为 500 Pa。 Note: Fig.a: film thickness is 0.12 mm, film pre-tension is 0.9 MPa and external load is 500 Pa; Fig.b: film dimension (lengthwidth) is 4 m3 m, film pre-tension is 0.9 MPa and external load is 500 Pa. 图 2 薄膜宽度系数与承载力关系曲线 Fig.2 Curves of film width coefficient and load-bearing capacity 1.2 单膜抗冰雹性能 1.2.1 模型参数 冰雹荷载属冲击荷载，本文采用 ANSYS 软件 中 LS-DYNA 模块对单片薄膜受冰雹冲击情况进行 模拟，完成动力冲击分析。由上节可知预张力对薄 膜受力性能的影响几乎可以忽略，薄膜宽度和厚度 起主要作用， 为简化计算， 本节主要考虑薄膜厚度、 尺寸（长度宽度）的影响，模拟的尺寸、厚度参 数与上节相同，预张力均取为 0.9 MPa，各计算模 型参数如表 2。 分析时分别用 LS-DYNA 中的 shell163 和 solid164 单元模拟薄膜与冰雹，冰雹建立在随机位 置，以保证冰雹撞击的真实性。参考相关资料30， 冰雹颗粒密度取为 26 个/m2。由于温室所在地应考 虑为少雹无雹区域，特强级冰雹的抗雹标准足以满 足温室的抗雹设计要求，本模拟所选取的冰雹为特 第 12 期 丁 敏等：薄膜承载力及其对日光温室结构稳定性能的影响 197 强级冰雹，中华人民共和国国家标准冰雹的等级 征求意见稿 中对的特强冰雹定义是直径 30 mm 以 上的固体降水现象，且冰雹的速度与冰雹直径存在 一定关系，固最终选取冰雹直径为 30 mm，速度为 35 m/s，冰雹30及薄膜29材料参数如表 3 所示，薄 膜四边支承情况为简支。 表 2 各计算模型参数与破坏情况 Table 2 Parameters and failure mode of every computation model 薄膜厚度 Film thickness /mm 薄膜尺寸 （长度宽度） Film dimensions (lengthwidth) /mm 薄膜预张力 Film pre-tension /MPa 冰雹直径 Hail diameter /mm 破坏情况 Failure mode 标准工况 0.12 43 0.9 30 整体撕裂 厚度工况 1 0.2 43 0.9 30 一个孔洞 厚度工况 2 0.3 43 0.9 30 完好 厚度工况 3 0.4 43 0.9 30 完好 厚度工况 4 0.5 43 0.9 30 完好 尺寸工况 1 0.12 41 0.9 30 完好 尺寸工况 2 0.12 42 0.9 30 整体撕裂 尺寸工况 3 0.12 44 0.9 30 整体撕裂 表 3 冰雹和薄膜参数 Table 3 Parameters of hail and film 材料 弹性模量 Elasticity modulus /MPa 泊松比 Poisson ratio 密度 Density /(kgm-3) 抗拉强度 Tensile strength /MPa 抗压强度 Compressive strength /MPa 冰雹 53 0.33 900 1.43 2.90 薄膜 174 0.44 920 26.3 1.2.2 结果与分析 利用 LS-DYNA 软件计算出各工况下冰雹冲击 薄膜时薄膜的破坏情况，结果如表 2 所示。 标准工况下薄膜受冰雹冲击产生较大的位移， 一段时间后薄膜突然撕裂，裂纹迅速扩展，最终薄 膜整体撕裂，破坏如图 3 所示。 注： 时间为 0.05 s； Z 方向位移云图； 在 104054 号节点出现最大负位移， 大小为 1.110 m；在 103007 号节点出现最大正位移，大小为 0.3655 m。 标准工况条件见表 2。 Note: Time is 0.05; Contours is at Z-displacement; the maximum negative displacement occurs at the node 104054 and the value is 1.110 m; the maximum positive displacement occurs at the node 103007 and the value is 0.3655 m. The conditions of reference load case are shown in Table 2. 图 3 标准工况下薄膜受冰雹冲击破坏模态 Fig.3 Failure mode of film under impact of hail under standard condition 1）薄膜厚度的影响 随着薄膜厚度的增加，薄膜的抗冲击性能显 著提高，0.2 mm 厚度的薄膜已基本可以满足特强 冰雹的防灾要求。当厚度增加至 0.2 mm 时，薄膜 基本承受住了冰雹的冲击，仅在中间产生了一个 孔洞，薄膜回弹且整体位移减小，破坏情况及位 移分布如图4所示。 当薄膜厚度增加至0.3 mm时， 薄膜完全承受住了冰雹的冲击，破坏情况及位移 分布如图 4b 所示，与图 4a 相比，整体位移分布 进一步减小。薄膜厚度为 0.4 和 0.5 mm 时的现象 与图 4b 类似。 a. 薄膜厚度 0.2 mm a. Film thickness is 0.2 mm b. 薄膜厚度 0.3 mm b. Film thickness is 0.3 mm 注：薄膜尺寸（长宽）为 4 m3 m；薄膜预张力为 0.9 MPa；冰雹直径 为 30 mm；时间为 0.05 s，Z 方向位移云图；薄膜厚度为 0.2 mm 时， 在 104897 号节点出现最大负位移，大小为 1.22110-3 m；在 106918 号 节点出现最大正位移， 大小为0.2718 m。 薄膜厚度为0.3mm时， 在101230 号节点出现最大负位移，大小为 8.22010-3 m；在 106137 号节点出现 最大正位移，大小为 0.2595 m。 Note: Film dimension (length width) is 4m3m, film pre-tension is 0.9 MPa and hail diameter is 30mm. Time is 0.05, Contours is at Z-displacement. When the film thickness is 0.2mm, the maximum negative displacement occurs at the node 104897 and the value is 1.221 10-3 m, the maximum positive displacement occurs at the node 106918 and the value is 0.2718 m. When the film thickness is 0.3mm, the maximum negative displacement occurs at the node 101230 and the value is 8.22010-3 m, the maximum positive displacement occurs at the node 106137 and the value is 0.2595m. 图 4 薄膜厚度为 0.2 和 0.3 mm 时受冰雹冲击破坏模态 Fig.4 Failure mode of 0.2 and 0.3mm thick film under impact of hail 根据数值模拟结果，将冰雹冲击过程中每个步 长中薄膜上出现的最大位移提取出来，做出时间- 位移曲线如图 5 所示，可见，0.12 mm 厚薄膜对冰 雹的冲击抵抗力最薄弱，直接被冲垮，没有出现回 弹的情况，而当薄膜厚度增加至 0.2 mm 时，薄膜 农业工程学报 2013 年 198 强度得到很大的提升，几乎承受住了冰雹的冲击。 随着厚度的提高，薄膜的整体位移逐渐减小，但减 小程度也逐渐变小，可知薄膜随着厚度的增加所带 来的抗冲击承载力的提高逐渐变小。 注：薄膜尺寸（长度宽度）为 4 m3 m，薄膜预张力为 0.9 MPa，冰雹 直径为 30 mm。 Note: Film dimension (lengthwidth) is 4m3m, film pre-tension is 0.9 MPa and hail diameter is 30 mm. 图 5 不同厚度下薄膜最大位移时程曲线 Fig.5 Curves of time and maximum displacement of film with different film thickness 2）薄膜尺寸的影响 改变薄膜尺寸，当薄膜宽度分别为 1、2 和 4 m 时，薄膜破坏情况及位移分布分别如图 6 所示。仅 当薄膜宽度为 1 m 时，薄膜没有出现破坏，面积越 小所受荷载越小，破坏的概率就越小。图 6b、图 6c 与标准工况的图 3 相比，前两者均出现了回弹， 由于冰雹荷载是冲击荷载，产生的应力波相互叠加 导致破坏效果的差异，同时除了薄膜面积外，长宽 比也会细微影响薄膜的抗冲击性能。 从数据上具体分析，同样做出薄膜受冲击位移 与时间关系曲线如图 7。 a. 薄膜宽度 1 m a. Film width is 1 m b. 薄膜宽度 2 m b. Film width is 2 m c. 薄膜宽度 4 m c. Film width is 4 m 注：薄膜厚度为0.12 mm，薄膜预张力为0.9 MPa，冰雹直径为30 mm。时 间为 0.05 s，Z 方向位移云图。薄膜宽度为 1m 时，在 31703 号节点出现最 大负位移，大小为2.07010-2 m；在35121 号节点出现最大正位移，大小 为 9.94210-2 m。薄膜宽度为 2m 时，在 67324 号节点出现最大负位移， 大小为3.21110-2 m；在71032 号节点出现最大正位移，大小为1.158 m。 薄膜宽度为4m 时，在140625 号节点出现最大负位移，大小为0.6141 m； 在142892 号节点出现最大正位移，大小为0.4756 m。 Note: Film thickness is 0.12 mm, film pre-tension is 0.9MPa and hail diameter is 30mm.Time is 0.05s, Contours is at Z-displacement. When the film width is 1m, the maximum negative displacement occurs at the node 31703 and the value is 2.07010-2 m, the maximum positive displacement occurs at the node 35121 and the value is 9.94210-2 m .When the film width is 2 m, the maximum negative displacement occurs at the node 67324 and the value is 3.21110-2 m; the maximum positive displacement occurs at the node 71032 and the value is 1.158 m. When the film width is 4m, the maximum negative displacement occurs at the node 140625 and the value is 0.6141 m; the maximum positive displacement occurs at the node 142892 and the value is 0.4756 m. 图 6 不同宽度薄膜受冰雹冲击破坏模态 Fig.6 Failure mode of film with different width under impact of hail 注： 薄膜厚度为 0.12 mm， 薄膜预张力为 0.9 MPa， 冰雹直径为 30 mm。 Note: Film thickness is 0.12 mm, film pre-tension is 0.9 MPa and hail diameter is 30 mm. 图 7 不同宽度下薄膜最大位移时程曲线 Fig.7 Curves of time and maximum displacement of film with different width 由图 7 可知，不同跨度的薄膜在相同冰雹荷载 作用下，由于小面积的薄膜所受的总荷载小，所以 4 m1 m 的薄膜产生的位移量最小，同时薄膜承受 住了冰雹的冲击并在约 0.015 s 时刻位移达到最大 值，此后上下不停回弹。4 m3 m 的薄膜在整个计 算过程中一直处于上升阶段，并未达到最大位移， 可见尺寸越大，刚度越小，冲击动力效应越弱，产 生的最大位移未必最大。一方面是冲击荷载中应力 波叠加的复杂效应，另一方面薄膜的长宽比对薄膜 第 12 期 丁 敏等：薄膜承载力及其对日光温室结构稳定性能的影响 199 的抗冲击性能有一定的影响。 2 覆膜日光温室结构稳定性 塑料薄膜作为温室覆盖材料常用于日光温 室，本文以覆膜日光温室为研究对象，在对单片 薄膜受风雪荷载受力性能研究的基础上，本文继 续采用 ANSYS 软件，建立日光温室结构单榀拱 架、无膜空间整体骨架、覆膜空间整体骨架 3 种 计算模型，分别模拟风雪灾害下日光温室结构破 坏全过程，着重分析覆盖薄膜在预张拉条件下膜 的张拉刚度对日光温室结构整体稳定性的影响， 探讨利用覆膜的张拉膜刚化效应提高日光温室结 构整体稳定性的途径，从而提高日光温室结构抗 风雪灾害垮塌性能。 2.1 模型参数 日光温室骨架采用轻型钢结构，墙高 2.6 m， 脊高 3.6 m，跨度为 7.5 m，构件尺寸与单元选择如 表 4 所示。 表 4 日光温室结构模型参数 Table 4 Model parameters of solar greenhouse structure 构件类型 Member 钢材级别 Steel strength 模型单元 Element 截面形状 Sectional shape 截面尺寸 Sectional dimension /mmmmmm 前后拱杆Q235 Beam188 方管 50503 支撑 Q235 Beam188 方管 40402.5 檩条 Q235 Link180 方管 40402.5 薄膜 Shell181 实际工程中，日光温室的骨架结构在设计完成 后就已确定，覆盖薄膜附于骨架之上，薄膜尺寸在 设计时已给出，因此本文主要考虑薄膜厚度、预张 力、弹性模量等参数对整体结构受力性能的影响。 各计算模型如表 5 所示。 表 5 日光温室结构计算模型与计算结果 Table 5 Computation models and results of solar greenhouse structure 风荷载 Wind load 雪荷载 Snow load 风雪同时 Wind and snow load 结构型式 Structure style 工况 Load case 薄膜厚度 Film thickness /mm 薄膜弹性 模量 Film elasticity modulus /MPa 薄膜预张力 Film pre-tension /MPa 承载力 Load-bearing capacity/Pa 空间系数 Space robustness coefficient 承载力 Load-bearing capacity/Pa 空间系数 Space robustness coefficient 承载力 Load-bearing capacity /Pa 空间系数 Space robustness coefficient 单榀拱架 单榀工况 4346.2 1.00 2616.8 1.00 1700 1.00 无膜空间整 体骨架 空间骨架 工况 5536.2 1.27 2618.8 1.00 1880 1.11 标准工况 0.12 172 0.15 5535.1 1.27 2630.2 1.00 1900 1.12 工况 1 0.3 172 0.15 5534.9 1.27 2651.5 1.01 工况 2 0.4 172 0.15 5539.9 1.27 2662.8 1.01 工况 3 0.12 206 0.15 5533.1 1.27 2633.4 1.00 工况 4 0.12 240.8 0.15 5534.6 1.27 2636.6 1.00 工况 5 0.12 172 0.20 5535.0 1.27 2643.5 1.01 覆膜空间整 体骨架 工况 6 0.12 172 0.25 5530.8 1.27 2635.2 1.00 最终建立的单榀拱架、无膜空间整体骨架、覆 膜空间整体骨架如图 8 所示， 荷载组合包括风荷载、 雪荷载、风雪同时作用 3 种工况，其中风荷载垂直 作用于结构，雪荷载竖直向下作用于结构。 a. 单榀拱架 a. Single hinged arch structure b. 无膜空间整体骨架 b. Whole frame structure without film c. 覆膜空间整体骨架 c. Whole frame structure with film 图 8 日光温室结构计算模型 Fig.8 Computation model of solar greenhouse structure 2.2 结果与分析 2.2.1 日光温室结构承载力 各日光温室计算模型在风荷载、雪荷载和风雪 荷载同时作用 3 种工况下的极限承载力如表 5 所 示，为便于观察总结，定义空间系数为结构承载力 与单榀拱架结构承载力之比，则单榀拱架结构空间 农业工程学报 2013 年 200 系数为 1。空间系数可以直观地看出薄膜及薄膜性 质对整体结构受力性能的影响。 由表 5 可知，在风荷载作用下，单榀拱架承载力 低于无膜空间整体骨架承载力， 覆膜空间整体骨架承 载力与无膜空间整体骨架承载力相近； 在雪荷载作用 下， 3 种结构型式的承载力较为相近， 膜的影响较小； 与温室结构抗雪能力相比， 薄膜张拉刚化效应对温室 结构整体抗风承载力提高影响更为明显； 风雪荷载同 时作用下，由于檩条的支撑作用，增强了单榀拱架平 面外刚度， 无膜空间整体骨架极限承载力高于单榀骨 架。覆盖材料亦对骨架起到支撑作用，增加了骨架平 面外刚度，使结构极限承载力提高。 2.2.2 薄膜参数影响 根据分析结果， 风荷载、 雪荷载作用下薄膜提高效 果不明显。为了进一步观察薄膜参数对整体结构的影 响，分别列出不同薄膜厚度、不同弹性模量、不同薄膜 预张力时覆膜空间整体结构的空间系数如表 5 所示。 1）薄膜厚度的影响 由表 5 可知，薄膜厚度对雪荷载作用下的日光 温室影响明显，随着薄膜厚度的增加，覆膜空间整 体结构的承载力提高。薄膜厚度对风荷载作用下日 光温室影响不大。 2）薄膜弹性模量的影响 由表 5 可知： 在只改变薄膜弹性模量的情况下， 各工况下空间系数变化不明显，弹性模量的影响效 果不明显。 3）薄膜预张力的影响 由表 5 可知： 薄膜预张力对日光温室的抗雪荷载 承载力有明显影响，薄膜预张力增加，结构整体刚度 变大，受力性能越好，但薄膜预张力过大导致整体结 构的内力增加过高，降低结构的承载力。薄膜预张力 对薄膜温室结构的抗风承载力影响不明显。 3 结 论 本文采用数值模拟的方法，考虑了影响结构破 坏的各种因素，开展了薄膜受力性能及其对日光温 室结构稳定承载力影响的研究。单榀拱架在平面内 荷载作用下，通常出现平面外失稳，檩条和薄膜的 存在明显提高了单榀拱架的平面外刚度，使结构的 空间整体性能增强，从而提高了结构的稳定承载 力，本文分析结果反映了结构空间整体性对日光温 室骨架稳定承载力提高的影响。 1）薄膜尺寸（长度宽度）和厚度是影响单膜抗 风雪、抗冰雹性能的主要因素，其中增加薄膜厚度可 以大大提高薄膜的承载性能， 但工程中不宜通过盲目 追求高厚度提高强度，需结合成本达到最大效益， 0.2 mm 厚薄膜能基本满足特强冰雹的防灾要求；在 允许条件下应尽量选用短边支撑的薄膜， 同时应考虑 适当的薄膜长宽比，使薄膜具有更好的受力性能。 2）与温室结构抗雪能力相比，薄膜张拉刚化 效应对温室结构整体抗风承载力提高影响更为明 显；与温室结构抗风能力相比，薄膜厚度对温室覆 膜空间整体抗雪承载力提高影响明显，随着薄膜厚 度的增加，覆膜空间整体骨架的承载力提高；薄膜 弹性模量对日光温室结构各种受力形式下的空间 系数的影响均不明显；当薄膜预张力较低时，提高 薄膜预张力，可明显提高日光温室的抗雪承载力， 但当薄膜预张力较高时，提高薄膜的预张力，会降 低日光温室的抗雪承载力，而且薄膜预张力对薄膜 温室结构的抗风承载力影响不明显。 在试验研究方面，由于对风、雪、雹三种荷载 难以准确模拟，尤其是对冰雹落速与位置控制存在 很大难点，寻找有效方法模拟风、雪、雹等灾害荷 载，进行相应试验研究值得进一步探讨。 参 考 文 献 1 周长吉. 现代温室工程M. 北京：化学工业出版社， 2003：12. 2 周长吉. 中国温室的发展与标准化进程J. 农业工程 学报，2003，19(增刊 1)：8891. 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