新型滑盖式节能日光温室钢桁架结构试验分析.docx

新型滑盖式节能日光温室钢桁架结构试验分析王文武 1，2，白义奎 1，黄文永 3，刘艳华 1，王鸿 1（1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳 110161； 2.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；3.凌源市虹园设施农业服务有限公司，辽宁朝阳 122500）摘要：为了研究新型滑盖式节能日光温室钢桁架的应力状态和平面稳定性，对新型滑盖式节能日光温室钢桁架进行加载试验，并测得钢桁架的实际应变值，分析测试验数据以及试验过程中桁架杆件的变形情况 。 结果表明：钢桁架只有少数杆件达到屈服强 度，大部分杆件应力均较小，没有充分发挥其力学性能，桁架承载能力具有较大提升空间；钢桁架破坏为失稳破坏，加强桁架的纵 向支撑可极大提高其整体稳定性。关键词：日光温室;钢桁架;载荷试验DOI:10.3969/j.issn.1000-1700.2013.05.033中图分类号：TU323.4；S625.1文献标识码： A文章编号： 1000-1700（2013）05-0683-04The Analysis for the Load Testing of Novel SlidingEnergy-saving Solar Greenhouses Steel TrussWANG Wen-wu1，2, BAI Yi-kui1, HUANG Wen-yong3， LIU Yan-hua1, WANG Hong1 (1.Hydraulic College，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161，Chnia; 2. College of Petroleum Engineering, Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology, Fushun Liaoning 113001, China；3.Lingyuan Hongyuan Protected Agricultural Service Co.Ltd.,ChaoyangLiaoning 122500,China)Abstract： In order to study stress state and stability of novel sliding energy-saving solar greenhouses steel truss, the load testwas carried out, and the analysis of the test data and truss rod deformation were obtained.The results showed that only a minority of steel truss rods to the yield strength, most bar stress were smaller, did not give full play to its mechanical properties, bearing capacity has larger ascension space. While steel truss damage was buckling failure, and strengthen the longitudinal truss support could greatly improve the overall stability.Key words： solar greenhouse; steel truss; load testing自 20 世纪 30 年代，我国日光温室得到了不断发展，由早期的“一坡一立式”到“一面坡”，再到弧形屋面、双向双坡屋面和双层屋面等；骨架结构也由早期的竹木结构到钢木结构、钢筋混凝土结构，再发展到钢架结构、 钢管结构等1。 目前滑盖式节能日光温室作为又一新型结构，集成了大型连栋温室和节能日光温室的优点，创 新了日光温室“三面墙一面坡、草帘+卷帘机”的传统结构，具有空间大，宽敞明亮，栽培空间高；采光量大并且 均匀，升温快；蓄热保温能力强；减少温室后部遮阴，缩小前后温室间距，提高了土地利用率；采用半圆弧形彩 钢板滑动覆盖，具有防雨、防雪、防风、防火、防盗等功能；组装件工厂化生产,温室标准化组装，缩短了温室建 造周期等特点。 我国北方冬季日光温室保温覆盖材料较重，风雪荷载大，因此要求温室结构在各类规定荷载作 用下具有足够承载力和稳定性2。 目前国内外专家学者对温室结构设计中的各种荷载的取值、力学性能分析、 结构稳定以及结构优化方面做了大量研究。 李密密3等对结构稳定性进行了分析；孙德发4、宫婉婷5、俞永华6、 MORCOUS G7、CASTELLANO S 等8研究风、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；齐飞9、王斌10、LUIS IRIBARNE 等11对温室结构受力性能了模拟，提出了稳定性设计和一系列优化设计方法等。但对于新型滑盖式节能日光温室半圆弧钢桁架的研究资料较少，本试验以新型滑盖式节能日光温室钢桁架为研究对象，对钢桁架进行加载试验，测试并分析钢骨架的杆件应力应变状态和桁架平面稳定性，进而能够为新型滑盖 式节能日光温室桁架的结构设计提供一定的参考。收稿日期：2013-08-20基金项目：公益性行业（农业）科研专项项目（201203002）；辽宁省自然科学基金项目（201202193）作者简介：王文武（1975-），男，辽宁石油化工大学讲师，博士研究生，从事结构工程研究。 * 通讯作者 Corresponding author：白义奎(1968-)，男，沈 阳农业大学教授，博士，从事设施环境工程研究。k lgC 3 j9 ih10 7 pf ep 480D51A06p0462p0c64 b d0.000a6200620012400124000CBA-684-沈 阳 农 业 大 学 学 报第 44 卷温室骨架基本概况新型滑盖式节能日光温室长 60m，宽 12.4m，高为 4.6m，温室采用半圆弧形彩钢板滑动覆盖，温室的承重结 构为钢桁架，其上弦、下弦和腹杆均采用直径为 12mm 的螺纹钢筋，节点采用焊接方式连接，平面桁架两端与基 础预埋件焊接，温室横向剖面如图 1。 每榀钢桁架间距为 1m，在温室的钢桁架上弦部位布置纵向连杆，其直径 为 12mm 的螺纹钢筋。 钢桁架所承受的载荷主要有恒载、雪荷载、风荷载、保温覆盖材料重、植物吊重和屋脊处 操作人员重等。2钢桁架加载试验及应力应变测试1加载方法根据温室现场实际情况，采用均布加载较困难，因此选择了 4 点对称重物加载（图 2），重物采用红砖，每块 红砖的平均重量为 2.2kg。 加载共分为 8 级，第 1 级为 50 块砖（110kg），第 2 级为 100 块砖（220kg）,其后每级增 加 25 块砖（55kg）。 卸载方式为先卸掉第 D 点荷载，再卸掉第 C 点荷载。2.1图 1 新型滑盖式节能日光温室剖面图Figure 1 The structure profile of novel sliding energy-saving solar greenhouse图 2新型滑盖式节能日光温室加载示意图Figure 2 Schematic diagram of loading2.2测试系统与测点钢桁架的应力应变测试采用非电量电测技术，测试系统由 120 电阻应变片、温度补偿片、CM-2B 型静态电 阻应变仪及电脑组成。 贴于各测试单元上的电阻应变片与温度补偿片采用 1/4 桥接线方法，信息采集系统如图 3。 温室钢桁架杆件较多，如果对每一个杆件都进行应力应变测试将耗费大量时间并且不经济，实事上许多次要杆件 的内力很小，对于结构的破坏影响不大,因此没有必要对所有杆件进行测试。 根据整体桁架总体情况和加载的位 子，选择了 5 组测试单元，第 1 组位于桁架的 abcd 节点之间，5 个单元，第 2 组位于桁架的 efgh 节点之间，5 个单 元，第 3 组位于桁架的 aijkl 节点之间（图 4），7 个单元，第 4 组为桁架的纵向连杆，8 个单元，第 5 组为桁架平面内 斜向连杆（图 2），5 个单元（应变片两侧粘贴），共计 35 个测试单元，粘贴 40 个应变片。cg32lk141h4db35242355f1ej 67ia第 1 组 Group 1第 2 组 Group 2第 3 组 Group 3图 3 信息采集系统原理简图Figure 3 The principle of information collection system3结果与分析3.1试验数据图 4 第 13 组测试单元Figure 4 1-3 groups of test unit试验测得 35 个测试单元的应变，根据各测试单元应变值的变化情况，选取了部分具有代表性的单元应变ADCStrain gauges sensorCM-2BPCcomputerIOC第 5 期王文武等：新型滑盖式节能日光温室钢桁架结构试验分析-685-数据进行分析(表 1)。 表中（8）级为第 8 级荷载下各测试单元在不同时刻的应变值；第 9 级为 D 点卸载后各测试单元的应变值；第 10 级为第 D，C 点卸载后各测试单元的应变值。表 1 分级荷载下的各测点的应变值Table 1 The strain of each measuring point under grading loading分级 Level组号Group No.测点Test point11100N22200N32750N43300N53850N64400N74950N85500N（8）5500N（8）5500N910125-166-7-39-288-17-44-336-14-49-370-25-84-355-90-111-327-133-119-293-178-126-205-201-138-179-211-143-56-266-109-22-258-11626-226-110114569756-6016782-85203112-86252174-132269226-173292279-20230334065-46485785-553923-28-10951395-68-10311396-221-7331343212467-4705743-61-21-151710282-136-57-1512124102-172-76-1461156138-184-94-1466177158-207-142-1489199177-201-203-1461236210-97-270-368318293351-384577338302400-3711358497375157-101324465284-140-33328272202-164-165313575313102159-14214668-431651104-64297089-125571111-150787108-190-7101132-310-151121136-328-167124114-472-3407796-432-3088095-210-155994481072592913311738173150432431946525923879313281101351320125419319188268249691432270248487214296396122153.2杆件应力与压杆稳定计算公式根据材料力学分析，杆件的应力及内力计算公式为：EN=A式中:E=2.06105， 为杆件受力后的应变值，A 为杆件的横截面积(mm2)。上弦杆、下弦杆、腹杆以及纵向连杆均为直径为 12mm 的螺纹钢筋，横截面积为 113.04mm2，屈服强度为(1)压杆在弹性范围内失稳时，则临界应力为：310MPa。cr= pcr EI 2 E 22 E 2l I ，= i ，i= 姨AA = (l)2A = (l)2 i =(2)2式中： 为柔度， 即压杆的长细比；i 为截面的惯性半径；I 为截面的最小形心主轴惯性矩；A 为截面面积， 由式（2）可知临界应力与压杆长度的平方成反比。3.3试验结果分析根据材料力学杆件应力计算公式计算应变值变化较明显的部分杆件的应力（表 2）。 其中，第 1 组和第 2 组 各测试杆件在各级荷载下均处于弹性阶段，但是第 1 组 1 号杆件第 5 级荷载时压应力开始下降，第 2 组 1 号测 试杆件第 7 级荷载时压应力下降，8 级荷载时转变为拉应力；第 4 组合第 5 组杆件应力一直处于弹性阶段且应 力持续增加，但第 5 组 10 号杆件在第 8 级荷载时应力有很明显的大幅增加。 第 3 组的 1 号杆件在第 2 级荷载 时应力为 312.5MPa，已达到屈服，到第 8 级荷载时压应力迅速减小并转为拉应力，6 号杆件在第 5 级荷载时压 应力开始减小，到第 8 级荷载时已转变为较大的拉应力。在试验加载过程中，虽然第 2 级荷载处于桁架上弦最顶部的第 3 组的 1 号杆件已经达到屈服极限，但钢桁 架各部分没有出现弯曲变形情况，桁架没有破坏，加至第 5 级荷载时，处于第 1 组测试单元部位的桁架下弦杆 件出现平面外弯曲，67 级荷载时， 处于第 2 组测试单元部位的桁架下弦杆件出现平面外弯曲变形并逐渐增 大，第 8 级荷载时桁架上下弦出现平面外弯曲变形，并形成 S 形，此时桁架失稳破坏。由测试单元的应力变化和-686-沈 阳 农 业 大 学 学 报第 44 卷试验现象可知，桁架最顶部的上弦杆最先屈服，是桁架承载能力的关键部位，但整个桁架结构为超静定结构，随着荷载的增加，桁架内力将会重新分布，使得桁架仍然具有较大承载能力。 在试验过程中，由于纵向连杆的存 在，使得上弦出现弯曲现象较下弦晚，这使整体钢桁架的稳定性有了极大的提高。另外，钢桁架平面内的两个斜 向交叉的连杆同样提高了整体钢桁架的稳定性。表 2 分级荷载下杆件的应力值Table 2Stress value of bar under grading loading组号Group No.测点Test point分级 Level12345678（8）（8）12345111610-34.21.2-96.8-12.575.98-59.3-12.4-312.5-13.67.8-69.2-17.5-311.5-35.48.9-76.2-17.7-301-37.913.4-73.1-27.2-302-42.616.3-67.4-35.6-306.7-41.420.8-60.3-41.6-301-19.825.8-42.213.4-75.872.338.7-36.917.5118.882.4142.3-11.5-5.8279.732.351.1结论与讨论研究结果表明，整体钢桁架破坏时大多杆件应力较小，并没有充分发挥其力学性能，承载能力具有较大提 升空间。可适当调整钢桁架腹杆密度，在应力较小区域增大腹杆长度，减小其分布密度，在应力较大区域减小腹 杆长度，而加大腹杆密度，以此来调整钢桁架的应力分布，使其应力分布趋于均匀。 ；桁架的纵向连杆和桁架平 面内的斜向支撑，降低了压杆的长度，减小了压杆长细比，提高了压杆稳定性；平面钢桁架破坏为失稳破坏，但 各榀桁架之间存在相互制约，因此温室钢桁架设计时需要整体考虑，加强各榀桁架之间的纵向连接，提高整体 空间稳定性。总体上看，试验结果与预期结果基本相符，但仍然有一定的偏差，其原因为：上弦和下弦为弧形，并且节点 为焊接，非理想的铰接，杆件除了轴力，还存在弯矩和剪力因此桁架各杆件并非理想二力杆；现场加载试验对象 只是整体日光温室中的一榀桁架，其相邻桁架的存在必然影响试验效果；现场日光温室钢桁架部分保温实施， 滑道等并未拆除，同样会影响试验效果；钢桁架的施工质量是影响试验效果的又一因素，例如各个腹杆的长度 不一致，导致桁架的部分区域形成四边形，这将影响桁架内力的分布；钢筋锈蚀以及黏贴应变片时对钢筋的打 磨，使钢筋的截面积减小，影响试验效果。4参考文献：魏晓明,周长吉,曹 楠,等.中国日光温室结构及性能的演变J.江苏农业学报，2012,28(4):855-860.张 鹰,梁建坤,李树青,等.日光温室骨架的应力测试分析J.沈阳农业大学学报,2002,33(3):205-207.李密密.基于稳定承载力的温室结构空间整体性能研究D.北京:中国农业大学,2