郭 懸，張 琛，許兆東，郭 亞（.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 22527；2.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫 2422）

概況

風(fēng)雪荷載是溫室大棚結(jié)構(gòu)的主要荷載，給大棚結(jié)構(gòu)的安全性帶來潛在威脅[1-2]。俞永華[3]對華東型溫室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為該類型結(jié)構(gòu)具有抗雪載性能好、立柱設(shè)計(jì)合理及整體穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。姜雄暉[4]利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對華東地區(qū)單棟塑料溫室進(jìn)行風(fēng)荷載數(shù)值模擬研究，認(rèn)為CFD方法能夠定性和定量預(yù)測溫室表面的風(fēng)壓分布，同時(shí)也能降低研究成本和減少研究周期。郭萬東等[5]也利用CFD軟件，采用k-ε模型，對華南型單棟塑料溫室的表面風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了表面風(fēng)壓分布特征，發(fā)現(xiàn)邊緣棟的風(fēng)壓較大，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視。張暢[6]對華南型單棟溫室結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為溫室梁柱節(jié)點(diǎn)為半剛性節(jié)點(diǎn)，受半剛性節(jié)點(diǎn)的影響，在荷載作用下，柱頂水平位移比計(jì)算值增大約20%。陳凱[7]對華南型溫室結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。柴冬冬[8]對索-拱結(jié)構(gòu)單棟塑料大棚骨架力學(xué)性能進(jìn)行研究，認(rèn)為斜拉索的施加可提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限承載力，并且減小了結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力分布范圍。龔偉等[9]通過對臺風(fēng)進(jìn)行分類，得到了海南溫室大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓，為海南溫室結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。閆俊月等[10]也對溫室大棚結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓取值進(jìn)行研究，并繪制出中國基本風(fēng)壓等值線圖，可供塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用。雷嘵暉等[11]通過非線性分析研究了大棚結(jié)構(gòu)分別在風(fēng)和雪荷載作用下的響應(yīng)，得到了大棚所能承受的最大風(fēng)力和雪載，對評估大棚結(jié)構(gòu)在風(fēng)雪荷載作用下的安全性提供指導(dǎo)。然而在農(nóng)業(yè)工程中，大棚結(jié)構(gòu)通常受到多種荷載的共同作用。陶冶等[12]對Venlo型溫室風(fēng)荷載特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，相同風(fēng)力條件下，風(fēng)向、跨度不同，溫室表面風(fēng)壓分布也各不同；其中，單跨和斜風(fēng)布置為最不利的布置形式。

溫室結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)運(yùn)營過程中，鋼材易銹蝕。銹蝕是造成工程結(jié)構(gòu)承載力下降的主要原因之一。很多學(xué)者對結(jié)構(gòu)在銹蝕作用下的安全性進(jìn)行分析[13-14]。也有一些學(xué)者對鋼筋銹蝕的性能進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)研究[15-16]，認(rèn)為銹蝕會造成其力學(xué)性能降低。包濤[17]對湯峪水電站壓力鋼管銹蝕成因進(jìn)行分析，并提出防腐措施，以提高其可靠性。無論是鋼筋還是鋼管銹蝕，對結(jié)構(gòu)的安全都會造成一定程度的影響。鋼管在農(nóng)業(yè)溫室大棚中應(yīng)用比較廣泛，因此有必要研究其對溫室大棚結(jié)構(gòu)承載力的影響。

近5年土木工程結(jié)構(gòu)在多重災(zāi)害下的安全性越來越受到學(xué)者關(guān)注[18-20]。Guo 等[18]研究分析了橋梁結(jié)構(gòu)在沖刷和地震作用下的損傷概率，認(rèn)為多重荷載作用，明顯增加了結(jié)構(gòu)的破壞性。Alipour等[20]研究了橋梁在沖刷和地震作用下的可靠性，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮多重災(zāi)害對結(jié)構(gòu)安全性的影響，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級，以減少安全隱患。溫室結(jié)構(gòu)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中起著舉足輕重的作用，其所受的活荷載主要為風(fēng)雪荷載，同時(shí)也會受到環(huán)境腐蝕作用，因此評估溫室結(jié)構(gòu)在這些荷載作用下的安全性至關(guān)重要。截至目前依然鮮見關(guān)于溫室結(jié)構(gòu)在多重災(zāi)害耦合作用下的安全性問題研究。以門式鋼架結(jié)構(gòu)和拱圓頂型結(jié)構(gòu)為例，通過靜力非線性分析，研究溫室結(jié)構(gòu)在多重災(zāi)害下的極限承載力，為評估溫室結(jié)構(gòu)在多荷載作用下的安全性提供指導(dǎo)。

銹蝕對鋼材特性的影響

銹蝕會降低鋼材的屈服強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變。Lee和Cho[14]通過試驗(yàn)研究，總結(jié)了鋼筋特性隨銹蝕程度的變化規(guī)律。對于抗蝕情況，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、和極限應(yīng)變分別表達(dá)為：

圖1 溫室大棚結(jié)構(gòu)幾何模型/m

溫室大棚模型

幾何模型

試驗(yàn)的大棚結(jié)構(gòu)為獨(dú)棟，橫向跨度為8 m，總高度為4.2 m。大棚立柱高度2.4 m，截面形式為圓管形，直徑0.1 m，厚度4 mm。具體模型圖如圖1所示，圖1a為門式鋼架結(jié)構(gòu)，圖1b為拱圓頂型結(jié)構(gòu)。

圖2 溫室大棚有限元模型

有限 元模型

試驗(yàn)溫室大棚結(jié)構(gòu)有限元模型采用ABAQUS有限元軟件建模，結(jié)構(gòu)立柱采用梁單元模擬，截面形式為管狀。對于鋼架結(jié)構(gòu)的頂部斜梁和拱圓頂結(jié)構(gòu)的拱頂部分采用梁單元進(jìn)行模擬。2種溫室結(jié)構(gòu)的頂部支撐采用桁架單元，截面形式為圓管形，半徑0.03 m，厚度4 mm。對于桁架結(jié)構(gòu)，每根桿件作為一個(gè)單元。具體有限元模型圖如圖2所示。在該研究中，柱底部固結(jié)，不考慮土和基礎(chǔ)的相互作用。

表1 不同銹蝕率下鋼管彈性模量和屈服強(qiáng)度

溫室大棚結(jié)構(gòu)在多災(zāi)害耦合作用下的響應(yīng)

銹蝕對溫室大棚結(jié)構(gòu)立柱承載力影響

圖3 不同銹蝕率立柱的滯回曲線

利用ABAQUS軟件建立大棚立柱有限元模型，通過低周推覆分析，提取柱頂位移和柱底反力，得到柱體在不同銹蝕率下的滯回曲線。在推覆分析過程中，沒有考慮上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載。圖3是銹蝕率分別為0、5%、10%、15%和20%情況下的曲線。從圖3a可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)完好時(shí)，最大力為5.41×103N，當(dāng)銹蝕率達(dá)20%時(shí)，最大力為3.27×103N，通過比較二者發(fā)現(xiàn)最大力降低了39.55%。通過比較各圖，可以發(fā)現(xiàn)銹蝕對空心鋼管柱的承載力有很大影響，隨著銹蝕率的增加，柱體承載能力逐漸下降。

圖4 考慮雪荷載作用不同銹蝕率下溫室大棚水平極限承載力

表2 風(fēng)荷載基本參數(shù)

表3 銹蝕溫室結(jié)構(gòu)在多災(zāi)害耦合下的響應(yīng)

銹蝕溫室大棚結(jié)構(gòu)在雪荷載下的極限承載力

考慮銹蝕和雪荷載作用下，對溫室大棚結(jié)構(gòu)水平方向的極限承載力進(jìn)行計(jì)算。圖4a中結(jié)構(gòu)在完好條件下，力的最大值為3.405×104N；當(dāng)銹蝕率為5%時(shí)，水平力最大值為3.061×104N；當(dāng)銹蝕率為10%時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平力最大值為2.727×104N；當(dāng)銹蝕率為20%時(shí)，力最大值降到2.054×104N。對比完好結(jié)構(gòu)和銹蝕20%的結(jié)構(gòu)，力的最大值降低了約39.67%。因此銹蝕對溫室大棚結(jié)構(gòu)的承載力有很大影響。同時(shí)圖4可以看出力的最大值和鋼管銹蝕程度基本成線性變化關(guān)系。從圖4可以清晰看出，隨著銹蝕程度的增加，結(jié)構(gòu)總體屈服位移減少，承載力逐漸下降。

銹蝕溫室大棚結(jié)構(gòu)在風(fēng)和雪荷載下共同作用下的響應(yīng)

風(fēng)荷載是影響溫室大棚結(jié)構(gòu)安全性的主要荷載之一，特別是對沿海地區(qū)。本文風(fēng)荷載計(jì)算按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[21]進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)值如表2所示。其中βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓；ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；q1為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值。本節(jié)以門式鋼架為例，計(jì)算不同銹蝕程度下，結(jié)構(gòu)在風(fēng)雪荷載共同作用下的響應(yīng)。柱頂、棚頂位移、柱底反力數(shù)值如表3所示。從表3可以看出，隨著銹蝕程度的增加柱頂、棚頂位移逐漸增大，例如與完好結(jié)構(gòu)相比，銹蝕率為20%時(shí)，結(jié)構(gòu)在三種荷載耦合作用下的頂部位移增加約30.48%。但是銹蝕對柱底反力影響較小，不同銹蝕程度下，柱底反力基本相同。

溫室大棚結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或者雪荷載作用下的安全性受到很多學(xué)者的關(guān)注，一些學(xué)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)或者數(shù)值模擬研究單一風(fēng)荷載或者雪荷載作用下的響應(yīng)，這些研究為大棚結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)荷載或者雪荷載作用下的安全性設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。然而在很多地區(qū)，溫室結(jié)構(gòu)可能遭受多重災(zāi)害的耦合作用，特別是對于沿海地區(qū)，容易發(fā)生銹蝕和風(fēng)載的耦合作用，甚至是風(fēng)、雪及銹蝕的耦合作用。因此研究單一荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性，會低估結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，對結(jié)構(gòu)在多荷載作用下的承載力分析及安全性評估具有重要意義。試驗(yàn)以2種單棟溫室結(jié)構(gòu)為例，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同工況下的承載力及響應(yīng)。使用銹蝕鋼筋的本構(gòu)模型代替銹蝕鋼管的本構(gòu)模型，在以后的研究中，可對銹蝕鋼管進(jìn)行力學(xué)性能研究，將其本構(gòu)模型代入有限元模型中，以提高計(jì)算結(jié)構(gòu)的精確性。同時(shí)還針對單棟溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，連棟溫室結(jié)構(gòu)在農(nóng)業(yè)工程中也廣泛應(yīng)用，因此評估連棟溫室結(jié)構(gòu)在多重災(zāi)害作用下的安全性具有一定意義。

結(jié)論

試驗(yàn)通過有限元數(shù)值模擬，研究分析了溫室大棚在多災(zāi)害銹蝕和環(huán)境荷載作用下的安全性。通過低周推覆計(jì)算大棚結(jié)構(gòu)立柱在不同銹蝕率下的滯回性能。同時(shí)分析了大棚結(jié)構(gòu)在不同銹蝕率下的承載能力特性，結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮了幾何大變形。低周推覆結(jié)果表明，銹蝕對立柱的承載力有很大影響，隨著銹蝕率的增加，立柱承載力逐漸下降。例如，對于完好結(jié)構(gòu)最大力為5.41×103N，當(dāng)銹蝕率為20%時(shí)，力的最大值為3.27×103N，力的最大值下降約40%?？紤]雪荷載作用下，銹蝕對溫室結(jié)構(gòu)的水平極限承載力影響很大，隨著銹蝕率的增加，結(jié)構(gòu)整體水平承載力下降，承載力的下降與結(jié)構(gòu)銹蝕程度成線性變化，結(jié)構(gòu)整體屈服位移減小。大棚結(jié)構(gòu)在三種荷載的耦合作用下，隨著銹蝕率的增加，結(jié)構(gòu)位移逐漸增加。與完好結(jié)構(gòu)相比，銹蝕率為20%時(shí)，結(jié)構(gòu)在三種荷載耦合作用下的頂部位移增加約30.48%。