典型温室建筑蒙皮效应研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2018-01-08 论文字数:38592字
论文编号: sb2018010719560319119 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是建筑论文,本文在考虑温室结构的实际工作状态的情况下,选取农业工程中常见的文洛型和华北型两种温室类型,建立了温室整体框架、温室框架覆盖 PC 板、温室框架覆盖玻璃 3 种计算
第 1 章 文献综述
 
1.1 引言
设施农业,是在环境相对可控条件下,采用配套设施和工程技术手段,在一定程度上降低动植物对自然环境依赖,从而进行高效生产的高级农业生产方式。同时也是中国社会主义新农村建设和推进农业发展的重要内容,在提高土地生产率、改善农业生产环境、保障农产品供给以及促进农民增收致富等方面具有显著的社会效益和经济效益[1]。农业温室作为设施农业的重要一部分,其全部或部分围护结构选取透光覆盖材料,在配备环境调控设备的基础上,可抵挡恶劣天气条件对农作物的影响,保证它们正常生长发育。随着我国农业的发展,越来越多的温室形式不断涌现,venlo 型温室和华北型温室由于其采光好、室内温室均匀、密封性好、使用灵活性强、构件通用性高等优点,是目前应用最为广泛的温室结构类型[2]。近年来,极端天气如暴雨雪、台风、飓风等气候事件频发,由于强风或大雪天气作用致使温室垮塌的事故时有发生,对设施农业生产和社会秩序造成了很大的影响[3-5]。因此,随着温室类型的不断更新换代及其产业的快速发展,在注重温室内部农作物成长环境研究的同时,温室结构的安全性也愈发受到社会的关注,广大学者、专家对于温室结构安全性现状以及如何保障温室结构安全性方面进行了越来越多的研究。目前国内外有关温室气流场、光照、温度及湿度等环境因子的研究成果已非常丰富,有关温室结构的科研成果较为缺乏,国内针对温室设计的规范较为简单,并已长期滞后于温室结构发展[6]。蒙皮效应是指建筑物表面覆盖材料利用本身的强度和刚度对建筑物整体结构刚度的加强作用,通常蒙皮效应在工程中只将其作为一种结构上的储备。对温室结构而言,其透光覆盖材料一般分柔性塑料覆盖材料、硬质塑料覆盖材料和玻璃 3 类[7]。当透光覆盖材料选用硬质塑料覆盖材料如 PC 板、FRP 板或玻璃等硬质板材时,它与温室框架协同作用来承担外部荷载,可增大温室结构的整体刚度,并减小温室侧移。现阶段,我国的温室结构设计对覆盖材料的蒙皮效应采取不考虑的处理方式,因为没有设计规范和行业标准来参考,设计人员通常只计算框架主体所能承担的荷载。这样设计的结果会有两个不利因素:第一,使温室结构的自重增加并且使温室建造的费用上升,在结构需要考虑抗震时同样不利于抗震设计;第二是由于覆盖材料蒙皮效应的真实存在,在作用于温室结构的侧向荷载较大时,覆盖材料会参与温室框架共同受力,而设计时的不考虑会造成结构在一些情况下出现不曾预测到的破坏。如在沿海地区经常出现温室屋面板在大风作用下整体被掀开破坏,原因可能就是温室结构在设计时忽略了屋面板的蒙皮效应而进行连接件的选用及布置,一旦作用于结构的侧向荷载较大时,檩条与屋面板或板与板之间的连接件就会由于超出其承载极限而发生连接件剪切破坏、拔出,覆盖材料被撕裂,结果是屋面板被整体破坏。
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1.2 蒙皮效应的研究现状
况早在 20 世纪 50 年代,就有学者意识到蒙皮效应在建筑结构领域的存在和它的潜在含义。国外许多学者在研究门式刚架结构时,发现实测的应力及挠度值比按规范设计计算的结果小许多。在经过一系列试验研究后,发现应力减少的原因是作为维护结构的压型钢板对框架主体受力起到了辅助作用。60 多年来,英美等发达国家已对蒙皮效应进行了长期、系统的研究。美国 Cornell 大学的 Nilson 与 Winter 在 1955 年利用足尺模型对蒙皮效应进行了力学性能试验,他们选取了不同跨度、板型的 50 多个蒙皮体,得到了大量的实验数据,研究了板跨、板型等参数对蒙皮结构性能的影响,此次试验研究也为之后受力蒙皮问题的研究和应用奠定了一定的基础[8]。美国的 Luttrell 在 1965 年对采用螺钉连接和焊接连接形式的蒙皮结构进行了一系列试验,加载时采用反复荷载,测试了蒙皮体的力学性能,并根据实验数据提出了用于估算受力蒙皮结构刚度的半经验公式[9]。El-Dakhakhni 和 Bryan 在 1968 年根据大量的实验数据提出了蒙皮剪切强度与剪切柔度的计算公式和方法[10]。Libove 和 Wu 在 1972 年对蒙皮剪切刚度进行了研究,通过考虑母线的侧向位移并假定压型钢板的波纹形状是正弦波使实验所得的数据与实际更为接近,但压型钢板仅波谷处设置连接件与檩条相连是此次研究的局限性所在[11]。Lawson 于 1976 年在上述研究的基础上对蒙皮剪切柔度进行了更深入的研究,他假定压型钢板波纹由正弦波组成,根据最小能量原理得到了蒙皮剪切柔度更为精确的计算公式与方法[12]。在相同波纹间距的情况下虽然弧形压型钢板刚度大于梯形截面压型钢板刚度,但由于弧形压型钢板与框架结构间的连接件通常间隔 2—4 个波距,这就在很大程度上降低了弧形压型钢板作为覆盖材料的蒙皮效应,与此同时梯形截面的压型钢板使用较为广泛,使得上述针对压型钢板的研究更加具有现实意义。
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第 2 章 蒙皮结构的组成和工作原理
 
本章主要介绍了与蒙皮效应有关的一些基本理论,主要包括蒙皮体结构的组成部分(覆盖材料、框架构件和连接件三部分),蒙皮效应的产生条件和作用原理,蒙皮效应的主要研究方法这三大部分。
 
2.1 蒙皮结构的组成
温室蒙皮结构是由覆盖材料、框架结构(立柱、屋面梁、檩条等)和连接件(自攻螺钉、拉铆钉等)三部分组成的。单个蒙皮单元结构如图 2-1 所示。浮法平板玻璃是玻璃作为温室覆盖材料时最常见的选择,它拥有表面质量优异、透光度高、规格选择多、品种齐全等优点。由于浮法玻璃的高温成形、退火、剪裁都是水平操作的,方便采用自动化、机械化批量生产,因此在采用浮法工艺生产玻璃时可以制作出尺寸较大并且具有多种厚度的玻璃。我国的 GB11614—1989 规范对浮法玻璃的相关技术要求及分类标准进行了详细的介绍。玻璃作为温室覆盖材料有以下几个优点:(1)透光性能优异。洁净玻璃对于波长在330-4000nm 波段范围内光的透光率能达到 90%;(2)保温性能良好。波长在 4000nm 以上的辐射几乎完全无法穿透玻璃,室内各物体表面发射或反射的长波均会被玻璃面板阻挡于室内,从而使室内向室外散失的热量减少,这是塑料作为覆盖材料所无法做到的;(3)由于对紫外线透过率低,玻璃的耐老化性能较好,透光率可长期保持在一个较高的状态;(4)玻璃不易发生热胀冷缩现象,结构系数较可靠。另一方面玻璃在作为覆盖材料时也存在以下缺点,其密度较大(2500kg/m3),与之相连的骨架承重能力要求较高,并且由于玻璃加工尺寸及骨架承载能力等方面的原因,玻璃固定材料的用量及要求也较高,导致温室在建造及出现损坏时维修难度高,费用花费多;另外,玻璃的塑性变形能力差,受到冲击时易发生破坏,因此在天气恶劣地区及人口分布密集的商业地区要谨慎选用。
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2.2 蒙皮效应产生的条件和作用原理
 
2.2.1 蒙皮效应的产生条件
结构必须满足以下条件才能使蒙皮效应真正地发挥作用:(1)需要设置适用的结构构件及连接形式,以便把因覆盖材料作用产生的内力传递至结构主体,最终传递给基础。(2)相邻覆盖材料或者蒙皮单元连接时均应采用自攻螺栓、铆钉、铝合金型材等类似的连接件,或以焊接、铆接等形式连接, 连接件在使用期间不能出现拔出、松动等现象,在覆盖材料开裂前不能发生剪切破坏。(3)每块覆盖材料或者蒙皮单元的段部在与温室主体框架连接时均应采用射钉、自攻螺栓、铝合金型材等连接件或采用焊接的形式直接固定在结构主体上,要求连接件在使用期间不能松动或拔出,并在覆盖材料破坏前不能发生剪切破坏。(4)为承担因蒙皮效应而产生的翼缘内力,需要沿覆盖材料跨度方向设置边缘构件,并且这些边缘构件需具备一定的强度[59]。(5)对于存在开口形式的蒙皮结构,需要在开口的周围布置加固,其目的是可使蒙皮板上的剪力传递到相邻的檩条或拉杆上去。
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第 3 章 蒙皮结构有限元理论及模型建立 ............19
3.1 有限元理论概述......... 19
3.2 软件功能介绍.... 21
3.3 有限元模型建立......... 23
第 4 章 温室结构静力分析..........31
4.1 静力分析简介 ....31
4.2 荷载施加 ............31
4.3 文洛型温室静力分析 ..........32
4.3.1 对结构位移的影响........32
4.3.2 对结构内力的影响........35
4.4 华北型温室静力分析 ..........41
4.4.1 对结构位移的影响........41
4.4.2 对结构内力的影响........44
第 5 章 温室结构模态分析..........51
5.1 模态分析简介 ....51
5.2 模态分析理论 ....52
5.3 模态分析过程 ....53
5.4 文洛型温室模态分析 ..........54
5.5 华北型温室模态分析 ..........56
 
第 5 章 温室结构模态分析
 
5.1 模态分析
简介振动是建筑结构中常遇到的问题之一,它会导致结构的共振或疲劳从而使结构破坏。了解结构本身具有的动力特性即结构的振型和固有频率,可以避免结构在地震、风等动力荷载作用下发生共振的风险。模态分析[66]用来确定结构的动力特性,即结构的振型和固有频率(或自振频率),它们是承受地震、风等动力荷载时建筑结构设计中的重要参数,结构的频率能够反应出结构的刚度与质量的相对比值,通过分析结构的固有频率以及相对应的各阶振型,就能够从宏观上了解结构的刚度分布特征。同时模态分析也经常作为其它一些动力学分析问题的起点,例如谐响应分析、谱分析及瞬态动力学分析,另外模态分析也是进行瞬态动力学分析、模态叠加法谐响应分析及谱分析所必需的前期准备过程。模态(也称主模态或固有振动模态)是多自由度线性系统的一种固有属性,可由系统的特征矢量(也称固有矢量或主振型)和特征值(也称固有值)二者共同来表示;两者分别从时间、空间两个方面来描述系统的振动特性,多自由度线性系统的振动(不论是强迫振动还是自由振动)均可以由各个模态振动叠加组成。一方面,各个模态振动的阻尼率及固有频率由系统特征值所确定,从而也就确定了模态频率响应函数和模态脉冲响应函数。这些是决定模态运动时间历程的内因(主要因素)。另一方面,模态运动中各个位移分量之间的相位与相对振幅由系统特征矢量规定的空间模式所确定。由上述分析可知,每个特征值和相应的特征矢量组成的特征对刻画出了相应模态运动的时空动态特性。由叠加原理可知,一个多自由度的系统运动经由所谓的模态变换能够分解为若干个相互独立的模态运动,这其中每一个模态运动都相当于是一个单自由度的系统运动。所以,可以首先分别求得各个模态的运动,再通过叠加获得系统总的运动。这就是模态分析在结构动力响应分析中的方法。通过模态分析方法首先掌握结构在某一易受影响频率范围内各阶模态的振型,就能够预测结构在此频率范围内由于外部或内部振源作用下的实际振动响应。由此可见,模态分析是设备的故障诊断和结构动态设计的重要方法。
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结论
 
本文对文洛型温室和华北型温室蒙皮效应的研究,最主要的工作是利用有限元分析软件ANSYS 对不考虑覆盖材料的纯框架结构和考虑覆盖材料的温室整体结构进行了静力学分析和模态分析,对结构位移、内力、自振频率等参数进行了对比。温室覆盖材料选择了玻璃与 PC板,荷载施加时考虑了结构正常使用时的风荷载与雪荷载。总结全文,主要得到以下几点结论:
1、结构位移方面,在温室考虑蒙皮效应后各个构件上的位移较不考虑蒙皮效应时均出现了大幅下降,文洛型温室在覆盖PC板与玻璃后最大位移由44.21mm下降至8.97mm和3.41mm,华北型温室在覆盖 PC 板与玻璃后最大位移由 16.66mm 下降至 10.97mm 和 5.16mm。说明温室结构在考虑蒙皮效应后,覆盖材料通过参与结构受力,能有效的减小侧向位移,提高结构的抗侧向刚度。通过详细的数据对比我们还发现,蒙皮效应对山墙面抗侧移能力的增强较中间榀刚架更为明显,玻璃在作为覆盖材料时对结构位移的减小比 PC 板要大。
2、结构内力方面,在考虑蒙皮效应后温室结构大部分构件上的最大弯矩值有所下降,蒙皮效应对结构弯矩最明显的影响是大幅降低了温室檩条与屋面梁上的弯矩,极大增强了温室上部构件的抗弯能力,各构件最大弯矩曲线明显变得平缓, 表明弯矩分布变得均匀;考虑蒙皮效应前后结构剪力最明显的变化是山墙面各构件剪力较中间榀刚架出现更为明显的下降,覆盖材料极大增强了山墙面的抗剪能力;考虑蒙皮效应前后结构轴力变化较为复杂,山墙面迎风柱、水平拉杆、檩条处的轴力出现上升,其他构件上的轴力出现不同程度下降;从总体来讲考虑温室覆盖材料带来的蒙皮效应降低了结构内力,并使结构内力分布变得均匀,增强了结构的整体性能,玻璃在作为覆盖材料时对结构内力的影响比 PC 板要大。
3、模态分析方面,通过对比温室模型考虑蒙皮效应前后的自振频率和振型我们发现,温室覆盖蒙皮材料时前 1—2 阶自振频率大于纯框架结构,但后几阶自振频率小于框架结构,考虑蒙皮效应时模型自振频率变化平缓,自振频率变得密集,覆盖材料使温室动力特性变得更加复杂。从振型的角度来看,纯框架结构表现出水平振动、竖向振动、扭转等多种振动形态,而考虑蒙皮效应的模型均表现出覆盖材料及其连接件部位的水平振动,说明蒙皮效应使得刚架变形减小,刚度提升,但覆盖材料自身的完整性易遭到破坏又成为威胁温室结构安全的隐患。
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参考文献(略)

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