Ansys/LS—Dyna在抗臺風竹木結構大棚設計中的應用

徐群　應小剛　趙銀海

摘要：目前，大部分的農用塑料大棚為竹木結構，存在棚內柱子多，作業不方便，特別針對沿海地區，抗臺風能力差，穩定性不夠的問題尤為突出。但由于大棚的規范措施滯后，各類大棚的設計制造，尤其是設計、選型和配套技術還不成熟。本文針對竹木結構大棚在抗臺風設計中沒有現有規范的情況下，采用Ansys/LS-Dyna對竹木結構大棚進行整體框架的建立，計算和模擬，找到大棚設計建造中的薄弱環節，供設計人員參考。

關鍵詞：Ansys/LS-Dyna；抗臺風；竹木結構；塑料大棚

中圖分類號：F303.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）17-0083-02

一、引言

從20世紀80年代，國內外學者開始風荷載作用下大棚結構承載力的研究。Well和Hoxey進行了五種形狀的玻璃大棚在自然風條件下超過90度范圍的全尺寸模型實驗研究，考慮了風的方向的短時改變。Moran對大棚（27.8m×21.5m）進行了全尺寸風壓實驗研究，顯示建筑的幾何效應對風載壓力系數的關系；Richardsan針對設與不設防風籬情況下的塑料薄膜大棚的風荷載進行了全尺寸實驗研究，并對可滲透風的防風籬對連棟大棚小環境和連棟大棚結構的影響進行了深入的研究。2000年，周長吉在風、雪載荷分級方面取得了較大的成果。2012年，湯慶等設計出了一種新型的雙層拱架結構塑料大棚，工況選擇分為雪載與恒載結合及風載與恒載結合兩種情況，對該結構的骨架進行了受力分析。該分析方法對大棚結構設計人員進行結構研究設計起到了指導性的作用。目前，我國正處在大棚設施大力發展的階段，在農業生產中，出現了多樣的大棚結構。但由于大棚的規范措施滯后，各類大棚的設計制造，尤其是選型、設計和配套技術還不成熟。目前，大部分的農用塑料大棚為竹木結構，存在棚內柱子多，作業不方便，特別針對沿海地區，抗臺風能力差，穩定性不夠的問題尤為突出。浙江省2012年的大棚葡萄產量達到60萬噸，產值達到25億元，但臺風造成的葡萄損失達到幾個億。這暴露出目前大棚結構設計中存在的嚴重問題，且不說很多毀壞嚴重的為簡易的竹木結構大棚，包括很多連棟大棚，在設計造型上也存在弱點，特別是頂通風的連棟大棚，其拱棚上都未設置壓模線，頂上的棚膜僅靠幾道卡槽力固定，強度較低。正規廠家生產的連棟大棚雖然鋼質骨架的強度較大，但成本高，防腐解決不了，普通農民也很難承受高成本。如何在節約成本的情況下對現有竹木結構進行抗臺風的優化設計是目前亟待解決的重要問題，目前國內未見報道。本文采用Ansys/LS-Dyna模塊對實際倒塌的整體大棚結構進行了動態分析，找到大棚在臺風中的受力最大處。

二、建立幾何模型

以寧波某區的拱頂竹木結構連棟大棚為例，上覆塑料薄膜，架在混凝土邊柱上，大棚示意圖如圖1所示。該連棟大棚東西向共20跨，每跨6米，東西走向共120m。南北走向柱子分布為4m一排，共20排柱子，總長為76m。每跨之間采用的邊柱為180mm×65mm，高2.4m，每跨中間的三根中柱為70mm×75mm，高2.2m，所有柱子露出地面部分均為2.0m。最南和最北的兩排柱子每隔兩跨有一根斜支撐混凝土柱，截面尺寸也為180mm×65mm，支撐的上端直接搭在邊柱的柱頂上，另一端呈45°角直接搭在地面上。所有的斜拉鋼絲繩在柱子露出地面1.5m處呈45°角斜拉，埋入土中0.2m。所有的鋼絲繩采用12號鋼絲，即直徑為2.8mm。其中，斜拉繩為4股12號鋼絲繩，整個二十跨連棟大棚的外圍連接拉繩為7股12號鋼絲繩。其余掛葡萄的連接拉繩為1股12號鋼絲繩，鋼絲繩的張拉間距為0.5m。

三、數值模擬結果

考慮臺風載荷，結構的重力加速度時長為2.0s，葡萄重量加上拱頂結構的重量以每畝3000斤計，將葡萄和拱頂的重量以鋼絲繩自重的方式施加。在重力作用下的地面的von mises應力如圖2所示。根據該區農業氣候預報，農戶所在地臺風可能遭遇的等級約為10級，風速取為26.45m/s，根據換算公式（KN/m2），風壓為437.25N/m2，受到的風壓為北偏東30°。將其分解以后施加在東邊的20根柱子上的由東往西方向的載荷為1300N/根，考慮到塑料薄膜覆蓋的棚頂在臺風來時有塌陷，使得每根柱子都受力，由北向南的風載荷施加在所有的柱子上并取為390N/根，歷時為1.7s。圖3為在臺風作用下的變形圖。

四、結論

從上圖中可見，未剪斷拉繩的大棚在自重作用下，受力最大的點為大棚結構的四個邊角，而在邊角處的邊柱上有兩根斜拉繩，故結構較穩定。而受到臺風以后，東邊的兩個邊角受到的力達到了土體的屈服應力24kPa，故已經引起了周圍土壤的松動。需要對東邊的邊角附近的柱子進行進一步的加固。

參考文獻：

[1]Wells D A，Hoxey R P.Measurements of wind loads on full-scale glasshouses[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，1980，6（1-2）：139-167.

[2]Moran P.Full-scale measurement of wind pressures on a 27.8m long single 21.5m span agricultural building[J]. Journal of Agriculture Engineering Research，26：55-61，1981.

[3]Richardsan G M.Wind loads on a full-scale film-plastic clad greenhouse：with and without shelter from a windbreak[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，1986，23（1-3）：321-221.

[4]周長吉.大型連棟溫室設計風雪荷載分級標準初探[J].農業工程學報，2000，16（4）：103-105.

[5]湯慶.基于Ansys Workbench雙層拱架塑料大棚結構設計及流場模擬[D].安徽農業大學碩士學位論文，2012.endprint