溫室大棚在銹蝕和風雪荷載共同作用下的安全性研究*

郭 懸，張 琛，許兆東，郭 亞（.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州 22527；2.江南大學物聯網工程學院，江蘇無錫 2422）

概況

風雪荷載是溫室大棚結構的主要荷載，給大棚結構的安全性帶來潛在威脅[1-2]。俞永華[3]對華東型溫室結構的特點進行總結，認為該類型結構具有抗雪載性能好、立柱設計合理及整體穩定性高等特點。姜雄暉[4]利用計算流體力學（CFD）對華東地區單棟塑料溫室進行風荷載數值模擬研究，認為CFD方法能夠定性和定量預測溫室表面的風壓分布，同時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壓進行數值模擬，得到了表面風壓分布特征，發現邊緣棟的風壓較大，建議結構設計時應該重視。張暢[6]對華南型單棟溫室結構模型進行試驗研究，認為溫室梁柱節點為半剛性節點，受半剛性節點的影響，在荷載作用下，柱頂水平位移比計算值增大約20%。陳凱[7]對華南型溫室結構的模型進行了風洞試驗。柴冬冬[8]對索-拱結構單棟塑料大棚骨架力學性能進行研究，認為斜拉索的施加可提高結構的穩定極限承載力，并且減小了結構的最大應力分布范圍。龔偉等[9]通過對臺風進行分類，得到了海南溫室大棚結構設計基本風壓，為海南溫室結構的合理設計提供指導。閆俊月等[10]也對溫室大棚結構的風壓取值進行研究，并繪制出中國基本風壓等值線圖，可供塑料大棚結構設計應用。雷嘵暉等[11]通過非線性分析研究了大棚結構分別在風和雪荷載作用下的響應，得到了大棚所能承受的最大風力和雪載，對評估大棚結構在風雪荷載作用下的安全性提供指導。然而在農業工程中，大棚結構通常受到多種荷載的共同作用。陶冶等[12]對Venlo型溫室風荷載特性進行數值模擬研究，結果表明，相同風力條件下，風向、跨度不同，溫室表面風壓分布也各不同；其中，單跨和斜風布置為最不利的布置形式。

溫室結構在生產運營過程中，鋼材易銹蝕。銹蝕是造成工程結構承載力下降的主要原因之一。很多學者對結構在銹蝕作用下的安全性進行分析[13-14]。也有一些學者對鋼筋銹蝕的性能進行力學試驗研究[15-16]，認為銹蝕會造成其力學性能降低。包濤[17]對湯峪水電站壓力鋼管銹蝕成因進行分析，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，對結構的安全都會造成一定程度的影響。鋼管在農業溫室大棚中應用比較廣泛，因此有必要研究其對溫室大棚結構承載力的影響。

近5年土木工程結構在多重災害下的安全性越來越受到學者關注[18-20]。Guo 等[18]研究分析了橋梁結構在沖刷和地震作用下的損傷概率，認為多重荷載作用，明顯增加了結構的破壞性。Alipour等[20]研究了橋梁在沖刷和地震作用下的可靠性，建議結構設計中要考慮多重災害對結構安全性的影響，提高結構設計安全等級，以減少安全隱患。溫室結構在農業發展中起著舉足輕重的作用，其所受的活荷載主要為風雪荷載，同時也會受到環境腐蝕作用，因此評估溫室結構在這些荷載作用下的安全性至關重要。截至目前依然鮮見關于溫室結構在多重災害耦合作用下的安全性問題研究。以門式鋼架結構和拱圓頂型結構為例，通過靜力非線性分析，研究溫室結構在多重災害下的極限承載力，為評估溫室結構在多荷載作用下的安全性提供指導。

銹蝕對鋼材特性的影響

銹蝕會降低鋼材的屈服強度、彈性模量、抗拉強度和極限應變。Lee和Cho[14]通過試驗研究，總結了鋼筋特性隨銹蝕程度的變化規律。對于抗蝕情況，屈服強度、抗拉強度、彈性模量、和極限應變分別表達為：

圖1 溫室大棚結構幾何模型/m

溫室大棚模型

幾何模型

試驗的大棚結構為獨棟，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為門式鋼架結構，圖1b為拱圓頂型結構。

圖2 溫室大棚有限元模型

有限 元模型

試驗溫室大棚結構有限元模型采用ABAQUS有限元軟件建模，結構立柱采用梁單元模擬，截面形式為管狀。對于鋼架結構的頂部斜梁和拱圓頂結構的拱頂部分采用梁單元進行模擬。2種溫室結構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。對于桁架結構，每根桿件作為一個單元。具體有限元模型圖如圖2所示。在該研究中，柱底部固結，不考慮土和基礎的相互作用。

表1 不同銹蝕率下鋼管彈性模量和屈服強度

溫室大棚結構在多災害耦合作用下的響應

銹蝕對溫室大棚結構立柱承載力影響

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，沒有考慮上部結構傳遞的豎向荷載。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，當結構完好時，最大力為5.41×103N，當銹蝕率達20%時，最大力為3.27×103N，通過比較二者發現最大力降低了39.55%。通過比較各圖，可以發現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 風荷載基本參數

表3 銹蝕溫室結構在多災害耦合下的響應

銹蝕溫室大棚結構在雪荷載下的極限承載力

考慮銹蝕和雪荷載作用下，對溫室大棚結構水平方向的極限承載力進行計算。圖4a中結構在完好條件下，力的最大值為3.405×104N；當銹蝕率為5%時，水平力最大值為3.061×104N；當銹蝕率為10%時，結構的水平力最大值為2.727×104N；當銹蝕率為20%時，力最大值降到2.054×104N。對比完好結構和銹蝕20%的結構，力的最大值降低了約39.67%。因此銹蝕對溫室大棚結構的承載力有很大影響。同時圖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系。從圖4可以清晰看出，隨著銹蝕程度的增加，結構總體屈服位移減少，承載力逐漸下降。

銹蝕溫室大棚結構在風和雪荷載下共同作用下的響應

風荷載是影響溫室大棚結構安全性的主要荷載之一，特別是對沿海地區。本文風荷載計算按照《建筑結構荷載規范》[21]進行計算，具體數值如表2所示。其中βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；ω0為基本風壓；ωk為風荷載標準值；q1為風荷載設計值。本節以門式鋼架為例，計算不同銹蝕程度下，結構在風雪荷載共同作用下的響應。柱頂、棚頂位移、柱底反力數值如表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，例如與完好結構相比，銹蝕率為20%時，結構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。

溫室大棚結構在風荷載或者雪荷載作用下的安全性受到很多學者的關注，一些學者通過風洞試驗或者數值模擬研究單一風荷載或者雪荷載作用下的響應，這些研究為大棚結構抵抗風荷載或者雪荷載作用下的安全性設計提供一定指導。然而在很多地區，溫室結構可能遭受多重災害的耦合作用，特別是對于沿海地區，容易發生銹蝕和風載的耦合作用，甚至是風、雪及銹蝕的耦合作用。因此研究單一荷載作用下的結構安全性，會低估結構的風險，對結構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。試驗以2種單棟溫室結構為例，對結構進行非線性靜力分析，計算結構在不同工況下的承載力及響應。使用銹蝕鋼筋的本構模型代替銹蝕鋼管的本構模型，在以后的研究中，可對銹蝕鋼管進行力學性能研究，將其本構模型代入有限元模型中，以提高計算結構的精確性。同時還針對單棟溫室結構進行計算，連棟溫室結構在農業工程中也廣泛應用，因此評估連棟溫室結構在多重災害作用下的安全性具有一定意義。

結論

試驗通過有限元數值模擬，研究分析了溫室大棚在多災害銹蝕和環境荷載作用下的安全性。通過低周推覆計算大棚結構立柱在不同銹蝕率下的滯回性能。同時分析了大棚結構在不同銹蝕率下的承載能力特性，結構計算中考慮了幾何大變形。低周推覆結果表明，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，對于完好結構最大力為5.41×103N，當銹蝕率為20%時，力的最大值為3.27×103N，力的最大值下降約40%。考慮雪荷載作用下，銹蝕對溫室結構的水平極限承載力影響很大，隨著銹蝕率的增加，結構整體水平承載力下降，承載力的下降與結構銹蝕程度成線性變化，結構整體屈服位移減小。大棚結構在三種荷載的耦合作用下，隨著銹蝕率的增加，結構位移逐漸增加。與完好結構相比，銹蝕率為20%時，結構在三種荷載耦合作用下的頂部位移增加約30.48%。