玻璃溫室防震設計與模型試驗

李從權 王慶惠 馬月虹

摘要：為避免地震造成的損失，設計了一種玻璃溫室防震結構。該結構由工字鋼框架、耗能軸承、板彈簧等組成。溫室建在工字鋼框架上，耗能軸承安裝在框架下面，緩沖板彈簧安裝在框架四周。溫室移動時會受到板彈簧的緩沖作用，通過消耗能量提高溫室抗震能力。溫室質量15 t，緩沖墩5個，緩沖彈簧板2片，厚度8 mm，寬度50 mm，滿足使用要求。耗能軸承的上板設置了淺槽，卡在槽鋼上。對傳統球形滾子進行了改進，設計為削面滾子，削面圓直徑取5 mm?？s尺模型試驗顯示，相對于無緩沖裝置模型，其抗震動次數提到了4倍，抗震效果明顯。

關鍵詞：地震;玻璃溫室;緩沖彈簧;耗能軸承;削面滾子

中圖分類號：TU894? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）20-0164-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.039? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and test on shockproof device for greenhouse

LI Cong-quan1，WANG Qing-hui2，MA Yue-hong2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Tianmen Vocational College，Tianmen 431701，Hubei，China;

2.Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumqi 830091，China）

Abstract： In order to avoid the phenomena， a mechanical device was designed， which was made up of double T-steel frame， plane bearing and buffer spring. The greenhouse was built on I-steel frame. Plane bearings were mounted under the frame. The buffer plate spring was installed around the frame. When the greenhouse moved， it will be buffered by plate springs. Seismic capacity of the greenhouse will be improved by consuming energy. Greenhouse quality was 15 t， buffer plate spring was 5， spring plate takes was 2. The thickness was 8 mm， and the width was 50 mm， the produced stress will meet the requirement. Shallow groove was designed for the upper plate of plane bearing， which sandwiched on I-steel. Spherical roller was improved designed. The ball was flattened up and down. Two sides were parallel. The diameter of cut face was 5 mm. The vibration test showed that the buffer device has a fold increase in anti collapse capability compared with the non buffer device. Seismic effect was obvious.

Key words： earthquake; glasshouse; buffer spring; energy dissipation bearing; plane roller

玻璃溫室一般固定在地面上，遇到地震時，主體容易扭曲，玻璃會破碎，損失不僅是溫室本身，其內的科研材料及設備遭到破壞，間接損失慘重。玻璃溫室防震設計應該納入研究范圍。塑料大棚和玻璃溫室在全國各地果蔬種植中得到廣泛應用[1]。塑料溫室結構為竹木或鋼筋，覆蓋薄膜，具有重量輕、遮光率小、造價低的特點。主要形式有拱棚式、一面坡式、三面墻式、山坡依托式。塑料拱棚式多以竹木對稱彎曲搭建而成。李星等[2]研制了一種先進的塑料拱棚式溫室，其技術特征是可以拆卸，移動裝配，對耕層的破壞少。一面坡式溫棚后墻和兩面側墻均為土墻，后屋面為土蓋，前屋面扣塑料棚膜，前屋面木桿與地平面所成夾角約32 ℃，溫室中柱高1.5 m，溫室空間低，保溫效果好，但抗風、雪荷載的抵抗能力弱。三面墻式溫棚就地取材，保溫效果不好。馬月虹等[3]研制了以稻草、蘆葦桿、苯板等材料制成的新結構墻體，能夠滿足沙漠、高寒地區保溫要求。山坡依托式是在山坡或丘陵建造的溫室，借助地勢挖建，節省三面墻，冬季比一般溫室節省燃料50%以上。塑料溫室存在壽命短、進門難、抬頭難的問題。

玻璃溫室寬敞、透光好、壽命長，是研究所、生態農業公司常用的溫室形式，適合于多種氣候條件下使用。形式有花卉玻璃溫室、蔬菜玻璃溫室、育苗玻璃溫室、科研玻璃溫室、生態玻璃溫室、休閑觀賞溫室、異形玻璃溫室、智能玻璃溫室等。玻璃溫室主體結構多為鋁合金或型鋼，鋼材主要是Q235型沸騰鋼。鋁材型材主要是LD31-RCS。厚度玻璃常用4、5 mm，透光率高[4]。玻璃溫室是現代農藝研究的基本設施，也是現代農業溫室發展的趨勢[5]。

現有的建筑防震技術主要有主動控制隔震、上懸掛下隔震、橡膠墊塊隔震、隔震型等結構形式[6-9]。玻璃溫室功能、結構及選材決定了以上防震技術不能直接套用。知網、專利文庫沒有查到關于玻璃溫室的防震技術。本研究設計一種板彈簧緩沖結構，主要研究彈簧片數、寬度及厚度對工作應力的影響，設計耗能軸承的結構，用來消耗地震傳來的動能，用數學計算和模擬分析的方法來確定滾子的形狀和尺寸，通過縮尺模型試驗驗證結構對抗震的定性影響。

1? 結構及工作原理

1.1? 總體結構

防震結構設計如圖1所示，結構主要由緩沖墩、框架、緩沖彈簧、耗能平面軸承等組成。緩沖墩由鋼筋混凝土固定在地面上，用來抵抗溫室傾斜時彈簧傳遞來的推力?？蚣懿捎霉ぷ咒搰?，接頭采用坡口焊接形式。工字鋼槽內填充鋼筋混凝土。緩沖彈簧采用碟片式，使用墊片調節彈簧與框架間的松緊程度。耗能平面軸承安裝在框架下面，其球形滾子為削面多面體。

1.2? 工作原理

防震結構能夠消耗溫室移動時的動能。平面軸承安裝在框架下面，軸承滾子是削面球體。溫室傾斜移動時，軸承隨著移動。削面滾子做近似正多邊形滾動，滾子與軸承上下板發生碰撞，消耗溫室動能。防震結構能夠吸收溫室動能。溫室的玻璃結構安裝在工字鋼框架上，框架下面安裝有平面耗能軸承。地震是底殼不穩定造成的，震動峰值時間短。地震來臨時，溫室會隨著軸承移動。溫室傾斜造成的分力作用在緩沖彈簧上，會引起彈簧變形，溫室的動能就被彈簧吸收。通過緩沖耗能后，溫室移動速度會降低，達到玻璃溫室結構難以破壞，或被破壞程度小的目的。

2? 關鍵部件設計

2.1? 緩沖結構

板彈簧受力時會彎曲，變形量較大，消震能力強[10]，可作為玻璃溫室防震結構。溫室正常使用時是靜止的，地震時地面波動，板彈簧受壓，壓縮量dx與蓄能符合下列關系，如式（1）所示：

Ep=Fxdx? ? （1）

式中，Fx單側受力，Ep為壓縮彈簧儲存的能量。

如果沒有損耗，儲存的勢能與動能在相互轉換，一直震動下去。實際上在滾子非圓滾動和空氣阻力的作用下，逐漸耗去傳給溫室的動能。地震發生時間短，相對幅度大的持續時間更短。緩沖板彈簧設計主要考慮工作應力不大于屈服應力值的問題。

疊板彈簧兩端受力，受載形式如圖2所示，其工作應力為：

？滓=3×（2F）l/（2bnh2）[11]? ? （2）

式中，F為單側受載，b、h、l分別為板簧寬度、厚度和長度，n為板簧片數。

地震時地面傾斜，溫室受到緩沖彈簧作用，加上摩擦阻力的作用，移動速度低，是勻速移動。彈簧彈力為2FN，mgsin？茲為玻璃溫室順坡下滑力。？茲為地面傾斜角，m為溫室質量。單側安裝了N個緩沖彈簧墩，2FN≈mgsin？茲。彈簧在發生疲勞破壞之前可能發生塑性變形，按照靜強度校核[12]，板彈簧鋼正常工作需要滿足？滓≤[？滓]。

3mglsin？茲/（2Nbh2n）≤[？滓]? ?（3）

根據《玻璃溫室設計標準》跨度為15 m，長度40 m[12]，使用5 mm單層鋼化玻璃，質量12.5 kg/m2，一棟育苗玻璃溫室，總質量15 t。在地震造成的地面最大傾斜θ=15°，在保證彈簧有效彈力情況下，設計緩沖彈簧。選用彈簧鋼60Si2MnA，該鋼σs=1 373 MPa，安全系數取1.2，[σ]=1 144 MPa。依據式（3）計算得出板彈簧參數，祥見表1。

從表1可以看出，單側設置5個緩沖裝置的情況下，板彈簧組跨度l=500 mm，可動片數n=2，厚度h=8 mm，寬度b=50 mm，工作應力σ=732.4 MPa<σs=1 373 MPa，彎曲強度滿足使用要求。

2.2? 耗能平面軸承

耗能平面軸承由上滾動板、下滾地板、滾子及滾子隔離板組成。以框架工字鋼下平面為耗能平面軸承上滾動板，下滾動板固定在地面上。滾子分隔板一面設置淺槽，如圖3所示。淺槽卡在框架工字鋼平面上，保證軸承滾子隨框架一起移動。為增加耗能速度，對球形滾子進行了改進設計，如圖4所示，結構為多面球，削面相互平行。地震來臨時，多面滾子球在軸承下板來回移動，為非圓滾動，促進能量消耗，減小對緩沖彈簧的沖擊;無地震時，削面球可增加玻璃溫室穩度。安裝耗能軸承時，使滾子小削面接觸上下滾動板。

單個滾子承受重量F滾子=? （4）

式中，M為建筑物質量，m為平面滾動軸承數量，n為每個軸承滾子數量。

球體受到壓應力為？滓p=? ?（5）

材料擠壓應力為[？滓p]=? ?（6）

其中，Sp取1.0～1.5，考慮平面軸承在靜態下工作，在地震來臨時可以移動釋放能力，安全系數取1。

跨度為15 m，長度40 m，總質量約15 t。安裝36個平面軸承，每個軸承滾子10個滾子，滾子材料G20Cr2，σs=882 MPa，許可安全系數取1.5。每個滾子承受力416 N，代入得d≥0.56，為制作方便，取Φd=5 mm。

對滾珠進行有限元分析，滾珠為削邊球，直徑50 mm，分析時對結構簡化處理。材料選用軸承鋼，屈服應力為[σ]s=518.4 MPa[13]。方法為在UG上建?！治觥鷱姸认驅Аx材steel→施加載荷→約束→執行分析→劃分網絡→分析計算[14]，分析時研究滾珠隨著載荷變化的剛度變化情況。

圖5為滾珠位移云圖，顏色越淡，位移越小。削邊球上施加了119 N的向下作用力，通過觀察位移的顏色，與比色表對照可知，其最大位移在受力點，且最大位移量為0.107 9 mm，滾珠變形量很小。

圖6是滾珠的應力云圖，云圖顏色越淡，應力值越大，滾珠的應力值大小可以根據顏色比照得知。顏色對比具體數值表可得滾珠受到的最大應力值為200 MPa，小于σs=518.4 MPa，最大應力在滾珠與上下板接觸邊緣處，應力值在許可范圍內。

3? 試驗與分析

3.1? 試驗方法

縮尺模型試驗是結構試驗常用研究方法之一，該方法對尺寸、材質不要求嚴格相似。通過試驗與理論分析相比較，若相一致，就認為能在實際結構中應用[15]。本試驗模型采用前后墻加山墻結構，此與跨度不大的科研類玻璃溫室、育苗玻璃溫室及生態玻璃溫室在幾何空間上具有相似性。模型不用玻璃結構，采用磚混結構，便于反復試驗。人工施震與地震波接近，磚塊掉落與溫室扭曲時玻璃墜落情形相近。

縮尺尺寸不能太小，太小會產生縮尺效應，非整體試驗宜取真型的0.25至1.00[15]。本試驗模型按照實際溫室約為1∶3的比例縮小。模型長2.5 m，寬1.4 m，高度1.0 m，模型如圖7所示。試驗材料：青灰磚、彈簧、木板平臺。制作試驗平臺長2.5 m，寬1.4 m，高度1.0 m，平臺可以繞中間的凸臺上下擺動，與地面的撞擊形成地震沖擊。平臺四周設置了擋板，擋板上安裝了緩沖彈簧。

3.2? 試驗結果

砌體用青灰磚制作，磚在工字鋼框架上砌墻。試驗時有一塊磚掉落表示建筑倒塌。對無緩沖裝置的模型進行了20次試驗，震動至倒塌次數分布如圖8的下波形線，平均震動46次就倒塌。對有緩沖裝置的模型進行了20次試驗，倒塌次數分布如圖8的上波形線，平均震動189次倒塌，緩沖結構抗倒塌能力提高到了4倍。

4? 討論

1）可查閱的玻璃溫室研究主要集中在通風、透光、溫度、濕度及互聯網+技術方面。設計的緩沖和耗能結構能防止地震破壞玻璃溫室結構，也可以抵抗臺風對玻璃溫室的破壞。

2）緩沖結構用到疊板彈簧，材料使用彈簧鋼，材料供給充足。結構參照車用緩沖彈簧，結構可行。在設計時候抓住地震時間短的特點，保證材料在極限應力范圍內滿足緩沖要求。地面波動傾斜，玻璃溫室質量大的原因移動慢，近似認為溫室是勻速移動，簡化了計算方法。

3）框架下安裝了平面耗能軸承。削面滾子非圓滾動，能促進能量消耗。此軸承集移動與耗能特點于一體，與傳統平面軸承相比，既有繼承又有突破。削面滾子可通過鑄造或模鍛方法獲得，工藝不難。

5? 結論

1）針對地震會損壞玻璃溫室的問題，設計了溫室防震裝置。工字鋼框架內填充鋼筋混凝土，工字鋼下面安裝平面軸承。緩沖彈簧安裝在框架四周，溫室質量15 t，緩沖墩5個，彈簧板片n=2，厚度h=6 mm，寬度b=50 mm，彎曲應力符合要求。

2）平面軸承安裝在工字鋼下面，具有浮動作用。耗能平面軸承的分隔板上淺槽卡在工字鋼上，滾子與框架一起移動。削面滾子既增加滑動耗能能力，又提高了玻璃溫室靜止時的穩度。

3）理論分析說明了設計結構能夠緩沖溫室移動，能夠消耗地震傳給溫室的能量?？s尺模型試驗表明有防震結構相對無防震結構抗震能力提高到了4倍，抗震效果明顯。防震結構能夠有效防止玻璃溫室結構被破壞?？s尺抗震模型與實際的玻璃溫室在空間結構上有一定的相似性，使用的材質不同，但是符合縮尺模型試驗條件。

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