新疆日光溫室前屋面的風載數值模擬分析

馬月虹，李保明，王國強，宋兵偉，劉 娜

(1.新疆農業科學院農業機械化研究所，烏魯木齊 830091；2. 中國農業大學水利與土木工程學院，農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

【研究意義】新疆各地區日光溫室常有保溫被被吹起、棚膜撕爛的現象，風災是新疆東疆吐魯番和南疆和田、喀什等地區日光溫室生產面臨的主要問題。日光溫室的風載荷是新疆日光溫室性能的主要考核指標。在進行日光溫室結構優化設計時，模擬和計算各圍護結構在當地實際承載的風雪載荷非常必要，直接關系到日光溫室的性能可靠性和結構穩定性[1]。日光溫室在生產種植過程中，會同時承受多個載荷[2]。6個組合中，有恒載+活載+雪載與恒載+活載+風載，雪載和風載采用誰大取誰的原則，不會同時出現[1]。由于雪載的作用方向與重力一致，相對比較單一，多數采取人工清雪和機械清理的方式預防雪災，相對可控。而風載的作用方向多且變化復雜，且不可控，對風載的模擬有提前預測和防災功能。日光溫室的外圍結構因為前屋面、后屋面和墻體的不規則、不對稱，相對復雜，由鋼骨架、北墻體、東西向拉桿等部件組成。開展日光溫室結構的力學研究，必須根據計算模型的選取規律，用一個可表達其基本受力與變形特性的簡略計算模型來替代實際日光溫室結構[3]。現有的力學研究較多又成熟，對前屋面鋼骨架建模分析，得到不同后屋面方案，計算荷載組合鋼骨架的內力及其對北墻的作用力。【前人研究進展】Mathews-EH和Meyer-JP用實驗分析和數值模擬相結合的方法，研究了半圓拱型塑料日光溫室的風荷載取值[4-5]。宋占軍[6]針對國內溫室建立了5連棟溫室受風雪荷載時半邊結構的計算模型。郭萬東等[7]利用計算流體力學軟件CFX一5對華南型單棟溫室的表面風壓進行了數值模擬，并討論了溫室屋檐和屋脊處的風壓分布特點。呂家圣[8]針對丘陵山區溫室結構選型，建立了Venlo型、尖頂型、圓拱型3種典型溫室，在改變跨度、風向角的情況下對溫室表面風壓進行了模擬研究。【本研究切入點】目前國內外預測和研究低層房屋風荷載的主要方法有：足尺模型場地試驗( 或現場實測)、縮尺模型風洞試驗、數值模擬。相對于高層建筑，低層房屋的全尺寸場地試驗開展得較多[9]。數值模擬方法是20世紀80年代發展起來的一種新的建筑風載預測方法。經過20年的探索研究，目前在利用該方法預測簡單體型的單體建筑方面已經取得了較大的進展[10-11]。【擬解決的關鍵問題】選取新疆和田地區的日光溫室，日光溫室保溫被鋪開、半卷、全卷、無保溫被共4種工作狀態，對4種保溫被卷鋪狀態的前屋面風載進行模擬，使用UG 軟件對日光溫室和保溫被進行不同位置模型，將墻體、頂部保溫被、骨架等結構適當簡化。

1 材料與方法

1.1 材 料

選取新疆和田地區的日光溫室。模擬日光溫室方位角南偏西8°；長度80 m；跨度8.5 m；脊高3.9 m；北墻墻體高2.2 m；墻體厚度50 cm；后屋面水平投影1.9 m；前屋面傾角33°；后屋面仰角40°。日光溫室保溫被鋪開、半卷、全卷、無保溫被共四種工作狀態；被子厚度約50 mm，全卷時被子為圓柱體，被子的直徑約400 mm，對4種保溫被卷鋪狀態的前屋面風載進行模擬。圖1

圖1 溫室截面示意Fig.1 Location of air guide wall

1.2 方法

使用UG 軟件對日光溫室和保溫被進行不同位置模型，將墻體、頂部保溫被、骨架等結構適當簡化。

1.2.1 保溫被的不同位置模型設計

紅色為日光溫室，黃色為保溫被。圖2

圖2 保溫被的不同位置模型Fig.2 Three dimensional drawing of different positions of insulation quilt

將上述模型與空氣進行布爾求差，得到整體的模型。日光溫室底面為X向80 m(-40 m

將UG中做好的模型導入到ANSYS ICEM中，進行網格劃分。圖4，圖5。

圖3 日光溫室整體模型Fig.3 Whole model of greenhouse

圖4 整體模型網格劃分Fig.4 Global model mesh generation

圖5 日光溫室模型網格劃分Fig.5 Gridding of greenhouse model

1.2.2 風模擬

由于日光溫室方位為南偏西8度，且項目區多西南風，每年2～4月多大風天氣，風力為6～7級，可取風與日光溫室的夾角為45+8=53°，風速取為13.8 m/s。則可計算得X向風速為8.28 m/s，Y向風速為-11.04 m/s。圖6

圖6 風向示意Fig.6 Wind direction diagram

2 結果與分析

2.1 保溫被狀態對薄膜風壓的影響

研究表明，無保溫被時，圍護結構最南部風壓大，約1.014×105Pa,脊高位置風壓最小約1.010×105Pa,其它位置風壓大小差異性不大，約1.013×105Pa。圖7

圖7 無保溫被時薄膜風壓Fig.7 Film wind pressure without thermal insulation quilt

保溫被全卷時，南部風壓最大，約1.014×105Pa,其它位置風壓大小差異性很小，約1.013×105Pa。由風向原因，后屋面西段風壓明顯最小，約1.012×105Pa。圖8

圖8 保溫被全卷時薄膜風壓Fig.8 Film wind pressure when the insulation quilt is fully rolled

保溫被半卷時，也是南部風壓最大，約1.014×105Pa,保溫被卷鋪位置風壓有個驟減，約1.012×105Pa,接著回升，后屋面西半部風壓又明顯減小，約1.010×105Pa。圖9

圖9 保溫被半卷時薄膜風壓Fig.9 Film wind pressure when the insulation quilt is half rolled

保溫被全鋪時，南部風壓最大，約1.014×105Pa，向北部逐漸降低，脊高位置風壓最小，約1.010×105Pa，后屋面西頭風壓明顯比東段小，約1.012×105Pa。

再通過Y向的九條曲線(X=-39 m，-30 m，-20 m，-10 m，0 m，10 m，20 m，30 m，39 m)畫出不同條件下風壓變化對比曲線。圖10

圖10 保溫被全鋪時薄膜風壓Fig.10 Film wind pressure when the insulation quilt is fully laid

圖11 提取風壓位置示意Fig.11 Schematic diagram of extracting wind pressure

圖12 不同保溫被狀態薄膜風壓Fig.12 Thin film wind pressure

在X=-39 m，-30 m，-20 m，-10 m，0 m，10 m，20 m，30 m，39 m九個斷面，無保溫被和保溫被全鋪，薄膜風壓的兩條曲線重疊，薄膜風壓基本一樣。圖11

保溫被半卷和保溫被全卷，薄膜風壓變化趨勢接近，保溫被半卷在保溫被卷放位置有個突變，因為卷放的被子約高400 mm，風壓遇障礙物，有突變。保溫被半卷和保溫被全卷薄膜風壓其它位置相近。從X= 0 m，10 m，20 m，30 m，39 m，-10 m，-20 m，-30 m到X=-39 m斷面，從兩者風壓值相同到保溫被全卷略大于保溫被半卷風壓值，保溫被半卷和保溫被全卷兩者間的風壓差值逐漸增加。4種位置風壓為：無保溫被=保溫被全鋪<保溫被半卷<保溫被全卷。圖12

3 討論

在無保溫被和保溫被全鋪時，薄膜南側風壓最大，約1.014×105Pa，脊高位置風壓最小約1.010×105Pa,北側風壓低，約1.013×105Pa，分析是由于南側風遇到阻礙，造成風壓的升高，而北側位于日光溫室頂端，風速快，而風速快的位置風壓小[12]。且兩種方式下薄膜風壓及風壓變化規律接近一致，可見保溫被全鋪與不鋪對薄膜表面壓強影響不大。

在保溫被全卷及半卷時，最南側風壓較大，約1.014×105Pa,脊高位置風壓最小約1.010×105Pa,其它位置風壓大小差異性不大，約1.012×105Pa。往北有風壓的降低，再往北則會重新升高。南北兩側風壓的升高分析是由于風遇到了日光溫室或保溫被的阻礙。對于保溫被半卷時，在保溫被卷放位置會有風壓的突變。

無保溫被、保溫被全鋪、保溫被全卷及保溫被半卷4種情況南側風壓相差不大，但越往北側，保溫被全卷或半卷會造成薄膜風壓的升高，尤其是屋脊頂部的突然升高。李曉豁[13]的研究，風荷載的體型系數極值通常出現在特殊邊角位置，如迎風面東西山墻的頂端屋檐與屋脊，此類位置亦是風壓激烈變化位置，通常風口前緣會出現最大值，日光溫室屋面其它位置的風壓則變化平穩[13]。該文模擬結果與李曉豁[13]研究結論一致，且該模擬能得到薄膜各個位置具體風載數據，準確合理。

4 結 論

保溫被3種位置狀態風壓為保溫被全鋪<保溫被半卷<保溫被全卷，因此保溫被全鋪是最佳的防風方案。因各位置方案都是南側風壓高，南側前屋面鋼骨架底腳拱形段的風載最大，達到1.015×105Pa。新疆北部地區日光溫室風雪荷載的計算分析[1]由分段式計算得Wk東南等于0.50 kn/m2，知風載極值在前屋面拱形段。此段結構性能對日光溫室前屋面穩定性和安全性至關重要，設計和建設時需要著重計算和核驗。

該模擬將日光溫室結構簡化，使用UG 軟件造型，將模型與空氣布爾求差的整體模型導入ANSYS ICEM再網格劃分，得到保溫被4種狀態薄膜風壓，對比風壓變化，該模擬方法能得到溫室各個位置具體風載數據，準確合理。