新疆阿勒泰日光温室拱架优化设计

刘 霞，马月虹，肖林刚,，曹新伟,，吴乐天，宋兵伟

（1．新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐830091；2．新疆农业科学院农业工程公司）

新疆阿勒泰日光温室拱架优化设计

刘 霞1，马月虹1，肖林刚1,2，曹新伟1,2，吴乐天2，宋兵伟1

（1．新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐830091；2．新疆农业科学院农业工程公司）

针对目前新疆阿勒泰地区日光温室拱架抗风雪能力弱的现状，探索一种能在阿勒泰地区承受冬季雪载的日光温室。通过采用ANSYS软件对拱架进行雪载、温室自重等综合受力分析，在拱架薄弱位置增加临时支撑柱。经过为期两年的温室生产，证实该类型拱架结构稳定、安全。临时支撑柱的设置可解决现有温室设计不足，同时为新建温室提供设计参考。

拱架；受力分析；优化；设计

阿勒泰地区位于北纬45°～49°之间，属于高纬度地区，冬季长达160 d以上，年降雪量在32．2～85mm之间[1]，传统的日光温室结构很难适应该地区冬季高寒、降雪量大的特点，多地温室出现因积雪造成拱架坍塌损毁情况，给当地农户造成经济损失，影响了设施农业的经济效益。

新疆农科院农业机械化研究所运用ANSYS软件对温室拱架进行了雪载荷、温室自重等综合受力分析，在拱架受力最薄弱点处设置临时支撑柱，用以支撑冬季降雪及积雪对温室前屋面的压力，并对温室进行优化设计。

1 载荷计算

日光温室拱架所承受的载荷基本分三类：恒载、活载和偶然载荷。前屋面保温材料自重及其施工载荷和操作载荷等恒载即拱架自重载荷Sz，因拱架弧面不存在人的活动，因此偶然载荷基本不考虑[2]。日光温室所承受的活载除雪载荷Sk外，还有拱架自重载荷Sz、温室内部的植物吊重Sd、保温材料自重Sb等。

1.1拱架载荷

以设计模型中的日光温室钢拱架为例，拱架材料均为焊管及圆钢。上弦∅32mm，焊管壁厚2mm，长9m；下弦∅20mm，焊管壁厚2 mm，长9 m，拉花∅10mm的圆钢，单根长400mm，数量20根。钢材理论重量计算基本公式为：W＝ρv，式中ρ为密度，v为体积。因此：W1＝W上弦+W下弦+W拉花

计算得W1＝22．75 kg

以4副拱架为模型，拱架间距1m，温室跨度6．5m，横拉杆8根，Sz＝（W1×4+W2）/S。

式中 W2—横拉杆重量，kg；S—投影面积，m2

计算得Sz＝41．75 N/m2

1.2雪载荷

雪荷载指作用在建筑物或构筑物顶面上的雪压。基本雪压是以当地一般空旷地面上统计所得30年一遇最大积雪的自重确定。一般日光温室寿命为10～15年左右，故对基本雪压进行折减0．8[3]。积雪作用于建筑物上的重力，取决于雪的深度和积雪的单位体积重量。新疆境内认定大于6mm的降雪事件为大雪，大于12mm的降雪事件为暴雪。一般新雪和陈雪的密度为100 kg/m3～500 kg/m3。主要取决于积雪时间和气候条件，阿勒泰地区一般取230 kg/m3[4]，降雪量按照最大值85mm计算[1]。

因此，阿勒泰地区雪压估值计算为：Sk＝μrS0

式中 Sk—雪荷载标准值，N/m2；μr—屋面积雪分布

系数；S0—基本雪压，kN/m2。3

计算得Sk＝153．2 N/m2。

1.3吊蔓载荷

温室中种植的果菜类均需要吊蔓，按照常规吊蔓重量，以15 kg/m2计算[3]，Sd＝150 N/m2。

1.4保温材料载荷

阿勒泰地区降雪量大，1月平均气温-24℃，因此所使用的保温被重量为2．5～3 kg/m2，这里取值Sb＝30 N/m2。

1.5综合载荷

计算得S总＝375 N/m2。

2 受力分析

用ANSYS软件进行实体建模，模型为4副拱架、8根横拉杆的纵横交错拱架实体。模型材质为普通碳钢，在拱架两端施加约束，即表示拱架两端固定在墙体和地面（图1）。拱架设计应满足强度要求，为适于更广泛的地区使用，载荷取值偏大，分析中以最大载荷组合计算。根据《机械设计手册》，选取安全系数为1．25[5]。

图1 日光温室综合受力示意

对拱架施加470 N/m2的压力，方向竖直向下，通过计算机模拟分析得出图2，由图看出该拱架受力最薄弱处在中部偏下，意味着超值强降雪有可能对该区域造成损坏。

图2 模拟拱架位移云图

3 解决方法

针对上述分析需在距前屋面2m处温室拱架上安装临时支撑柱∅40mm的钢管，壁厚2．5mm，顶部用U型卡固定在拱架上弦，底部焊接100×100×6m方形钢板，根据种植区人工调整支撑柱高度，雪季结束后旋转固定到温室底部（图3）。

经过两个冬季的运行，证实该类型温室能在阿勒泰地区安全生产，不坍塌，结构稳定。能有效避免单次降雪量大的突发天气及冬季长期积雪对温室结构的损坏。

图3 支撑柱安装示意

[1]白松竹，陈真，庄晓翠，王磊．阿勒泰地区冬季降雪的集中度和集中期变化特征[J]．干旱气象，2014，32（1）：99～107．

[2]丛祥安，王志臣，杨晓波．日光温室设计受力载荷分析[J]．辽宁农业职业技术学院学报，2002，4（1）：26～27．

[3]侯丽薇，吴巍．日光温室最危险载荷的计算机辅助分析计算[J]．光学精密工程，1999，7（6）：71～74．

[4]张林梅，张建，李建丽．阿勒泰地区冬季极端降雪事件变化特征分析[J]．干旱区资源与环境，2014，28（4）：89～95．

[5]单面坡日光温室钢骨架有限元优化[J]．农业机械学报，2005，36（3）：151～154．

Optimization of arch structure of greenhouse in Xinjiang Altay

LIU Xia1,MA Yue-hong1,X IAO Lin-Gang1,2,CAO X in-wei1,2,WU Le-Tian2,SONG Bing-wei1

(Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Agricultural Machinery Research Institute,Urumqi830091，XinJiang,China)

It's necessary to find out a kind of solar greenhouse that can bear snow load in Altay Prefecture,under the present of Altay solar greenhouses' weak ability to resist snow.So the temporary pillars has been added in arch weak position according to the results of the analysis abouts now load and green house weight by ANSYS12.0 software.Through two years of testing,it confirmed that this type arch structure is stable.This design can solve some defects existing in greenhouse,while providing design reference for the new green houses at the same time.

Arch;Stressanalysis;Optimization;Design

10．13620/j．cnki．issn1007-7782．2016．04．013

S625．1

A

1007-7782（2016）04-0032-02

2016-08-06