温室大棚在锈蚀和风雪荷载共同作用下的安全性研究*

郭 悬，张 琛，许兆东，郭 亚（.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 22527；2.江南大学物联网工程学院，江苏无锡 2422）

概况

风雪荷载是温室大棚结构的主要荷载，给大棚结构的安全性带来潜在威胁[1-2]。俞永华[3]对华东型温室结构的特点进行总结，认为该类型结构具有抗雪载性能好、立柱设计合理及整体稳定性高等特点。姜雄晖[4]利用计算流体力学（CFD）对华东地区单栋塑料温室进行风荷载数值模拟研究，认为CFD方法能够定性和定量预测温室表面的风压分布，同时也能降低研究成本和减少研究周期。郭万东等[5]也利用CFD软件，采用k-ε模型，对华南型单栋塑料温室的表面风压进行数值模拟，得到了表面风压分布特征，发现边缘栋的风压较大，建议结构设计时应该重视。张畅[6]对华南型单栋温室结构模型进行试验研究，认为温室梁柱节点为半刚性节点，受半刚性节点的影响，在荷载作用下，柱顶水平位移比计算值增大约20%。陈凯[7]对华南型温室结构的模型进行了风洞试验。柴冬冬[8]对索-拱结构单栋塑料大棚骨架力学性能进行研究，认为斜拉索的施加可提高结构的稳定极限承载力，并且减小了结构的最大应力分布范围。龚伟等[9]通过对台风进行分类，得到了海南温室大棚结构设计基本风压，为海南温室结构的合理设计提供指导。闫俊月等[10]也对温室大棚结构的风压取值进行研究，并绘制出中国基本风压等值线图，可供塑料大棚结构设计应用。雷哓晖等[11]通过非线性分析研究了大棚结构分别在风和雪荷载作用下的响应，得到了大棚所能承受的最大风力和雪载，对评估大棚结构在风雪荷载作用下的安全性提供指导。然而在农业工程中，大棚结构通常受到多种荷载的共同作用。陶冶等[12]对Venlo型温室风荷载特性进行数值模拟研究，结果表明，相同风力条件下，风向、跨度不同，温室表面风压分布也各不同；其中，单跨和斜风布置为最不利的布置形式。

温室结构在生产运营过程中，钢材易锈蚀。锈蚀是造成工程结构承载力下降的主要原因之一。很多学者对结构在锈蚀作用下的安全性进行分析[13-14]。也有一些学者对钢筋锈蚀的性能进行力学试验研究[15-16]，认为锈蚀会造成其力学性能降低。包涛[17]对汤峪水电站压力钢管锈蚀成因进行分析，并提出防腐措施，以提高其可靠性。无论是钢筋还是钢管锈蚀，对结构的安全都会造成一定程度的影响。钢管在农业温室大棚中应用比较广泛，因此有必要研究其对温室大棚结构承载力的影响。

近5年土木工程结构在多重灾害下的安全性越来越受到学者关注[18-20]。Guo 等[18]研究分析了桥梁结构在冲刷和地震作用下的损伤概率，认为多重荷载作用，明显增加了结构的破坏性。Alipour等[20]研究了桥梁在冲刷和地震作用下的可靠性，建议结构设计中要考虑多重灾害对结构安全性的影响，提高结构设计安全等级，以减少安全隐患。温室结构在农业发展中起着举足轻重的作用，其所受的活荷载主要为风雪荷载，同时也会受到环境腐蚀作用，因此评估温室结构在这些荷载作用下的安全性至关重要。截至目前依然鲜见关于温室结构在多重灾害耦合作用下的安全性问题研究。以门式钢架结构和拱圆顶型结构为例，通过静力非线性分析，研究温室结构在多重灾害下的极限承载力，为评估温室结构在多荷载作用下的安全性提供指导。

锈蚀对钢材特性的影响

锈蚀会降低钢材的屈服强度、弹性模量、抗拉强度和极限应变。Lee和Cho[14]通过试验研究，总结了钢筋特性随锈蚀程度的变化规律。对于抗蚀情况，屈服强度、抗拉强度、弹性模量、和极限应变分别表达为：

图1 温室大棚结构几何模型/m

温室大棚模型

几何模型

试验的大棚结构为独栋，横向跨度为8 m，总高度为4.2 m。大棚立柱高度2.4 m，截面形式为圆管形，直径0.1 m，厚度4 mm。具体模型图如图1所示，图1a为门式钢架结构，图1b为拱圆顶型结构。

图2 温室大棚有限元模型

有限 元模型

试验温室大棚结构有限元模型采用ABAQUS有限元软件建模，结构立柱采用梁单元模拟，截面形式为管状。对于钢架结构的顶部斜梁和拱圆顶结构的拱顶部分采用梁单元进行模拟。2种温室结构的顶部支撑采用桁架单元，截面形式为圆管形，半径0.03 m，厚度4 mm。对于桁架结构，每根杆件作为一个单元。具体有限元模型图如图2所示。在该研究中，柱底部固结，不考虑土和基础的相互作用。

表1 不同锈蚀率下钢管弹性模量和屈服强度

温室大棚结构在多灾害耦合作用下的响应

锈蚀对温室大棚结构立柱承载力影响

图3 不同锈蚀率立柱的滞回曲线

利用ABAQUS软件建立大棚立柱有限元模型，通过低周推覆分析，提取柱顶位移和柱底反力，得到柱体在不同锈蚀率下的滞回曲线。在推覆分析过程中，没有考虑上部结构传递的竖向荷载。图3是锈蚀率分别为0、5%、10%、15%和20%情况下的曲线。从图3a可知，当结构完好时，最大力为5.41×103N，当锈蚀率达20%时，最大力为3.27×103N，通过比较二者发现最大力降低了39.55%。通过比较各图，可以发现锈蚀对空心钢管柱的承载力有很大影响，随着锈蚀率的增加，柱体承载能力逐渐下降。

图4 考虑雪荷载作用不同锈蚀率下温室大棚水平极限承载力

表2 风荷载基本参数

表3 锈蚀温室结构在多灾害耦合下的响应

锈蚀温室大棚结构在雪荷载下的极限承载力

考虑锈蚀和雪荷载作用下，对温室大棚结构水平方向的极限承载力进行计算。图4a中结构在完好条件下，力的最大值为3.405×104N；当锈蚀率为5%时，水平力最大值为3.061×104N；当锈蚀率为10%时，结构的水平力最大值为2.727×104N；当锈蚀率为20%时，力最大值降到2.054×104N。对比完好结构和锈蚀20%的结构，力的最大值降低了约39.67%。因此锈蚀对温室大棚结构的承载力有很大影响。同时图4可以看出力的最大值和钢管锈蚀程度基本成线性变化关系。从图4可以清晰看出，随着锈蚀程度的增加，结构总体屈服位移减少，承载力逐渐下降。

锈蚀温室大棚结构在风和雪荷载下共同作用下的响应

风荷载是影响温室大棚结构安全性的主要荷载之一，特别是对沿海地区。本文风荷载计算按照《建筑结构荷载规范》[21]进行计算，具体数值如表2所示。其中βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；ω0为基本风压；ωk为风荷载标准值；q1为风荷载设计值。本节以门式钢架为例，计算不同锈蚀程度下，结构在风雪荷载共同作用下的响应。柱顶、棚顶位移、柱底反力数值如表3所示。从表3可以看出，随着锈蚀程度的增加柱顶、棚顶位移逐渐增大，例如与完好结构相比，锈蚀率为20%时，结构在三种荷载耦合作用下的顶部位移增加约30.48%。但是锈蚀对柱底反力影响较小，不同锈蚀程度下，柱底反力基本相同。

温室大棚结构在风荷载或者雪荷载作用下的安全性受到很多学者的关注，一些学者通过风洞试验或者数值模拟研究单一风荷载或者雪荷载作用下的响应，这些研究为大棚结构抵抗风荷载或者雪荷载作用下的安全性设计提供一定指导。然而在很多地区，温室结构可能遭受多重灾害的耦合作用，特别是对于沿海地区，容易发生锈蚀和风载的耦合作用，甚至是风、雪及锈蚀的耦合作用。因此研究单一荷载作用下的结构安全性，会低估结构的风险，对结构在多荷载作用下的承载力分析及安全性评估具有重要意义。试验以2种单栋温室结构为例，对结构进行非线性静力分析，计算结构在不同工况下的承载力及响应。使用锈蚀钢筋的本构模型代替锈蚀钢管的本构模型，在以后的研究中，可对锈蚀钢管进行力学性能研究，将其本构模型代入有限元模型中，以提高计算结构的精确性。同时还针对单栋温室结构进行计算，连栋温室结构在农业工程中也广泛应用，因此评估连栋温室结构在多重灾害作用下的安全性具有一定意义。

结论

试验通过有限元数值模拟，研究分析了温室大棚在多灾害锈蚀和环境荷载作用下的安全性。通过低周推覆计算大棚结构立柱在不同锈蚀率下的滞回性能。同时分析了大棚结构在不同锈蚀率下的承载能力特性，结构计算中考虑了几何大变形。低周推覆结果表明，锈蚀对立柱的承载力有很大影响，随着锈蚀率的增加，立柱承载力逐渐下降。例如，对于完好结构最大力为5.41×103N，当锈蚀率为20%时，力的最大值为3.27×103N，力的最大值下降约40%。考虑雪荷载作用下，锈蚀对温室结构的水平极限承载力影响很大，随着锈蚀率的增加，结构整体水平承载力下降，承载力的下降与结构锈蚀程度成线性变化，结构整体屈服位移减小。大棚结构在三种荷载的耦合作用下，随着锈蚀率的增加，结构位移逐渐增加。与完好结构相比，锈蚀率为20%时，结构在三种荷载耦合作用下的顶部位移增加约30.48%。