1、日光温室结构性能的计算机辅助分析侯丽薇 吴 巍 卢 锷摘 要 借助于计算机辅助工程分析手段,对不同几何形状的日光温室进行受力分析,初步揭示了高度、跨度、间距等几何尺寸对温室结构性能的影响,为日光温室的优化设计提供理论根据,为实际设计与应用提供科学依据。关键词 日光温室 结构性能 有限元中图分类号 TP391.72,S123 文献标识码 A文章编号 1004-924X(1999)06-0081-04Computer Aided Analysis on Structural Performance of GreenhouseHOU Li-Wei, WU Wei(College of Enginee
2、ring and Technology, Jilin Agricultural University, Changchun 130118)LU E（Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022 ）Abstract By means of computer aided engineering analysis, the mechanical analysis of geenhouse of different shapes were performed.
3、 The influences of height, span and space on structural performance of greenhouse were presented tentatively so as to provide the theoretical foundation for optimization design of greenhouse.Key Words：Greenhouse, Structural performance, FEM1 有限单元模型选用长30m,L a=5m,Lb=3m,间距为1m,Dia221.2有立柱形日光温室作为研究对象。其后墙
4、为砖墙,后坡为钢筋混凝土板,而前屋面骨架刚度比其他部分小得多,所以日光温室的技术参数见表1。骨架有限元模型如图1所示。其中,骨架选用梁单元,每个骨架由10个梁单元组成,塑料选用壳单元,每两个骨架之间共有32个壳单元,总共650个壳单元。Fig.1 FEA model of greenhouseTable 1 Parameters of frameMaterial dia221.2 steelYangs module 200GPa2Poisson ratio 027Criterion of stress 0.16GPaDensity 7.85103kg/m32 不同几何参数对结构性能影响对日光温
5、室进行结构性能分析的目的是探求在不同载荷的作用下,应力变化情况,找出薄弱环节,为下一步的优化设计提供理论依据。21 不同前屋面形状对结构性能影响对以下七种前屋面形状列出曲线方程对几种日光温室进行有限元分析,所受荷载为恒载+雪载+保温草毡重(湿草毡卷在屋脊),分析结果见图表2。Fig.2 Greenhouse of different heightTable 2 Stress of front frame of different shapes107Pa NodeShape 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Ellipse22347.0 196 110349384305 45287 788
6、Parabola103228 455 259215164416399021 626One slo151104 901 15017115159021031516 156peTwo slope2876171593 2487925212100714571562 132Hyperbola100 29 713 1096 117 941 461 464 102 653Powerfunction4411546 409 41593611561074691018 963Circle64731 217 443640570143271155 97对于抛物线形状,骨架的应力值于节点3处最大;椭圆形在节点2和节点6处应
7、力值较大;一面坡形在节点6和节点9处应力值较大;双曲线形在节点5处应力值最大;幂函数在节点2处应力值较大;对于圆形在节点5处应力值较大。比较上述各曲线的最大应力值,抛物线形的最大应力值最小,(0.454GPa),说明其结构性能最好;一坡一立形的最大应力值最大,为2.486GPa,超出了材料的许用应力。在相同载荷作用下,可见骨架的形状对日光温室的结构性能相差特别大,存在优化形状的问题。22 不同拱间距离对结构性能的影响拱间距离是指相邻两骨架距离,对抛物线的日光温室进行有限元分析,其他参数同2.1,得出分析结果如表3。Table 3 Frame stress of different distan
8、ce107Pa Noded(mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10600 52 127 249 156 97 92 234 208 02 38800 118 397 578 33 184 166 268 325 08 4751000 103 238 454 259 211 16 416 399 02 6251200 438 516 466 409 239 32 678 663 01 8531400 581 903 943 689 261 502 1006 996 33 9141600 261 505 899 57 506 402 781 801 21 107骨架的应力值,随着拱间距的
9、变化而不同,当 d=600mm 时,骨架的应力值最小,应为0.249GPa,当 d=1400mm 时,骨架的应力值最大,为1.006GPa;从结构性能来说,选用拱间距离小些为好,但拱间距离过小,与同长度的日光温室相比增加骨架杆数,提高成本,不经济;同时,拱间距离过小,增加骨架阴影面积,降低日光温室的采光性能。因此,选择较优的拱间距是下一步的任务之一。23 不同高度对结构性能的影响在等跨度的情况下,分别对 h=2600mm,2800mm , 3000mm,3200mm,3400mm 的一面坡形状的日光温室进行分析,材料为 Dia221.2钢管,所受荷载为恒载+雪载+保温草毡重+屋脊集中荷载(湿草
10、毡卷在屋脊)。有限元分析结果见表4。Talbe 4 Frame stress of different height107Pa nodeh(mm) 2 3 4 5 6 7 8 9 102600 1419 97 845 1411 160 1411 846 96 14222800 1465 10 872 1456 1651 1456 873 99 14673000 1513 104 901 1504 1706 1505 902 103 15163200 1565 107 931 1556 1764 1556 933 106 15673400 162 111 964 1611 1826 1611 9
11、66 11 1622Fig.3 Greenhouse of different span从中可见,随高度的不断提高,日光温室骨架的应力值变大,结构性能变差,若高度增大率在5以下,应力值变化不显著。24 不同跨度对日光温室结构性能的影响在等高度情况下分别对跨度为4000mm,5000mm,5200mm,5400mm,5600mm,5800mm,6000mm 的一面坡形状日光温室进行有限元分析,材料为钢管,所受荷载为恒载+雪载+保温草毡重+屋脊集中荷载(湿草毡卷在屋脊)。有限元分析结果见表5。Table 5 Frame stress of different span107PanodeK(mm)
12、2 3 4 5 6 7 8 9 104800 1325 96 787 132 1499 1321 78.9 95 13245000 1513 104 901 1504 1704 1505 902 103 15165200 1502 11 891 1496 1699 1497 894 109 15015400 1597 117 947 159 1806 1592 95 116 15965600 1695 125 1005 1688 1917 169 1008 124 16945800 1798 133 1066 179 2033 1792 1068 132 17966000 1905 142 1
13、128 1896 2153 1898 1131 14 1903对数据分析可知,随跨度变大,日光温室骨架的应力变大,说明其结构性能变差,但应力增加幅度不大。3 结 论利用有限元法分析日光温室三种载荷对它的影响,初步揭示了高度、跨度、拱间距,前屋面骨架形状等几何尺寸对日光温室结构性能的影响变化规律,为下一步的优化设计提供了理论依据。GB/T 19165-2003 日光温室和塑料大棚结构与性能要求日光节能温室结构设计及建设技术规范发布时间：2006年12月12日 作者：zj 来源：新疆维吾尔自治区农业技术推广总站1日光节能温室适用范围及主要特点1.1适用范围日光节能温室适用于我区北疆逆温带、南疆、东
14、疆等地区进行保护地生产。结构性能良好的日光节能温室可以充分利用优良的采光及保温性能，保证在不需要加温的情况下，一般最冷月棚内中午最高温度可达20左右，夜间最低温度不低于8，可进行深冬蔬菜、西甜瓜、水果等反季节生产。10月 12月和2月 4月可满足果菜良好生长发育。1.2日光节能温室的设计原理日光节能温室的结构要求一是要最大限度地提高采光性能，增加棚内的光照面积和延长光照时间，充分利用太阳能，增强增温效能；二是要最大限度地增强保温性能，减少热量损失，提高棚内温度。达到这两点基本要求再配合其他综合措施，在北疆严寒的冬季，实现不需加火可以进行蔬菜生产。高效日光温室的设计原理及建造有以下要求： 1.2
15、.1保证墙体厚度，避免墙体散热。温室后墙（含两侧墙）厚度应达到当地80保证率冻土层厚度的1.2倍，保证 80以上年份温室墙体不被冻透，避免通过墙体散失热量。 1.2.2降低后墙高度，延长后屋面，减少散热面积。一般后屋面长度,由普通的1.5米左右延长至2.4米，可减少散热面积10左右。 1.2.3加厚后屋面，增强后屋面保温效果。 温室后屋面的建造：先铺木板，上面铺玉米秆捆或苇把子，再上覆麦草，最上面覆草泥，总厚度70cm，这种后坡兼有后墙与屋面之功能。在冬春季由秸秆积蓄大量太阳辐射热，夜间缓缓释放。 1.2.4科学确定后棚仰角，增加光照面积，提高增温效果。温室建造要求后屋面仰角要保证冬季太阳能够
16、照射在后屋面内面上，这样的结构，虽然膜面减少，但采光面增加，可大大增加有效采光面积，提高增温效果。后屋面的仰角根据太阳高度角确定，仰角高度应达到冬至前后白昼最短三个月的正午，太阳光线能直接照射到温室后墙及后棚内屋面。 1.2.5科学确定前棚面弧度，保证太阳入射角，增加阳光透射率 。前屋面弧度：温室最前沿棚面弧度为60度，距离前沿1米处棚面弧度为 40度， 2米处30度， 3米处25度， 4米处20度，最上部18度。大部分前屋面太阳入射角控制在45度以内，保证太阳光反射率不大于10。 1.2.6多层覆盖，减少散热 。温室的薄膜覆盖面占表面积一半左右，此处加强防寒保温极为重要。覆盖材料最好采用棉被
17、；选用草帘覆盖规格为1.27.5m，重量必须大于20kg 。最好采用双层覆盖，棉被或草帘上再覆盖一层旧棚膜，不仅可增强保温性能，而且可避免雨雪打湿棉被或草帘而降低保温性能。 1.2.7降低栽培床提高地温，后墙和侧墙堆土防寒 。采取栽培床下降30 50cm，温室前沿挖宽40厘米、深50厘米的防寒沟，可以有效的防止热导效应，避免冬季地温下降。后墙和侧墙外堆底宽1.5米左右、高1 米以上的土堆，既可提高地温，又可提高墙体的保温性能。 1.2.8增设室内蓄水池，提高水温 。在温室内建一个长3米、宽2 米、深2 米（体积12m3）的水池，平时把水放满，盖上棚膜，在棚内预热，用经过预热的水进行灌溉。 2日
18、光节能温室建筑结构2.1场地的选择温室建造应选择土层深厚、肥沃、地下水位低、无盐碱，靠近水源、平坦开阔，大风灾害性天气少，冬季多晴少雾，阳光充足的地区，地下水位高、冬季多雾的地区不适合发展日光温室。2.2结构2.2.1温室方位：温室方位必须采取东西延长，座北向南并偏西5 8度。适当向南偏西倾斜可延长下午的光照时间，有利于提高夜间的室内温度。 2.2.2温室面积：温室宽8 9米，长60 100米，栽培床宽度6 7米。每栋温室面积一般为1 亩左右，地块大可放大至1.2 1.5亩。 2.2.3温室间距：日光温室间距的确定应以前栋温室不影响后栋温室的采光为原则，保证冬至日早晚每栋温室都能正常采光，温室
19、间隔距离计算公式为：2n 1米（n 代表温室的脊高，一般为3.5 米，加卷帘为4米） ；一般间距为7米。2.2.4防寒沟：在温室前沿挖防寒沟，沟宽40 厘米，深度50厘米，沟内填草粪，减少地温传导。2.2.5温室南北跨度 ：南疆温室内南北总跨度8.5 9米，棚内跨度一般为 7.5米，栽培床宽度为7米，走道为0.5米。北疆温室内南北总跨度7.5 8米，棚内跨度一般为6.5米，栽培床宽度为6 米，走道为0.5米。 2.2.6温室后墙建造 2.2.6.1土墙墙体(含后墙及侧墙)厚度以当地80保证率冻土层厚度乘120 作为当地温室墙体厚度的低限，以保证墙体保温，杜绝通过墙体向外散热。如：乌鲁木齐市80
20、保证率冻土层为100cm 左右，土墙温室墙厚度应大于120cm 为宜（基部150cm，顶部120cm） 。墙体顶部应垒3 层砖，增强抗压性能。根据以上原则，北疆温室墙体厚度应达到150cm，南疆东疆应达到120cm。墙体以草泥垛墙最好，干打垒墙后墙应垒土加固。 2.2.6.2砖混结构。主体为中空墙夹 10cm 苯板保温，或填充20 40cm 干草保温。外墙采用37墙或用空心砖，内墙采用24墙。 2.2.6.3后墙高度：长后坡温室后墙内侧高 190cm，外墙高度 230250cm。 2.2.6.4下好地基：不管是土墙体或砖混结构都应采用石块或砖下好地基，防止水淹和下陷跨塌及双层保温墙墙体分离。地
21、基深度应大于50cm。 2.7温室后屋面的构造 2.7.1温室后棚仰角的确定：温室后棚仰角主要应根据太阳高度角而定。后棚仰角高度，应达到冬至前后白昼最短的三个月的正午，使太阳光线能直接照射到温室的后墙及后棚的内屋面。根据这一要求，采用公式为：温室后棚仰角当地冬至太阳高度角十1/2( 春分太阳高度角一冬至太阳高度角 )115。如乌鲁木齐：春、秋分太阳高度角4509?，冬至22 43?，即温室后棚仰角22 56?+1/2(4509?2256?)11539 13?。根据这一要求，温室后棚仰角：北疆为40 左右，塔里木盆地北缘不低于42 ，塔里木盆地南缘43 45。 2.7.2温室后棚长度确定：后棚越长，保温性能越好。后棚仰角加大后，根据采光性能计算，后棚内棚面最长可达到3米左右，但后棚过长建设难度加大。为了兼顾实用及建设难度，以温室脊高3.5米，后墙(椽子以下 )高 1.9米为例，则后棚内面长应达到 2.4米。 2.7.3土后墙温室：温室后屋面保温层处理：紧靠后梁依次铺设：木椽子、3m 宽棚膜、30 cm厚干草捆、30 40cm 厚散草、 10cm 厚干土或炉渣、5 10cm 草泥，后坡屋面中段厚度达到70cm 以上。砖混结构：依次铺设钢架、木板、10cm 苯板、10 30cm 炉渣、草泥、油毡。
