玻璃温室经典案例分享解析

2020-09-18 15:38:54 635202410

摘要:温室在施工与使用过程中会受到各种荷载作用,温室结构是用以承受各种荷载作用的受力体系。温室结构设计是在经济性和可靠性之间选择合理的平衡,使建造的温室结构满足各种预期的功能。文章由广源温室张经理整理发布,专注温室工程技术,服务现代农业。通过汇丰景园现代农业产业园生态展示温室这个项目探索国内建筑设计规范在温室行业的实际应用,以及荷兰温室的设计规范在满足我国国情条件下的适用情况。

中国是温室栽培起源最早的,利用保护设施栽培蔬菜有着悠久的历史。但由于历史原因,我国的现代温室尤其是玻璃温室之类的中温室的发展起步较晚。随着近年国内温室的广泛应用,大大推动了温室行业的发展,并已达到荷兰等国际上先进温室行业水平,汇丰景园现代农业产业园玻璃温室项目即是温室应用的一个实用案例。

设计理念汇丰景园位于青海省大通县景阳镇大寨村,占地总面积2100亩(140hm2),是一个集休闲养生、餐饮娱乐、农业科普及民间艺术欣赏等于一体的近城休闲旅游度假中心,其中现代农业产业园生态展示温室三叶草玻璃温室(图1)

是景区的核心板块,这里不仅集景区接待、餐饮、娱乐等生活服务为一体,同时更是农业科技文化、温室公园的观光展示区,故称之为“农业梦工厂”。

温室采用荷兰智能温室主体结构,结构设计中充分利用其温室钢架玻璃结构、良好的光线通透性等特点,通过立柱柱网布置、玻璃墙面等手法分隔出各种使用空间。

温室结构的功能要求现代农业产业园生态展示温室的整体框架采用钢结构形式,其结构设计的目的是要保证所设计的温室结构安全、适用、经济合理,并具有足够的可靠性,即在设计基准期内,在规定的条件下(正常设计、正常施工、正常使用和正常维护)

结构能完成预定的各项功能。温室结构的基本功能包括:

安全性温室结构能够承受正常施工、正常使用时可能出现的各种荷载,不发生在荷载作用下超过材料强度极限或结构丧失稳定性的情况。

适用性温室结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能,比如不发生影响正常使用的过大变形。如玻璃温室构件产生过大变形造成玻璃开裂或密封性能变差,温室结构产生过大变形引起使用者不安,桁架挠度过大影响帘幕系统的展开和收拢,进而影响遮荫保温的效果。

耐久性温室结构在正常使用和正常维护条件下,在规定的使用期限内具有足够的耐久性,不发生因腐蚀等因素而影响结构使用寿命。温室所有立柱、桁架等构件和连接件均先加工、焊接,后热浸镀锌防腐;工地现场组装,无焊接。其他钢材部件和紧固件经热镀锌处理,工厂化生产,现场组装。

满足以上3个要求即认为温室结构具有可靠性。很显然,在设计中采用提高安全余量的办法总是能够满足结构可靠性的要求,但是这必然会降低结构设计的经济性。结构的可靠性和经济性往往是相互矛盾的。因此科学的设计要求在保证结构可靠性的基础上力求结构的经济合理。

温室结构设计期限应根据温室类型与用途确定,一般为15年、10年或5年,玻璃温室的最低设计使用年限应不小于15年,现代农业产业园生态展示温室的使用年限为20年,结构计算的荷载按20年的使用年限取值。温室结构的计算计算模型的确定温室平面为中间不规则六边形,三个方向等面积长方形组成,犹如三片叶子,因此得名三叶草温室。每个长方形跨度方向总长为56m,连栋Venlo型结构,跨度分别为8、12m。开间方向总长为40m,每开间为4m。展示温室对于内部分区种植植物品种及环境布置各有要求,温室檐口高度分别为7.1、10.8m。图2所示现代农业产业园生态展示温室平面图。

温室跨度方向钢柱用平行弦桁架连接,南北向由APD型天沟连接,四周用墙梁贯通,结构对称。因温室不缺梁缺柱,结构规整,所以将该空间框架结构简化为按跨度方向平面框架进行验算。平行弦桁架先按单榀计算。计算框架时,先计算桁架组合截面刚度,并将桁架组合截面面积和惯性矩代换,桁架自重按均布线荷载计算。铝合金屋面梁用薄壁矩形钢管代换。天沟按连续梁计算,墙梁按双向受弯构件计算。

设计分析计算软件采用中国建筑科学院PKPM系列钢结构CAD软件STS计算机辅助设计程序。通过以往温室结构设计实际情况验证,建立以上这些计算模型,将温室空间框架结构简化为平面框架进行验算完全能满足工程计算的实际需要。

温室结构荷载的设计取值温室结构属于农业设施,从广义上讲它是建筑的一部分,但有别于一般工业建筑和民用建筑。用建筑结构设计的方法去分析温室结构是合理的,但部分设计荷载取值和强度及变形的设计指标难以按现行建筑规范搬用。温室结构荷载设计标准是规范温室结构安全设计的基础,包括各种作用荷载的类型、大小、作用方式及各类荷载的组合方法,同时也会借鉴欧洲及荷兰的温室设计标准。

恒荷载GB50009-2012《建筑结构荷载规范》虽然列出了常用材料和构件的自重,但GB/ T51183-2016《农业温室结构荷载规范》根据温室的特别性在GB50009-2012《建筑结构荷载规范》的基础上作了简化。在温室设计时按温室实际采用的钢材规格、铝合金件和玻璃等取值,温室自重有较大的准确性。但结构设计计算有个优化的过程,各种构件在最初的假定往往与最终的计算结果不一致,加上连接板等各种辅材,所以用STS结构分析时,钢构件自重计算放大系数FA取1.1,有别于系统默认的1.2FA取1.1,已真实反映了温室的实际重量。

风荷载按GB/T51183-2016《农业温室结构荷载规范》荷载指标取值,但需按照温室20年的使用年限进行重现期的修正,荷载指标相对于建筑的荷载指标更小一些,基本风压取值0.31kN/m2雪荷载按GB/T51183-2016《农业温室结构荷载规范》荷载指标取值,与风荷载一样,需要按照温室20年的使用年限进行重现期的修正,基本雪压取值0.18kN/m2.另外,温室加温与否对雪荷载的取值有重要影响。欧洲标BS EN 13031-1:2001( Greenhouse-Design and construction-PartI:Commercial production greenhouse》中规定,需要进行加热的温室,当覆盖材料为玻璃时,折减系数为0.6,覆盖材料为PC板时,折减系数为0.87一般北方温室,如果有作物荷载,必定会有加热系统,考虑到温室整体结构的经济性,结构计算时雪荷载进行折减;如果没有作物荷载,考虑国内的具体情况,温室使用方可能会在冬天下雪天使用温室,也可能不使用温室,结构计算时需要考虑到最不利的情况,即雪荷载不折减的受力情况。现代农业产业园生态展示温室一年四季使用,室内温度需要调节到种植植物和室内活动的人的适宜温度,雪荷载考虑折减系数0.6,基本雪压取值0.18kN/m2×0.6=0.108kN/m2作物荷载按实际荷载取值。温室作物,一方面产生竖向荷载另一方面产生水平荷载,竖向荷载对桁架和立柱影响较大,水平荷载对山墙立柱影响较大。荷兰温室设计规范中,超过30天的作物荷载作为恒荷载,因此没有荷载最不利组合。

而国内温室不像国外温室那样大面积固定种植,国内种植条件不一,种植品种不定,尤其是现代农业产业园生态展示温室,作物吊挂由室内布置而定,因此作物荷载作为活荷载,按常规温室给定最大荷载取值15kg/m2。

设备荷载按实际荷载取值。现代农业产业园生态展示温室的空中加热系统采用圆翼散热管,安装在桁架弦杆上,根据暖通工程师计算得出荷载取值10kg/m2结构杆件及温室整体强度计算◆桁架温室采用平行弦桁架,属于平面一般力系,结构受力分析时按柱杆件分析。桁架上弦支承自天沟传下的上部荷载,因为只有节点荷载,杆件只产生轴力,桁架与梁相比,任意截面上的应力均匀分布并能同时达到极限应力,因此桁架选用的构件材料规格比梁小的多,也因为桁架自重轻,相比梁能跨越更大的跨度,给温室内部种植提供更灵活的布置空间。虽然整榀桁架挠度较小,但是对屋面的玻璃覆盖和铝合金天窗会有影响,因此预先给桁架设计个起拱量。起拱量参照桁架结构计算的挠度值,荷载取值是恒荷载的全部和活荷载的一半。图34为8、12m桁架的结构形式。

为了保证帘幕的密封性和保温性,不同跨度的桁架高度和弦杆规格必须保持一致,8、12m的桁架弦杆计算得出B口100mm×50mm×2.5mm,腹杆计算得出B□40mm×2mm。

◆框架框架是由梁和柱单元构成的组合体,通过框架结构计算得出立柱的规格。现代农业产业园生态展示温室的立柱间距不规则、肩高不一致,在进行框架结构计算时,选取有代表性的框架,如图5所示。北方温室因为气候寒冷,四周圈梁的基础高度设计为±0.00地面以上500mm,温室内部独立柱的基础高度为300mm,在建模时要考虑到,侧墙或内侧墙立柱比独立柱矮200mm生态展示温室采用轻型钢结构,温室钢结构的基本规定主要参照《轻型钢结构设计手册》。由于温室结构多数属于农业设施,在结构计算时一般不考虑地震,目前温室行业只有多地震的日本在温室规范中规定考虑地震因素。

温室框架在计算时,不仅要考虑立柱材料的采购与加工,还要考虑立柱规格对其他横梁、固定件与立柱连接的影响,因此在结构计算时做到减少材料规格的种类,尽量归并。根据肩高、跨距的不同,计算结果如下:

独立柱为B口200mm×5mm;侧墙立柱为B200mm×100mm×4mm山墙立柱在PKPM工具箱中抗风柱计算,山墙立柱主要承受风荷载、作物荷载及遮阳保温系统产生的水平荷载,根据实际的荷载取值,结构计算出规格为B口200mm×5mm

◆支撑支撑是联系温室屋架、天沟、立柱等主要构件,保证温室整体刚度的重要组成部分。温室结构支撑体系按照分布位置分为柱间支撑、墙体支撑、天沟高度水平支撑、屋面支撑等四种类型(图6)。

柱间支撑和立柱组成纵向框架,保证温室的纵向刚度。立柱在平面外的刚度要远小于平面内的刚度,因此在安装或使用过程中容易产生侧移。而采用柱间支撑后减小了立柱平面外的计算长度,有柱间支撑的几何不变体系抗侧移刚度较单柱平面外的刚度大。天沟不仅是受弯构件,还作为风压的纵向受力构件。荷兰温室种植功能明确,面积大,支撑一般布置在温室中间,山墙立柱承受的风荷载通过较长的天沟传递到支撑所在立柱,并传向基础。传递路线越长,对天沟强度要求越高;考虑到天沟材料的强度,以及国内的温室面积,支撑布置在温室两端,风荷载传向第二、三间时就由支撑传向基础,减少对天沟的受力。温室规范要求每60m布置1道,风压平均分摊到支撑所在的基础,支撑规格常规温室采用16的圆钢墙体支撑包括温室侧墙平面内支撑和山墙平面内支撑。侧墙平面内的支撑的作用是保证侧墙平面内的稳定性,减少立柱平面外的计算长度。

其布置位置与柱间支撑相对应。山墙平面内的支撑作用是保证山墙平面内的稳定性。布置位置一般为山墙两端温室拐角处。为保证其可靠性,每组支撑采用两根拉杆交叉安装,支撑规格常规温室采用中16的圆钢。

天沟高度水平支撑保证温室在跨度方向的稳定性,与柱间支撑一起在温室中部形成空间的几何不变体系,从而保证温室结构的整体稳定性。

该支撑安装在天沟下紧邻天沟,一般布置在温室的两端,支撑规格常规温室采用10的圆钢。

屋面支撑保证温室钢结构在安装和使用过程中的整体稳定性。屋架在纵向均属于几何可变,在安装过程中可能发生侧倾。采用屋面支撑,将天沟、所有铝合金椽子条和屋脊固定在一起,使得支撑所在的屋盖体系称为空间几何不变体系,其他屋架再通过椽子条、系杆与之相连,就可保证所有屋盖体系在安装和使用过程中始终不偏离设计位置,不产生水平位移,支撑规格常规温室采用10的圆钢。

总结与展望生态展示温室的结构设计与温室结构的使用年限要求是密切相关的。不同使用年限的温室结构,其基本风压和基本雪压的取值都依据现行GB/T51183-2016《农业温室结构荷载规范》并进行重现期的修正。这样,温室的设计结果才经济合理。随着温室使用功能的发展,温室类型也越来越个性化,在追求温室内部空间更高更宽时,结构的重要性与结构的安全性和结构造价变得更密切相关。合理的取值,才能使温室得到最大的性价比。

生态展示温室中有许多设备在使用时有控制要求,与此相应,结构的适用性问题特别是结构的挠度和柱顶位移量应有一个严格的容许值规定。通常温室的结构较能满足强度要求,但随着温室结构越来越高、空间跨度越来越宽,杆件的长细比往往较大,增大了结构的挠度和柱顶位移量,不仅影响到许多设备的正常使用,而且增加使用者的不安。在这种情况下,结构构件的设计应以结构变形量来控制,而不以结构强度来控制。这样即能满足强度要求,又能满足刚度要求。

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