薄壁方钢管混凝土日光温室结构力学性能研究

作     者：王建宝 

作者单位：河北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐晓;郝文秀;赵士永

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：日光温室 薄壁方钢管混凝土 罕遇荷载 有限元 抗震分析 

摘      要：近年来,随着国家对农业产业特别是现代农业产业的重视,越来越多的改良型和新型日光温室得到了使用和推广。本文针对传统日光温室墙体厚、结构抗灾性能差和蓄热能力不足等缺点,参考国内外日光温室设计标准,设计了一种新型日光温室—薄壁方钢管混凝土日光温室,进行日光温室荷载统计后通过ABAQUS有限元软件进行静力分析和动力分析,验证其安全性。本文主要研究内容包括:对新型薄壁方钢管混凝土日光温室整体设计,从总体布局、构件选材和几何尺寸进行设计,确定初步设计温室模型柱间距2200mm,柱边长150mm,薄壁方钢管壁厚2mm,温室主体为框架结构,后墙采用承载能力强的薄壁方钢管混凝土立柱。参考我国最新的温室结构荷载规范和建筑结构荷载规范,对该薄壁方钢管混凝土日光温室进行永久荷载和可变荷载统计,分别按10年一遇普通荷载和50年一遇罕遇荷载进行荷载统计,同时按两种荷载模式分别确定不利荷载组合。通过ABAQUS有限元软件建立薄壁方钢管混凝土日光温室三维有限元模型,并按《农业温室结构荷载规范》(GB/T51183-2016)将普通荷载和罕遇荷载最不利荷载组合分别施加到温室相应部位,对比结构应力值和X、Z-向位移最大值,确定最不利荷载组合工况为罕遇荷载组合一,当风向为-X向时(南风),保温被铺放在前屋面上。日光温室最大主应力分布在后屋面冷弯型钢骨架上,最大值为99.64MPa,结构的位移最大部位出现在中跨距地约3.5m的前屋面拱形冷弯型钢骨架,最大值为21.48mm,均未超过《钢结构设计标准》(GB50017-2017)容许值,故结构抗弯强度和位移值都符合标准。后优化调整模型尺寸,加大了柱距和减小柱边长,分别对三种不同柱尺寸的新模型施加罕遇最不利荷载组合工况,发现三种优化模型强度和位移均满足规范容许值,确定优化模型为柱间距3300mm,柱边长130mm,薄壁方钢管壁厚2mm模型。通过ABAQUS软件对优化后的日光温室模型进行动力分析,首先对温室结构基本单元进行模态分析,得知前屋面拱形冷弯型钢骨架为结构最薄弱部件。之后选取Elcentro波、Taft波和天津波三条天然地震波,对该温室结构进行了多遇地震和罕遇地震作用下动力时程分析,得到结构最大应力值为63.76MPa,提取位移时程曲线,发现结构最大位移发生在中跨屋脊处,大小为19.23mm,最大应力和最大位移均小于规范容许值。之后按《农业温室结构荷载规范》(GB/T51183-2016)的规定将地震荷载与罕遇可变荷载组合,确定温室最大应力值为105.30MPa,最大挠度位置发生在中跨拱形冷弯钢骨架上,距地约3m左右,最大挠度值为21.65mm,其最大应力与最大挠度也均符合《钢结构设计标准》(GB50017-2017)容许值。通过对温室结构静力分析和动力分析发现本文设计的薄壁方钢管混凝土日光温室都满足相关规范容许值,新型日光温室墙体厚度薄、强度高、质量轻以及抗震性能优越,能够抵抗罕遇风雪自然灾害,有效改善传统日光温室诸多缺点。