[工程][案例][资料] 某农业玻璃温室结构设计 [Structural design of an agricultural glass greenhouse]

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某农业玻璃温室结构设计

作者：李华荣、崔济东

0. 概要

根据建筑平面布置及功能要求，对某农业玻璃温室结构进行横向结构体系、纵向结构体系的方案比选，并对结构的正常使用极限状态，承载力极限状态等方面进行详细计算分析。结果表明，该温室结构具有很好的承载能力和变形性能，可满足相关规范的设计要求，较好的实现了建筑效果及使用功能。

1. 项目概况

本项目位于贵阳市，为玻璃温室结构，建筑平面尺寸为205m×240m（图1），室内分为4个不同的气候区，分别种植不同气候品种的蔬菜，结构整体不设缝，根据建筑要求，柱网距离为12m×5m，单个12m跨单元剖面见图2，温室檐口高度为5.3m，屋面造型为1跨3尖顶形式。

图1 建筑平面示意图

图2 建筑剖面示意图

2. 横向结构体系选用

温室横向240m长度范围，根据建筑对种植区宽度的划分，每间隔12m可设置一根结构柱，但横向平面面内不能设置柱间支撑，以免影响机器及人员通行，所以横向结构体系优先选用具有一定抗侧能力的门式钢架。

从稳定性角度考虑，门式钢架中的钢柱优先选用薄壁钢方通，而门式钢架的横梁选用，则进行了方案对比，在满足强度及挠度计算的前提下，整体模型实腹钢梁用钢量为206吨，桁架用钢量为66吨，实腹梁用钢量为桁架用钢量的3倍，所以，在同样满足结构安全的前提下，从经济性角度考虑，优先选择格构桁架方案（图3 ），即《农业温室结构荷载规范》规范中提到的文洛型屋架。

图3 横向结构体系方案对比图（文洛型屋架）

3. 纵向结构体系选用

温室纵向205m长度范围，建筑对柱间距密度无特殊要求，在205m中间位置留出通行走道即可，所以纵向柱位最后确定为跨度适中且和能被总长整除的5m作为模数。

纵向结构体系，也需要保证足够的抗侧能力，以满足整体结构在水平荷载下的变形要求，根据常规设计思路，主要有两种形式可选用，一种是刚接柱脚排架，另一种则是铰接柱脚+柱间支撑，两种结构形式各有利弊。

刚接柱脚排架方案的优缺点：刚接柱脚排架优点是对温度荷载作用下的结构变形约束相对较弱，两端的钢柱不会累积过多的温度应力，钢柱截面可控制在较小截面B110×3；缺点则是由于支撑数量少，整体纵向刚度会相对较弱，纵向钢架在风荷载下的位移角为1/530，但也可以满足《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022的1/100限值要求，同时为了达到刚接效果，柱脚节点制作及安装也相比铰接柱脚麻烦。

铰接柱脚+5道柱间支撑方案的优缺点：优点是支撑数量较多，结构纵向刚度大，风荷载下位移角为1/2650，同时铰接柱脚节点构造简单，制作和安装更方便；缺点则是越靠近两侧柱间支撑处钢柱的温度应力越大，钢柱截面越大，两侧第一道柱间支撑处钢柱截面需要做到B140×3。

综合考虑对比后，虽然铰接柱脚+5道柱撑方案用钢量会略大，但结构的纵向抗侧刚度更好，且柱脚制作安装方便，故最终选用了铰接柱脚+5道逐间支撑的方案（图4）。

图4 纵向结构体系方案对比图

4. 水平支撑的设置

在平面周圈及中间设置水平支撑（图5），能很好的控制桁架因风荷载作用下的平面外变形，避免桁架弦杆产生面外偏心受力，设置水平支撑后，桁架平面外变形只有2mm，几乎可忽略不计。

图5 水平支撑的布置形式

5. 整体结构构成

根据前述方案对比选型后，温室整体结构采用了由40榀横向门式主钢架、49纵向支撑钢架、桁架上弦平面周边水平支撑+中间一道水平支撑共同构成的结构形式（图6）。

图6 整体结构布置形式

横向主钢架、纵向支撑钢架布置见图7，图8，水平支撑布置见图5，桁架与立柱、柱间支撑与立柱、水平支撑与桁架的连接均为铰接，桁架腹杆与桁架弦杆则采用焊接连接。

图7 横向主钢架剖面图

图8 纵向支撑钢架剖面图

6. 杆件截面

构件截面均参考《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022附录A中的截面选用，立柱截面根据柱间支撑的分布分成了3种类型，最外侧柱间支撑处立柱截面最大，为B140×3，第二道柱撑处截面次之，为B120×3，其余柱截面为B110×3；柱钢架桁架弦杆的截面为B40×60×3，腹杆为B20×1.5及B30×1.5，跨中腹杆较小（图9），5道柱间支撑均采用Ф20张紧圆钢，水平支撑则采用Ф12张紧圆钢，构件材质均为Q235B（表1）。

图9 构件布置剖面

表1 构件截面表

编号	类型	规格(mm)	材质
LZ1	第一道柱撑处立柱	B140×3	Q235
LZ2	第二道柱撑处立柱	B120×3
LZ3	其余立柱	B110×3
XG	上、下弦杆	B40×60×3
FG1	中跨腹杆	B20×1.5
FG2	边跨腹杆	B30×1.5
ZC	柱间支撑	Ф20张紧圆钢
SC	水平支撑	Ф12张紧圆钢

7. 荷载条件

（1）恒载

幕墙均布附加恒载：0.26kN/m²（作用在上弦）

设备均布附加恒载：0.07kN/m²（作用在下弦）

钢结构自重通过软件自动计算。

（2）活载

根据《农业温室结构荷载规范》GBT51183-2016第8.1.1条取0.15kN/m²。

（3）雪荷载

根据《农业温室结构荷载规范》GBT51183-2016附录C表中，贵阳20年基本雪压为0.12kpa，雪荷载标准值则根据第6.1.1条计算取值为0.15kN/m²。

（4）风荷载

根据《农业温室结构荷载规范》GBT51183-2016附录D表中，贵阳20年基本风压为0.55kpa，风荷载标准值则根据第7.1.1条根据建筑不同位置的体型系数计算得出。

（5）温度荷载

最低温度取贵阳当地年平均最低气温0℃，由于温室内部温度较高，最高气温考虑在贵阳年平均最高温度32℃基础上再加10℃，即最高温度按42℃，控制合拢温度16℃，即升温+2℃，降温-16℃。

（6）地震作用

抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

8. 正常使用极限状态验算

据《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022第 4.4.1条的规定，玻璃温室柱顶位移限值为1/100。对各主要工况下的柱顶位移值进行验算，其中，风荷载工况下横向柱顶变形值为52mm（位移角1/102），纵向柱顶变形值为1mm（位移角1/5300），温度工况下横向柱顶变形值为36mm（位移角1/147），纵向柱顶变形值为2mm（位移角1/2650）。各工况下的柱顶位移角均小于1/100，满足规范要求。

据《农业温室结构设计标准》GB/T51424-2022第 4.4.2条的规定，桁架竖向挠度限值为1/250与30mm较小值，桁架平面外水平挠度限值为1/300与12mm较小值。对各工况组合下的桁架挠度值进行验算，其中，恒+活作用下桁架的竖向变形值为19mm（挠度值1/631），恒+下压风荷载作用下的桁架竖向变形值为纵向柱顶变形值为10mm（挠度值1/1200），水平风荷载作用下的桁架平面外水平变形值为2mm（挠度值1/6000）。各工况下的挠度满足规范要求。

9. 承载力极限状态验算结果

计算结果显示，在风、地震、温度、雪等工况的包络组合下，所有构件验算的应力比均能满足规范要求（表2）。

表2 各类构件应力比汇总表