張力索桁溫室設計與施工_吳清明.pdf

四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 張力索桁溫室設計與施工 吳 清明 1 丁 明剛 1 杜 娟 2 1 中交通力股份有限公司 四 川成都 610000 2 拉薩市設計院 西藏拉薩 850000 摘 要 張力索形桁架是一種新型建筑結構形式 采用輕型鋼管平面框架與張力索形桁架相組合 可 作 成空間張力索桁溫室 采用有限元法作實用工程數值模擬建模 可在 PC 微機上計算 拱棚適合作塑膜張 拉使用 三角形桁架適合作玻璃安裝 便于作單元預制和安裝 索單元計算有彈性延伸變形 采用名義彈性 模量作索單元應力剛化 使模擬簡化建模計算簡便 張力索桁溫室技術先進和簡單 形成現代農業(yè)生產發(fā)展 大車間 關鍵詞 張力索桁溫室 索應力剛化 名義彈性模量 中圖分類號 TU375 5 文獻標志碼 B 定 稿日期 2020 09 02 作者簡介 吳清明 1940 男 本 科 正高級工程師 享受 國務院政府特殊津貼 已退休 杜娟 1976 女 碩 士 高 級工程師 一級注冊建筑師 從事規(guī)劃與城市設計 建 筑設計 景觀園林設計工作 1 張力索形桁架結構 1 1 張 力索形桁架 張力索形桁架是一種新型建筑結構形式 采用輕型鋼管 平面框架與張力索形桁架相組合 可作成空間張力索形桁 架 結構整體剛度大 穩(wěn)定性好 重量很輕 結構簡單 施工 簡便 經濟合理 折線拉索和斜拉索都是高強度索 有輕型 鋼管平面框架自重作用 可形成空間穩(wěn)定索形桁架 1 2 張力索桁溫室 1 2 1 拱棚塑膜溫室 張力索形桁架與拱棚作組合應用 在張力索形桁架上加 蓋拱棚塑膜溫室 室內開間很大 多跨連續(xù)可實現大面積農 田覆蓋 起到保溫 防風 雹 雪和保水作用 技術先進 簡單 經濟實用 適合使用農機耕作 適合用于荒地 沙漠作生態(tài)改 造 但是塑膜壽命僅 6 18 個月 成本較高 只適合作簡易 拱棚溫室 1 2 2 三角形屋面桁架玻璃溫室 張力索形桁架與三角形桁架作組合應用 在張力索形桁 架上加設三角形桁架和屋面檁條 安裝形成玻璃溫室 室內 開間很大 多跨連續(xù)可實現大面積農田覆蓋 起到保溫 防 風 雹 雪和保水作用 采用先進建筑科學技術 技術簡單 耐久性好 適合使用農機耕作 改進現代農 牧業(yè)種植 養(yǎng)殖 生產環(huán)境條件 提高農業(yè)生產經濟效益 可與太陽能電池板 發(fā)電相結合 更為經濟合理 玻璃溫室經久耐用 其價格雖 高于塑膜 10 倍 但后期節(jié)省維護和更換成本 總體經濟效益 良好 2 設 計 2 1 有限元模擬計算 張 力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室都是新型 結構 采用索 梁單元組合形成 必須做科學計算 以證明其 科學和正確性 采用有限元法作實用工程數值模擬建模計 算 能夠認清其力學原理和內力規(guī)侓 西北工業(yè)大學王國強 教授著有 實用工程數值模擬技術及其在 ANSYS 上的實 踐 1 是對模擬建模計算的引導 2 2 抗 風穩(wěn)定 張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室是穩(wěn)定結 構形式 張力索形桁架是高大的變剛度桁架 結構整體剛度 大 變形小和抗風穩(wěn)定性好 塑膜適宜作拱棚張拉使用 扁 平的拱棚對風作用的影響小 滿足了塑膜張拉和排水需要 很適合作成預制單元 安裝和使用更換簡便 屋面桁架玻璃 溫室高度較小 對風作用的影響小 滿足排水需要 也有陣 風壓力影響抗風穩(wěn)定問題 除對平面框架結構作剛度加強 外 主要是模擬積雪和風荷載作活荷載作加載計算 在兩側 加設抗風索保持穩(wěn)定 跨中頂面加設縱向預拱度排水 2 3 張力索桁溫室特點 2 3 1 拱棚塑膜溫室 張力索桁拱棚塑膜溫室是新型索桁結構 由張力索形桁 架與拱棚塑膜二者相組合 各有其功能和特點 充分發(fā)揮各 自的獨特作用 使施工簡便 維修方便 張力索形桁架是主 要承力結構 索的強度很高 很適合作大跨度和連續(xù)多跨使 用 張力空間索桁的技術先進且經濟 縱梁形式簡 繁均可 采用鋼管或輕型 U 形鋼結構 U 形梁兼作排水槽 剛度大便 于行人作架設安裝 塑膜維護和保溫操作 拱棚適合塑膜張 緊成型 采用輕鋼或鋼管 30 mm 和鋼筋 D 6 5 mm 拉桿作 矢高 h 80 cm 自身平衡的弓弦梁骨架 按間距 2 m 分個長 度 4 m 單元制作 簡便 便于安裝 維修和排水 在拱棚兩端 設木條邊梁固定弓弦梁 采用多根竹桿支撐作整體穩(wěn)定 以 便拱棚作單元預制和安裝 一般在縱梁鋼管下安裝聚酯塑 布吊袋槽排水 使排水施工和維修簡便 2 3 2 屋面玻璃溫室 屋面玻璃溫室與拱棚塑膜溫室功能相當 耐久性更好 602 工 程 結 構 四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 采 用輕鋼或角鋼 L50 50 4 作三角形桁架和屋面檁條 按 桁架高度 1 m 和間距 2 m 架設 施工架設 安裝和維修方便 3 計 算 3 1 方 法 采用有限元實用工程數值模擬建模計算 對鋼管縱 橫 梁的平面框架結構 可以作簡化近似計算 不影響張力索形 桁架的內力 使計算工作簡單 計算結果全面 詳細 能夠全 面反映內力真實情況 3 2 建模 3 2 1 建模原理 有限元程序是先將結構作劃分單元離散處理 然后再作 數學計算處理 計算是對結構偏微分方程作積分求解 有限 元法計算原理有 美 J S 矩陣結構分析理論 2 結 構體 系作內 外力平衡計算 按單元剛度作內力分配和傳遞 矩陣 力學計算方法先進科學 已經獲得廣泛應用 3 2 2 建模技術 張力索桁折線拉索采用高強度鋼絞線 索單元計算有彈 性延伸變形 采用名義彈性模量作索單元應力剛化 使模擬 簡化建模計算簡便 索應力剛化請詳見 實用工程數值模擬 仿真建模計算 內容 3 2 2 1 塑膜溫室建模 張力索桁拱棚塑膜溫室建模和屋面桁架玻璃溫室模型 有索 梁兩種單元類型 索 梁單元建模簡單 縱 橫梁相互間 配合組合亦簡單 單元建模有規(guī)侓性可循 可利用結構對稱 性作簡化 使模擬建模簡便 3 2 2 2 MIDAS CIVL 程序計算 對邁達斯程序索單元作應力剛化 采用名義彈性模量 E 4 1 95 10 11 7 80 10 11 MPa作 計算 修改索單元彈性 模量賦值方便 輸入自己定義名義彈性模量 E 7 80 10 11 MPa 經 驗值 采用索應力作安全控制 3 2 2 3 建模經驗 邁達斯程序節(jié)點和單元建模 移動 復制和修改功能強 簡便實用 拋物線索建模 可利用程序基本結構拱建模助 手 將自動形成拱曲線旋轉 180 即可 折線拉索可以修改 拋物線索形成 縱 橫梁均為鋼管相互組合建模 可以作直 接相連接的簡化處理 先建立一定長度基本節(jié)段 再作節(jié)段 復制很簡單 斜拉索建模形成方便 4 塑 膜溫室特性 4 1 技 術先進性 張力索桁結構是新型的建筑結構形式 充分發(fā)揮索的高 強度優(yōu)勢 結構自重輕 整體剛度大和穩(wěn)定性好 使其具有大 跨度能力 拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室結構僅承受 風 雨 雪 雹荷載 結構是自重小的輕型鋼管梁骨架 跨度 40 120 m 單跨或連續(xù)多跨均可 跨度小的塔柱高度小 以寬 度 10 m 為基本單元較適合 可組合形成任意寬度的矩形大 型塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室 等于是將地面的溫室懸吊 在空中 形成農業(yè)溫室大車間 4 2 技術應用 張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室是懸吊結 構 溫室復蓋面積大 小 應按需要而定 使其經濟合理 經濟 性受塔柱和錨碇影響大 塔架可以是鋼管或鋼筋混凝土柱 采用弧形鋼板索槽與抹黃油作索鞍 錨碇可采用預應力樁 板組合式結構 充分利用地基抗力作用 跨度小和連續(xù)多跨 最為經濟 主拉索的垂 跨比選擇 可使其內力合理和經濟 斜拉索分段長度也應合理 張力索桁屋面桁架玻璃溫室是 耐久結構 更適合農業(yè)發(fā)展需要 5 算 例 5 1 模 型數據 屋蓋面積 A 300 300m 2 跨 度 l 60m 長度 L 300m 寬度 任意 B 300m 基本單元寬度 b 10m 對稱性計算建模面積 F L 2 B 2 150 150m 2 弦 桿鋼管 80 3mm 橫梁鋼管 50 3mm 塔柱變徑鋼管 800 6mm 塔柱頂橫梁工字鋼 500 12mm 索鞍 d 500mm 主拉索 垂 跨 F L 1 20 主拉索 n 7 15 24 鋼 絞線 斜拉索 n 15 24 鋼絞線 5 2 建模 風 雨 雪 雹 荷載 采用恒載加大系數 1 5 考慮 塑膜溫室模型 L 60m 節(jié)點 27 554 梁單元 35 200 玻璃溫室模型 L 60m 節(jié)點 8 078 梁單元 21 712 塔架 變徑鋼管按板單元建模 5 3 計算 聯想 C20 工作站 PC 微機均可 5 3 1 拱棚塑膜溫室 計算結果 圖 1 圖 4 圖 1 計 算反力 R x R y R z 圖 2 計 算變形 5 3 2 屋 面玻璃溫室 計算結果 圖 5 圖 8 5 4 計算結論 張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室 按有限元 實用工程數值模擬建模計算獲得成功 計算順利 計算成果 全面 云圖顯示形象清楚 便于認識結構特性 充分證明張 力索桁拱棚塑膜溫室結構簡單 先進合理 施工簡便 經濟合 702 工 程 結 構 四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 圖 3 計 梁單元內力 F x 圖 4 單 元寬度 10m 計算梁單元內力 F x 圖 5 計 算反力 R x R y R z 圖 6 計 算變形 圖 7 計 算內力 F x 圖 8 單 元寬度 10m 計算內力 F x 理 張 力索桁塑棚溫室采用 10 m 寬度基本單元建模 便于 作任意橫向加寬復制 對張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁 架玻璃溫室作單元計算 證明結構剛度大和穩(wěn)定性好 與橫 向加寬后的整體計算結果接近 6 施 工 6 1 索 長計算 測定塔柱和錨碇的實際位置坐標和高程 用于建模設計 作修正計算 再量測確定拉索的分段和斜拉索的長度 按各 計算拉力計算彈性延伸長度 用各計算索長扣除其彈性延伸 長度 即得到錨固 索鞍和索夾的位置和下料計算長度 并作 好標志備用 6 2 安裝 在地面作簡單鋼管平面框架鋼管框架拼裝 作好結構防 護 并在拉索安裝好索夾和斜拉索 作好與平面框架鋼管的 連接 完成拉索和斜拉索環(huán)氧聚合物膩子 3 防 護 6 3 架設 在塔柱設提升吊點 在跨中用吊車作提升平面框架 比設計位置高 1 2 m 對索在鞍位置先作預彎曲成型 將 拉索提升安裝就位和作好錨固 再逐漸降落平面框架 完 成拉索的自動張拉 最后作拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃 溫室單元預制和安裝 再在縱梁鋼管下安裝聚酯塑布吊袋 槽排水 7 結 語 7 1 張力索桁結構意義 對 懸索吊橋技術的發(fā)展研究 引出張力索形桁架 張力 索桁溫室 是結構力學技術的應用發(fā)展 7 2 索應力剛化 高強度預應力索在有限元程序中應用 采用名義彈性模 量 E 7 80 10 11 經驗值作量化處理 避免結構剛度矩 陣和 坐標發(fā)生變化 使用簡便 合理 7 3 計算 使用有限元實用工程數值模擬建模計算 PC 微機可滿 足計算需要 可解決大跨度張力索桁溫室的計算 7 4 應用 張力索桁溫室結構自重很輕 高強度索起到穩(wěn)定空間桁 架作用 抗彎剛度大和穩(wěn)定性好 具有明顯經濟技術優(yōu)勢 結構技術簡單 對現代農 牧業(yè)種植 養(yǎng)殖發(fā)展用途廣泛 塑 膜溫室簡單和經濟 玻璃溫室耐久性很好 7 5 發(fā)展 溫室的發(fā)展受造價的影響大 張力索桁溫室是將地面拱 棚塑膜溫室和桁架玻璃溫室提升到空中 形成超大型溫室車 間 便于農機使用 更經濟合理 張力索桁技術優(yōu)勢明顯 對 發(fā)展農業(yè)生產意義重大 參 考 文 獻 1 王國強 實用工程數值模擬技術及其在 ANSYS 上的實踐 M 西安 西北工業(yè)大學出版社 1999 2 普齊米尼斯基 矩陣結構分析理論 M 王德榮 等 譯 北京 國防工業(yè)出版社 1975 3 塞默德杰夫 金屬與金屬的膠接 M 陸宏鈞 譯 北京 國 防工業(yè)出版社 1975 802 工 程 結 構