园艺设施的结构设计

第二节园艺设施的结构设计2.2园艺设施的荷载园艺设施的使用年限一般为5-20年，整体结构的完整性、安全性和合理性是反映设施优劣的评价依据。园艺设施结构设计是决定其使用年限的重要依据。荷载是园艺设施结构设计的基础。一）园艺设施的荷载及其类型1园艺设施的荷载作用于园艺设施上的所有外力。2类型按荷载性质分为恒载和活载；按荷载方向分为垂直荷载和水平荷载；按荷载状态分为均布荷载、集中荷载及局部荷载。3组合取对设施结构最不利、最大的荷载为设计荷载。•荷载按其性质可分为恒载和活载•恒载是指作用在园艺设施永久性结构上的重量，包括墙体、屋架、透明覆盖材料和所有固定设备重量。在恒载计算时应注意可能造成的计算误差，把任何长期受结构支撑的荷载，均应算作恒载。美国温室制造商协会出版的《温室设计标准》中把任何作用于结构上超过30d的活载都视为恒载计算。如作物吊重，花卉温室内悬挂的花盆、花篮等。•活载是指在园艺设施使用过程中产生的临时荷载，包括风荷载、雪荷载、地震荷载和施工荷载，还应包括管理人员走动、操作时产生的作用力，如日光温室拉盖草苫时，管理人员需在后屋面上走动及拉放草苫，对前屋面的作用力。•荷载按其作用力方向不同可分为垂直荷载和水平荷载•作用于园艺设施结构垂直方向上的荷载称为垂直荷载，如园艺设施的自重、雪荷载作物吊重等属于垂直荷载。•作用于园艺设施结构水平方向上的荷载称为水平荷载，如风荷载、地震荷载等属于水平荷载。•荷载按其作用力的状态又可分为分布荷载、集中荷载•力的作用均等分布在园艺设施结构上的荷载称为均布荷载；如温室屋面活载和风雪荷载•荷载组合就是对设施结构、基础和构件产生最不利影响的组合荷载•计算荷载时先计算恒载，恒载除自重外，有作物和吊车荷载时也要计算在内。恒载再和风、雪、地震时的荷载分别进行组合，取其中对结构最不利、最大的荷载为设计荷载。因为园艺设施结构较矮小，一般不考虑地震荷载。恒载：作用于园艺设施永久结构上的重量。活载：指在园艺设施使用过程中产生的临时荷载，包括风荷载、雪荷载、地震荷载和施工荷载，还应包括管理人员走动、操作时产生的作用力。雪荷载（雪压）：堆积在屋面上雪的重量风荷载（风压）：风吹到园艺设施上产生的一种压力。长春的基本风压为40kg/m2（二）作用在园艺设施上的主要荷载恒载、作物荷载、雪荷载、风荷载构成部分材料荷载（N/m2）备注构架木质钢铁铝合金100+0.4L100+0.4L50+0.1LL:跨度（m），适于排架、梁、椽子等。是水平投影面的值覆盖物塑料薄膜塑料板玻璃每1mm厚14每1mm厚15每1mm厚25估计面积的值温室的构架、覆盖物的单位重量（安全标准）常用材料和构件重量名称重量（N/m3）备注普通木板条、椽檩木料5000重量随含水率而不同杨木4000－5000重量随含水率而不同钢铁78500铝27000铝合金28000粘土、壤土13000干燥16000普通18000饱水砂17000干燥20000饱水23000无筋混凝土24000钢筋普通玻璃25600聚氯乙烯（管）13500－16000稻草1200麦秸泥灰顶16000作物荷载（15kg/m2）有一水平拉力单位长度的悬架线上的荷重q=15WW是悬架线的间隔（m）。那么，根据这个荷重可以计算张力、水平力等。H为水平力T为水平线的固定处产生张力N为压缩力（N）q为作物荷重（N/m）L为跨度（m）d为水平线垂下的距离（m）L16d18dqLT2228dqLH22qLN雪荷载（雪压）：堆积在屋面上雪的重量我国主要城市积雪、雪压、风压表序号城市名称最大积雪深度（cm）雪压（N/m2）风压（N/m2）1哈尔滨414504002长春183505003沈阳204004504北京243003505天津162503506石家庄142003007太原162003008郑州202003009济南1520040010南京5145025011合肥45500300我国主要城市积雪、雪压、风压表序号城市名称最大积雪深度（cm）雪压（N/m2）风压（N/m2）12呼和浩特3030050013西安2220035014银川1710050015兰州315030016乌鲁木齐4860060017西宁1825035018拉萨415035019长沙835035020武汉3240025021上海820045022杭州14400300建筑规范规定的基本雪压(S0)，是以一般空旷平坦地面上的30年一遇最大积雪深度为标准的。在我国积雪深度除天山山脉以北外，一般不足50cm，单位体积重量系数根据各地的经验，K值一般取0．8～0．9。其次，积雪的程度与屋面的坡度和形状有关。屋面水平投影面上的雪载（N/m2）按下式计算：S=C·SvSv—基本雪压（N/m2），C—屋面积雪分布系数由于温室表面较少积雪，所以S=K1·C·Sv式中：K1—暂时折减系数（取0.8～0.9）•计算例1：北京地区有高3m、跨度8m的大棚，求其雪荷载。•解：查表5－5北京地区S0＝300(Pa)；•高跨比f／l＝3／8＝1／3，查表5－6f／l=1／3时，C=0．4，K＝0．8，代入(5．4)式。•S＝0．8×0．4×300＝96(Pa)计算题•计算例1：哈尔滨地区有高6m、跨度10m的大棚，求其雪荷载。（K取0.8）•计算例2：兰州地区有高屋面角度小于25度的大棚，求其雪荷载。（K取0.8）•计算例3：太原地区有高2m、跨度10m的大棚，求其雪荷载。（K取0.8）屋面积雪分布系数Caa名称屋面形式及分布系数C1．坡屋面ac≦25°1.030°0.835°0.640°0.445°0.2≧50°0屋面积雪分布系数Ca名称屋面形式及分布系数C2．拱形屋面f/Lc≦1／81.0≦1／60.8≧1／30.4中间值按插入法计算3．双跨双坡屋面（双跨拱形屋面）双跨双坡：α≦25°时，按（a）图采用α25°时，按（b）图采用其中c坡屋面采用基本风压W0是按一般空旷，平坦的地面，离地10m的高处统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速V（米/秒）为标准确定的，一般情况下不得小于250N/米2实际上作用在保护地建筑表面上的风荷载W（N/米2）W=K·Ｋ1·K2·W0式中：K—风载体型系数即风吹到建筑物表面所引起的压力效果与原始风速算得的理论风压的比值，K值的大小与建筑物的形状有关，且不同位置其数值也不同，保护地风荷载风载体型系数K序号名称建筑体型及体型系数K1封闭式双坡屋面αK≤15°-0.630°0≥60°+0.8中间值按插入法计算2封闭式落地拱形屋面f/LK0.1+0.10.2+0.20.5+0.6中间值按插入法计算风载体型系数Kaa风载体型系数K序号名称建筑体型及体型系数K3封闭式拱形屋面f/LK0.1-0.80.200.5+0.6中间值按插入法计算4封闭式单坡屋面迎风坡面的K按序号1选用风载体型系数Ka风载体型系数K序号名称建筑体型及体型系数K5封闭式双跨双坡屋面迎风坡面的K按序号1选用6封闭式拱形屋面迎风坡面的K按序号3选用K1—暂时折减系数，在0.8～0.9间取值K2—风压高度变化系数风压随高度不同而变化。我国是以10米高度的风压为标准，取K2=1。K2取值一般按下表规定选用。风压高度变化系数离地面高度（m）hK2（陆地）≦20.5250.78101.00注：高度在中间值者按插入法计算另外地震力=0.2×（固定荷量+作物荷重+吊车荷重）。实际中往往是荷载的组合计算。计算例1：某地二连栋屋脊形双屋面温室，屋面平均高度为2.5m、屋面坡度为25°，求其作用于温室上的风荷载。当地的基本风压为40kg／m2。解1：求风荷载高度变化系数K22m时，K2＝0．52，5m时K2＝0．78，用插入法求2．5m处的风载：插入点数值的计算方法,已知A点的值是x，C点的值是y,那么A点与C点之间的某一个点B的值就是=(y-x)*(b-a)/(c-a)+x解2：求迎风屋面的风载体形系数K，因屋面坡度a为25°，a＝15°时，K=－0．6，a＝30°时，K＝0，用插入法求出：插入点数值的计算方法,已知A点的值是x，C点的值是y,那么A点与C点之间的某一个点B的值就是=(y-x)*(b-a)/(c-a)+x•解3：求各面的风荷栽因温室较小，K1为0．8，按公式(5．5)求风压。迎风墙面W=0．8×0．8×0．52×40=13．3(kg／m。)。•同样计算背风墙面为－6．66(吸力)；迎风屋面+3．58(压力)，背风屋面－8．96(吸力)，其他二屋面为－7．17(吸力)。••地震力与施工荷载：地震力因小型单栋温室和大棚自重小，与风载相比小得多，设计时可以不考虑。•施工荷载对檩条、椽子等应考虑跨中集中力，并与风雪荷载相比较，但不与风雪荷载同时考虑，取大者。计算例2：某地封闭式单坡屋面温室，屋面平均高度为3m，屋面坡度为25°，求其作用于温室上的风荷载。当地的基本风压为40kg／m2。计算例3：某地封闭式拱型屋面温室，f∕L为0.3，屋面平均高度为7m，屋面坡度为25°，求其作用于温室上的风荷载。当地的基本风压为40kg／m2。2.2.2园艺设施结构设计的力学知识1.结构形式1）.钢架结构刚度大，内力分布均匀，刚节点能承受和传递弯矩，可削减弯矩峰值杆数少，适用于大跨度的温室和大棚。空间大，遮光少，便于安装管理设备，且制作方便，被广泛应用。2）.桁架结构由于型钢用料少，造价低，但加工复杂，荷载作用在节点时，各杆只有轴力，截面上的应力分布均匀。平行弦桁架，多用于梁等构件，内力分布不均匀，弦杆的内力中间最大；三角形桁架，多用于跨度小的温室，弦杆内力分布不均匀，弦杆内力支座处最大；•拱形桁架，多用于跨度大的大棚，•弦杆的内力分布均匀，受力状况好。3）.拱架结构•由于扣膜方便、大棚多用此结构。它的特点是竖向荷载作用下有水平反力，也叫推力。由于有推力，弯矩小而轴力大，截面上的应力分布均匀，推力与拱高成反比，拱越低推力越大。2.建材的形状与配置•构件的遮荫是透光率的25％～309／6。遮荫与杆件的粗细、形状和配置方法有关。例如，有一截面为矩形的杆件(横断面)，长边为短边的两倍，当把长边竖立时，从材料力学来说，抗弯强度要比横放的大2倍，但从阴影来看影幅主要受高度的影响。抗弯强度与透光是矛盾的，为了提高屋顶的抗弯强度往往檩、柁采用工字钢，甚至采用高而窄的工字钢，因此遮光更严重。另外，遮光与杆件的配置方向也有关，东西长的水平杆件是“死阴影”，影响面大，东西长的倾斜杆件影响减小。建造时一定要考虑建材的选用和配置。从光照条件看，圆管截面的比矩形截面好，应使用钢管和质量高的薄壁钢管。3.结构受力分析•设施结构设计，要求结实耐用，用材经济。因此，要求荷载内力的路线距离最短、路线最简单、最合适。特别要求结构材料的全断面尽量都是有效作用力。2)构件的基本受力特性•拉伸与压缩•作用于直杆两端的两个外力等值、反向，且作用线与杆的轴线重合，杆件产生沿轴线方向的伸长（或缩短）。这种变形形式称为轴向拉伸（或轴向压缩），这类杆称为拉杆（或压杆）。FFFF弯矩对于土木工程结构中的一根梁（指水平向的构件），当构件区段下侧受拉时，我们称此区段所受弯矩为正弯矩；当构件区段上侧受拉时，我们称此区段所受弯矩为负弯矩剪切•在一对相距很近，方向相反的横向外力作用下，构件的横截面沿外力方向发生的错动变形。工程实例（1）螺栓连接(Boltedconnections)（2）铆钉连接(Rivetedconnections)FF螺栓(bolt)FF铆钉(rivet)FF铆钉(rivet)nn（合力）（合力）FF受力特点以铆钉为例构件受两组大小相等、方向相反、作用线相距很近的平行力系作用.变形特点构件沿两组平行力系的交界面发生相对错动.3．结构强度•内力:•杆件受力时产生变形，这时材料内部则出现抵抗变形的力，这个力叫做内力(N，Q，M)。内力是与荷载相平衡的大小相等、方向相同反的力。荷载增加，内力也随之增大，杆件内力增加到一定范围以上就会引起破坏。•应力•求出杆件内力后，再由内力求杆件的应力，杆件的应力大小与杆件横截面面积大小有关，