连栋塑料温室GLP-728结构的力学分析和优化设计初探

目前上海、杭州等地区的温室生产和研究单位在原P系列单拱大棚的基础上研制出一系列连栋塑料温室，并开始试用和国外引进的同类连栋塑料温室产品相比，在建筑结构优化设计方面尚有一定的距离在1998年2月下旬的降雪中，杭州地区极大降雪量达到27cm，由于温室结构布置和构件选用的不合理，造成了大面积连栋塑料温室倒塌。因此有启发地消化吸收国外连栋塑料温室结构研究成果，并结合地区实际，改进研制有我国特色的连栋塑料温室，这是一项有重要意义的研究工作本文从结构力学的角度，根据东南沿海地区的安全设计荷载（含雪载，风载和作物吊挂荷载），借助结构分析专用的计算机软件SUPER-SAP，分析杭州地区典型连栋塑料温室GLP-728结构的内力分布状态，对结构受力薄弱杆件加以改进，对结构受力富余杆件进行优化设计，最后确定合理的杆件截面尺寸，保证连栋塑料温室结构安全可靠1结构初始模型的选取以1998年8月浙江省农科院无土栽培中心建①郑金土，副教授，杭州市华家池浙江大学农业工程和食品科学学院城镇建设研究所，310029造的6连栋塑料温室结构作为温室结构优化设计的初始模型，该模型的名称定为GLP-728结构，其中GLP三字母是钢管、连接、棚三个词的开头第一个字母，7表示单跨度为7m，28表示拱架钢管的外径规格为1.1结构初始模型的几何参数7m，纵向柱1.2结构初始模型的材料参数78000kg/m3，弹性模量2.K1010kg/m2，容许拉伸和弯曲应力= 1700kg/cm2拱架横梁和竖向拉杆的钢管规格分别为28<2.5032<25032父25；立柱采用方钢管，其尺寸为60（80<3；温室及天沟规格尺寸见~2 2结构初始模型的力学分析2.1结构力学分析的软件工具结构分析工具。

　　2.2初始模型的结构力学分析结果吊挂荷载6kg/m2，风荷载基本风压50kg/m2；荷载组合类型：GnS，GhS+ W，Gh W+表示结构自重其各杆件的最大受力状况统计如下：主结构拱架钢管在G+S作用下达到最不利内力值1353kg/cm2，达到拱强度容许值的80%；主结构间的单拱架钢管也在G+S作用下达到最不利内力，其值为1 635kg/cm2，达到拱强度容许值的96%；设计拱架钢管时应以单拱架钢管的最不利内力为准横向边柱在GhW作用下达到最不利内力，其值为782kg/cm2，达到柱稳定容许值的74%；纵向边柱在G+W+V作用下达到最不利内力，其值为1416kg/cm2，超过柱稳定容许值34%主结构横梁在G+W+V作用下达到最不利内力，其值为1447kg/cm2，达到梁强度容许值的85%；横梁与拱架的竖向联系拉杆在G+W+V作用下达到最不利内力，其值为75kg/cm2，拉伸强度较小，但其支撑作用不可忽视从以上的分析看，该连栋塑料温室结构构件或截面不足，或截面富余，材料的力学性能没有被充分利用，不仅形成材料浪费，而且结构安全性欠佳，所以应对该结构进行优化设计。

　　3结构模型的优化设计3.1结构优化设计法结构优化设计的准则，即从结构力学的原理出发，建立一些可以处理应力、位移、频率和压杆失稳临界应力等约束的最优准则，然后通过直观的迭代运算决定各杆件单元截面的参数，使得材料比较合理地分布到结构各杆件单元上，避免了个别杆件单元的材料浪费在结构优化设计中，可选用的准则方法有比例满应力法、齿行法和修改的齿行法笔者在该结构模型的优化设计中，采用的是齿行法，具体步骤操作如下：记结构各杆件单元截面面积为2，记各杆件的应力为表示迭代的次数，i表示结构中第i根杆件；表示结构承载的第种工况；e表示第k次迭代时第i根杆件在第种工况下的计算应力，表示受拉杆件的容许应力或受压杆件的失稳临界应力。迭代关系式为：进行具体迭代时，先走一步比例满应力步（奇数步），紧接着换一步射线步（偶数步），两种步骤间隔地进行；奇数步得到各杆件的最大应力比：偶数步则得到各杆件的截面积和结构重量：则取第2k步的设计值作为最优设计值在设计中要注意杆件截面的规格化要求，以保证所选最小截面积能够满足强度和刚度条件；对于压杆则应考虑其稳定系数h的影响。

　　在设计中U的取值，要考虑到风雪、作物的吊挂荷载和结构及覆盖材料的自重的荷载组合结构优化设计分析迭代流程见3.2结构模型优化设计分析结果根据优化设计分析迭代流程，对原结构模型的力学分析结果进行二次处理，得到各杆件的应力比，然后按部就班地进行迭代，直到出现最优结果。连栋塑料温室结构各杆件截面在优化调整中的变化具体见表在优化设计中，我们对连栋塑料温室结构各杆件的内应力在优化初始和优化结束时分别作了记录优化初始时，连栋塑料温室结构的纵边柱、横边柱、中柱、横梁、拱架的内应力分别达到构件失稳临界应力值或强度容许值的-34%（“-”表示超过临界应力值）用SLPER-SAP分析出开始迭代，记1，计算k+1，求A2并选择原结构模型的内力及位移并记原结构重量为wd规格化的截面，形成新结构k=k+1，求Ak并选择规格化的截k=k+1，计算各杆用SLPER-SAP分析出面，形成新结构，计算结构重量wk件最大应力比U新结构模型的内力及位移确定W =Wk-2，输出第k-2步得出的各杆件截面规格尺寸结构优化设计分析迭代流程图表1连栋塑料温室结构杆件截面优化调整变化杆件截面调整横边柱纵边柱中柱横梁拱架拉杆天沟梁结构重量杆件规格槽形定制初始截面面积杆件规格槽形定制一次迭代截面面积杆件规格槽形定制二次迭代截面面积杆件规格槽形定制三次迭代截面面积注：①面积单位：cm2；重量单位：1；表示圆管；□表示方柱②在优化设计中，结构的荷载组合时的各类荷载的设计值分别为：雪载取27kg/m2风载50kg/m2，作物吊挂荷载6kg/m2，覆盖材料1.4kg/m2，结构钢管比重7. 4结论通过结构优化设计，连栋塑料温室结构的纵边柱改变了初始的不安全失稳状态，而变成材料强度利用率较高的构件；横梁仍然保持着良好的材料强度利用率；横边柱、中柱和拱架的材料强度利用率则分别提高了1秘、25%和3%这样不仅保证了主体结构在强度和稳定性方面的安全，相应提高了部分杆件（特别是中柱）力学性能的利用率，而且调整减小绝大部分构件的截面面积，经计算，温室主体结构节省钢材3.7%，有利于促进连栋塑料温室结构设施的更新换代借助SLPER-SAP的分析，对于连栋数为345的塑料温室，本文优化设计的杆件截面参数值仍然是安全的，而且塑料温室结构的稳定性和相应的安全性随着连栋数的增加而有所提高，所以塑料温室结构具有通用性，可以作为温室制造单位规模生产结构杆件的设计依据。

　　3）虽然本文的连栋塑料温室结构原模型取自杭州地区，但是在优化设计中，风、雪荷载设计值的取值范围覆盖我国整个东南沿海地区，结果适合在东南沿海地区推广应用。

　　郑金土等。塑料大棚骨架静载强度试验初探。浙江农业孙训方等。材料力学。高等教育出版社，1989.卢炎麟。PCSAP5使用手册。镇江船舶学院，1991师惠芬等。现代化蔬菜温室。上海：上海科学技术出版吴德让。农业建筑学。北京：农业出版社，1994.195201温室结构伊件的截面优I寸于任衷数的塑料咿蓖炳威A结构优化设M京：人通2篇全国优秀博士学位论文及评选简介一一东北农业大学指导教师蒋亦元，作者蒋恩臣完成的吸气式割前摘脱装置机理研究及中国农业大学指导教师曹崇文，作者朱文学完成的干燥过程中谷物应力裂纹和发芽率的模拟与实验研究均获第一届全国优秀博士学位论文奖一一全国优秀博士学位论文评选简介全国优秀博士学位论文评选工作是由教育部和国务院学位委员会批准并组织进行的，旨在逐步建立有效的质量监督和激励机制，推动研究生教育工作重点切实转移到提高培养质量上来，培养和激励在学博士生的创新精神，促进高层次创造性人才脱颖而出该项评选工作已列入面向二十一世纪教育振兴行动计划。根据该计划今后将每年评选100篇优秀博士学位论文。

　　评选标准：选题为本学科前沿，有较大的理有较大的社会效益或较好的应用前景；材料详实，推理严密，文字表达准确。

　　首届优秀博士学位论文评选工作从1998年5月启动。评选的对象是全国所有博士学位授予单位在1995~1997年间的博士学位获得者的博士学位论文，共计1670（余篇。整个评选工作分为学位授予单位推荐省级学位或研究生教育主管部门初选、全国范围内同行专家通讯评议和专家会审定四个阶段对初选出的559篇博士学位论文，评选办公室聘请了692名专家，按学科分组，进行通讯评议每篇论文聘请5名专家独立评阅，共发出评价意见表2795分，回收2698份，回收率为96.5%.最后通过专家会审，确定100篇获奖论