张力索桁温室设计与施工

2021-03-31吴清明丁明刚

四川建筑 2021年1期

吴清明,丁明刚,杜娟

(1. 中交通力股份有限公司, 四川成都 610000; 2. 拉萨市设计院, 西藏拉萨 850000)

1 张力索形桁架结构

1.1 张力索形桁架

张力索形桁架是一种新型建筑结构形式，采用轻型钢管平面框架与张力索形桁架相组合，可作成空间张力索形桁架。结构整体刚度大，稳定性好，重量很轻，结构简单，施工简便，经济合理。折线拉索和斜拉索都是高强度索，有轻型钢管平面框架自重作用，可形成空间稳定索形桁架。

1.2 张力索桁温室

1.2.1 拱棚塑膜温室

张力索形桁架与拱棚作组合应用，在张力索形桁架上加盖拱棚塑膜温室。室内开间很大，多跨连续可实现大面积农田覆盖，起到保温,防风、雹、雪和保水作用，技术先进、简单、经济实用，适合使用农机耕作，适合用于荒地、沙漠作生态改造。但是塑膜寿命仅6～18个月，成本较高，只适合作简易拱棚温室。

1.2.2 三角形屋面桁架玻璃温室

张力索形桁架与三角形桁架作组合应用，在张力索形桁架上加设三角形桁架和屋面檁条，安装形成玻璃温室。室内开间很大，多跨连续可实现大面积农田覆盖，起到保温，防风、雹、雪和保水作用。采用先进建筑科学技术，技术简单，耐久性好，适合使用农机耕作，改进现代农、牧业种植、养殖生产环境条件，提高农业生产经济效益。可与太阳能电池板发电相结合，更为经济合理。玻璃温室经久耐用，其价格虽高于塑膜10倍，但后期节省维护和更换成本，总体经济效益良好。

2 设计

2.1 有限元模拟计算

张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室都是新型结构，采用索、梁单元组合形成，必须做科学计算，以证明其科学和正确性。采用有限元法作实用工程数值模拟建模计算，能够认清其力学原理和内力规侓。西北工业大学王国强教授著有《实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践》[1]，是对模拟建模计算的引导。

2.2 抗风稳定

张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室是稳定结构形式，张力索形桁架是高大的变刚度桁架，结构整体刚度大，变形小和抗风稳定性好。塑膜适宜作拱棚张拉使用，扁平的拱棚对风作用的影响小，满足了塑膜张拉和排水需要，很适合作成预制单元，安装和使用更换简便。屋面桁架玻璃温室高度较小，对风作用的影响小，满足排水需要。也有阵风压力影响抗风稳定问题，除对平面框架结构作刚度加强外，主要是模拟积雪和风荷载作活荷载作加载计算，在两侧加设抗风索保持稳定，跨中顶面加设纵向预拱度排水。

2.3 张力索桁温室特点

2.3.1 拱棚塑膜温室

张力索桁拱棚塑膜温室是新型索桁结构，由张力索形桁架与拱棚塑膜二者相组合，各有其功能和特点，充分发挥各自的独特作用，使施工简便，维修方便。张力索形桁架是主要承力结构，索的强度很高，很适合作大跨度和连续多跨使用，张力空间索桁的技术先进且经济。纵梁形式简、繁均可，采用钢管或轻型U形钢结构，U形梁兼作排水槽，刚度大便于行人作架设安装、塑膜维护和保温操作。拱棚适合塑膜张紧成型，采用轻钢或钢管φ30 mm和钢筋D=6.5 mm拉杆作矢高h=80 cm自身平衡的弓弦梁骨架，按间距2 m分个长度4 m单元制作，简便，便于安装、维修和排水。在拱棚两端设木条边梁固定弓弦梁，采用多根竹杆支撑作整体稳定，以便拱棚作单元预制和安装。一般在纵梁钢管下安装聚酯塑布吊袋槽排水，使排水施工和维修简便。

2.3.2 屋面玻璃温室

屋面玻璃温室与拱棚塑膜温室功能相当，耐久性更好。采用轻钢或角钢L50×50×4作三角形桁架和屋面檁条，按桁架高度1 m和间距2 m 架设，施工架设、安装和维修方便。

3 计算

3.1 方法

采用有限元实用工程数值模拟建模计算，对钢管纵、横梁的平面框架结构，可以作简化近似计算，不影响张力索形桁架的内力，使计算工作简单。计算结果全面、详细，能够全面反映内力真实情况。

3.2 建模

3.2.1 建模原理

有限元程序是先将结构作划分单元离散处理，然后再作数学计算处理，计算是对结构偏微分方程作积分求解。有限元法计算原理有(美)J.S.《矩阵结构分析理论》[2]，结构体系作内、外力平衡计算，按单元刚度作内力分配和传递，矩阵力学计算方法先进科学，已经获得广泛应用。

3.2.2 建模技术

张力索桁折线拉索采用高强度钢绞线，索单元计算有弹性延伸变形，采用名义弹性模量作索单元应力刚化，使模拟简化建模计算简便，索应力刚化请详见《实用工程数值模拟仿真建模计算》内容。

3.2.2.1 塑膜温室建模

张力索桁拱棚塑膜温室建模和屋面桁架玻璃温室模型，有索、梁两种单元类型，索、梁单元建模简单，纵、横梁相互间配合组合亦简单。单元建模有规侓性可循，可利用结构对称性作简化，使模拟建模简便。

3.2.2.2 MIDAS/CIVL程序计算

对迈达斯程序索单元作应力刚化，采用名义弹性模量E=4×1.95×1011=7.80×1011MPa作计算，修改索单元弹性模量赋值方便，输入自己定义名义弹性模量E=7.80×1011MPa经验值，采用索应力作安全控制。

3.2.2.3 建模经验

迈达斯程序节点和单元建模、移动、复制和修改功能强，简便实用。抛物线索建模，可利用程序基本结构拱建模助手，将自动形成拱曲线旋转-180 °即可。折线拉索可以修改抛物线索形成。纵、横梁均为钢管相互组合建模，可以作直接相连接的简化处理，先建立一定长度基本节段，再作节段复制很简单，斜拉索建模形成方便。

4 塑膜温室特性

4.1 技术先进性

张力索桁结构是新型的建筑结构形式，充分发挥索的高强度优势，结构自重轻、整体刚度大和稳定性好，使其具有大跨度能力。拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室结构仅承受风、雨、雪、雹荷载，结构是自重小的轻型钢管梁骨架，跨度40～120 m单跨或连续多跨均可，跨度小的塔柱高度小。以宽度10 m为基本单元较适合，可组合形成任意宽度的矩形大型塑膜温室和屋面桁架玻璃温室，等于是将地面的温室悬吊在空中，形成农业温室大车间。

4.2 技术应用

张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室是悬吊结构，温室复盖面积大、小，应按需要而定，使其经济合理，经济性受塔柱和锚碇影响大。塔架可以是钢管或钢筋混凝土柱，采用弧形钢板索槽与抹黄油作索鞍，锚碇可采用预应力桩—板组合式结构，充分利用地基抗力作用，跨度小和连续多跨最为经济。主拉索的垂/跨比选择，可使其内力合理和经济，斜拉索分段长度也应合理。张力索桁屋面桁架玻璃温室是耐久结构，更适合农业发展需要。

5 算例

5.1 模型数据

屋盖面积A=300×300m2,跨度l=60m,长度L=300m, 宽度(任意)B=300m。

基本单元宽度b=10m，对称性计算建模面积F=(L/2)×(B/2)=150×150m2。

弦杆钢管φ80×3mm，横梁钢管φ50×3mm。

塔柱变径钢管φ800×6mm，塔柱顶横梁工字钢Ⅰ500×12mm，索鞍d=500mm。

主拉索(垂/跨)=F/L=1/20，主拉索n=7×φ15.24钢绞线，斜拉索n=φ15.24钢绞线。

5.2 建模

风、雨、雪(雹)荷载，采用恒载加大系数1.5考虑。

塑膜温室模型：L=60m，节点27 554，梁单元35 200。

玻璃温室模型：L=60m，节点8 078，梁单元21 712。

塔架：变径钢管按板单元建模。

5.3 计算

联想C20工作站、PC微机均可。

5.3.1 拱棚塑膜温室

计算结果：图1～图4。

图1 计算反力：Rx、Ry、Rz

图2 计算变形

图3 计梁单元内力：Fx

图4 单元宽度10m 计算梁单元内力：Fx

5.3.2 屋面玻璃温室

计算结果：图5～图8。

图5 计算反力：Rx、Ry、Rz

图6 计算变形

图7 计算内力：Fx

图8 单元宽度10m 计算内力：Fx

5.4 计算结论

张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室，按有限元实用工程数值模拟建模计算获得成功，计算顺利。计算成果全面，云图显示形象清楚，便于认识结构特性。充分证明张力索桁拱棚塑膜温室结构简单、先进合理，施工简便，经济合理。张力索桁塑棚温室采用10 m宽度基本单元建模，便于作任意横向加宽复制。对张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室作单元计算，证明结构刚度大和稳定性好，与横向加宽后的整体计算结果接近。