大跨度日光温室结构设计毕业设计.docx
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大跨度日光温室结构设计毕业设计
毕业设计论文
大跨度日光温室结构设计
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大跨度日光温室结构设计
1前言
世界各国的现代温室,于20世纪60年代逐步完善并且快速发展。
我国的现代温室起步较晚,从20世纪80年代初开始,从无到有,快速发展,取得了长足进步。
目前,我国已成为世界上设施栽培面积最大的国家,大型现代温室也有700公顷以上,并且每年以100公顷以上的速度在快速发展。
设施蔬菜的产量已超过蔬菜总产量的20%,尤其是对全年均衡上市和促进出口起到了非常明显的作用;全国各地各级农业高科技示范园区,都把设施园艺作为重要的环节予以重视,对我国农业现代化有着明显的示范带头作用;加入世界贸易组织后,随着我国设施园艺产品数量和品质的提高,必将使我国由设施园艺大国成为设施园艺强国,把比较优势变为竞争优势。
因此,设施园艺在我国农业中具有特殊重要的意义和地位。
山西省地处华北西部的黄土高原东翼。
地理坐标为北纬34°34'~40°43'、东经110°14'~114°33'。
东西宽约290公里,南北长约550公里,全省总面积15.63万平方公里,约占全国总面积的1.6%。
山西地形较为复杂,境内有山地、丘陵、高原、盆地、台地等多种地貌类型。
山区、丘陵占总面积的三分之二以上,大部分在海拔1000米至2000米之间。
山西位于大陆东岸的内陆。
外缘有山脉环绕。
因而难于受海风的影响,形成了比较强烈的大陆性气候。
同时,又由于受内蒙古冬季冷气团的袭击,北部比较寒冷,由此形成了山西的气候特征;冬季长而寒冷干燥;夏季短而炎热多雨;春季日温差大,风沙多;秋季短暂,气候温和。
山西省,属于中温带和暖温带季风气侯区,即温带大陆性气候。
平均降水量为400~650毫米。
山西地形复杂,地处中纬度地区,属暖温带、温带大陆性气候,冬寒夏暖,四季分明,南北差异和垂直差异较大。
山西地形多样,高差悬殊,因而既有纬度地带性气候,又有明显的垂直变化。
山西地处中纬度,距海不远,但因山脉阻隔,夏季风影响不大,属温带大陆性季风气候。
年平均气温3~14℃,昼夜温差大,南北温差也大。
西部黄河谷地、太原盆地和晋东南的大部分地区,平均温度在8~10℃之间。
临汾、运城盆地年均温度达12~14℃。
冬季气温全省均在0℃以下,夏季全省普遍高温,7月份气温介于21~26℃之间。
山西无霜期南长北短,平川长山地短。
大同盆地为110~140天,五台山仅85天,忻州盆地以北和东部山区135~155天,临汾、运城盆地则长达200~220天。
全省年降水量在400~650毫米,但季节分布不均匀,夏季6月~8月降水高度集中且多暴雨,降水量约占全年的60%以上。
全省降水受地形影响很大,山区较多,盆地较少。
山西有三个多雨区,一是晋东南太行山区和中条山区,二是五台山区,三是吕梁山区。
2工程概况
此温室适用于山西境地,温室总高5米,长度42.2米,宽13.1米;室内宽12米,长40米;后墙厚1.1米,总建筑面积552.82平方米。
3温室的基础设计
3.1温室的基本类型
冬季生产时,室内的热源主要来自太阳光,白天的光和热来自于太阳辐射,夜间的热量主要靠白天积蓄的太阳辐射能量来供给,只有连阴天和极冷的天才少量加温,因此为日光温室。
采光面用塑料薄膜,主要用于生产,其建筑材料为钢架,无支撑的,因此为钢骨架砌体墙无柱温室。
温室坐北朝南,屋脊东西走向,南有透明的采光面,北墙、山墙、后坡是不透光的围护结构,因此这个温室称为:
日光塑料生产型钢骨架砌体墙无柱单坡温室。
3.2温室设计的原则及要求
3.2.1温室设计的原则
因地制宜、节约能源、安全耐久、节省造价、保护环境和可持续发展。
3.2.2温室设计的要求
采光好、保温好、内部空间大、能抵御一定的灾害天气、环境调控及减轻劳动强度。
3.3温室的设计载荷
3.3.1雪载荷
屋面水平投影面上的雪载荷标准值的计算公式:
(3-3-1)
式中:
Sk—雪载荷标准值,kN/m2;
μr—屋面积雪分布系数;
S0—基本雪压,kN/m2。
3.3.2风载荷
垂直于建筑物表面上的风载荷标准值计算公式:
(3-3-2)
式中:
Wk—风载荷标准值,kN/m2;
βZ—Z高处的风振系数;
μS—风荷载体型系数;
μZ—风压高度变化系数;
W0—基本风压,kN/m2。
风振系数只有建筑高度大于30米等情况下才考虑,温室取βZ=1。
风压高度变化系数,在一般建温室地区可取μZ=0.8。
这样,计算公式可简化为:
(3-3-3)
3.3.3作物载荷
考虑单坡温室具体情况,取0.15kN/m2,按水平投影面上垂直向下的均布载荷考虑。
3.3.4草料等外覆盖物重
以稻草记,稻草容重1.2kN/m3,厚度按3.5cm计,另考虑受潮后增加20%的重量,因此单位面积外覆盖物重量为1.2×0.035×1.2=0.0504kN/m2。
3.3.5操作人员重
温室后坡是不上人物面,考虑人上屋顶卷、放帘等操作需要,可按屋脊处
每榀骨架的集中力考虑。
3.3.6施工活动载荷
此项载荷取水平投影面上0.7kN/m2的竖向均布载荷。
3.4温室的覆盖材料
3.4.1光线的组成
为满足绿色植物生长发育进行光合作用的需要,温室的全部或部分表面要用透光性很强的材料来覆盖,这些材料的透光性能、保温性能、抗老化性能等对室内的温度、光照环境和能源消耗又起着关键作用。
此外,覆盖材料的强度、耐久度、热物理性能以及其他机械、光学性能和价格等因素也应加以考虑。
通过了解,我们知道大气层上界的太阳辐射光谱是一个波长为零至无穷大的连续光谱,但其99%的能量集中在波长为170~4000纳米范围内,其中紫外光占7%,可见光占47%,红外光占46%。
到达地球表面的太阳辐射能,由于大气的吸收、散射以及云层的反射,光量与光质都与大气上界不同,由两部分组成:
一是直接辐射,是以平行光的形式直接到达地面的辐射能;另一称散射辐射,来自天空四面八方,是以散射光线的形式到达地面的辐射能。
直接辐射和散射辐射能量之和即为到达地面的太阳总辐射能量。
在万里无云的全晴天直射阳光和天空散射光的比例约为9∶1,全阴天时几乎100%是天空散射光,有云天气是天空散射光在20%~100%之间。
3.4.2温室的主要覆盖材料
普通玻璃的对波长在300纳米以下的紫外光不能透过,而对320~350纳米的紫外光透过率是随波长的增加而增加,对可见光透过率较高,对波长1000~2000纳米的以上红外光则透过率很低。
玻璃的耐老化、耐腐蚀性能最好,防尘性和排冷凝水性能也较好,但不同玻璃质脆,抗冲击性能差,破碎后易于伤人;玻璃比较重,增加承重骨架的载荷;但其导热系数大,保温性能较差。
为克服这些缺点,一般采用钢化玻璃。
这种玻璃破碎后,碎片小且无尖角,使用中较为安全,但成本太高。
塑料作为覆盖物仅40多年的历史,但使用塑料覆盖的面积已远远超过玻璃。
塑料材料价格低,重量轻可减少结构载荷,对骨架要求不严格,使温室初投资大大降低。
塑料薄膜的透光性能因所用的原料、添加剂、数量不同而不同。
初始透光率一般在85%~90%左右,甚至更高。
对波长300纳米一下的紫外线,PVC膜透过率很低,PE膜有一半以上能透过,EVA膜透过率最高;对于可见光,各种膜透过率均较高,由高到低的排序依次是PVC、EVA、PE膜;至于红外线,对于波长2000纳米以下的太阳辐射,各种膜的透过率均较高,而对于5000纳米以上的长波辐射,在三种薄膜中,PVC膜的透过率最低。
塑料薄膜覆盖面是温室的主要散热面,薄膜的保温性能关系到室内的温度情况。
薄膜的保温性能除受其厚度影响外,与膜的树脂材料和助剂比密切相关。
PE膜和PVC膜的导热系数分别为0.198W/(m·°C)和0.163W/(m·°C),因此,PVC膜比PE膜保温性能好,EVA膜的保温性能介于两者之间。
塑料膜的流滴防雾性能因膜的品种和生产工艺的不同而又很大差异。
PVC膜由于自身树脂具有极性而与无滴助剂的亲和性较好,因此PVC膜的流滴效果较好,流滴持效期长,一般可达4~6个月;PE膜由于树脂自身无极性,与带有极性基团的无滴助剂亲和性不好,因此PE膜流滴性略差,流滴持效期也短,一般为2~4个月;EVA复合膜由于部分树脂具有极性,因此流滴效果也较好,流滴持效期一般可达4~6个月,性能好的可达6~8个月。
塑料膜的防尘性能,PVC膜由于树脂中含有强极性分子基团,因静电作用和助剂析出是薄膜吸尘严重,一般新膜覆盖2个月后,透光率会下降15%~20%,而且吸附的灰尘不与自然脱落,使用中需经常擦洗。
但现在技术也基本解决了这个问题。
EVA复合膜由于外层为聚乙烯,外表面没有极性分子基团,不会造成静电吸尘,但由于添加母料中有无滴助剂等极性物质,这些物质在使用过程中也会向膜的外表面析出,造成轻微的吸尘现象。
EVA复合膜和PE膜表面附着的灰尘大部分会被风吹掉或雨淋掉,一般不必进行人工清洗。
塑料膜的老化一般会是透光率降低20%~30%,并会缩短使用寿命,增加生产成本。
膜的耐老化性能除与自身原料有关外,还受覆盖过程中温度、光照环境因素的影响。
目前国产塑料薄膜在连续覆盖情况下,耐老化寿命一般为1~2年,个别的可达3~4年。
4日光温室的建筑与结构设计
4.1日光温室的剖面几何参数及平、立、剖面设计
4.1.1日光温室的剖面几何参数
如图4.1.1所示:
净跨度L=12m,前坡水平投影L1=11m,后坡水平投影L2=1m,后墙高h=3.9m,山西地理坐标为北纬34°34'~40°43',冬至正午太阳高度角为hmin=66°,经过作图暂时考虑前坡参考角α=24°,后墙底部厚b=1.1m,脊位比L1/L=11/12≈0.92,脊高H=L1tanα=11m×tan24°=4.9m,因此可定位H=5m,后坡仰角β=44°。
图4.1.1温室几何参数图
4.1.2日光温室的平面设计
温室长度为40米,也可因地制宜加长,具体可看环境稍加改动,改动后长度一般不超过60米。
日光温室主体是栽培区。
附属建筑是作业间。
作业间的作用是作为冬季减少冷风向栽培区渗透的缓冲间,也可作为工具间。
考虑山西地区冬季较为寒冷,作业间是不住人的。
如图4.1.2所示。
图4.1.2温室平面图
4.1.3日光温室的立面设计
温室的立面设计分为正立面(南立面)、背立面(北立面)和侧立面(东立面、西立面),其分别如图4.1.3、4.1.4、4.1.5、4.1.6所示。
图4.1.3温室南立面图
图4.1.4温室北立面图
图4.1.5温室东立面图
图4.1.6温室西立面图
4.2日光温室的保温设计
4.2.1日光温室的热平衡
热量传递主要有三种形式:
传导、对流和辐射。
如果忽略水分的蒸发、蒸腾、凝结的潜热传热和作物生长所利用的热量,按照热平衡理论,日光温室所获得的太阳辐射能与损失热量之间的关系可用热平衡方程式表示。
(4-2-1)
式中:
Qr—投射到温室中的太阳辐射能,W,取Qr=69120W为早晨傍晚最低点;
Qt—温室维护结构的贯流放热量,W;
Qs—室内土壤的地中传热量,W;
Qv—温室的缝隙放热量,W。
当
时,温室内热量有结余,室温升高,反之则降低。
因此,尽量减少各种热损失。
4.2.2日光温室的传热——贯流放热计算
贯流放热计算公式:
(4-2-2)
式中:
Qt—贯流放热量,W;
F—维护结构面积,m2;
tn—室内气温,°C,取12°C;
tw—室外气温,°C,取-14°C;
K—贯流放热系数(即热传系数),W/(m2·°C)。
贯流放热系数计算公式:
(4-2-3)
式中:
αn—维护结构内表面的换热系数,通常取8.7W/(m2·°C);
αw—维护结构外表面的换热系数,通常取23.3W/(m2·°C);
Rj—维护结构第j层材料的热阻,(m2·°C)/W。
第j层为固体材料时,固体传热是导热过程,其计算公式:
(4-2-4)
式中:
δj—维护结构第j层材料的厚度,m;
λj—维护结构第j层材料的导热系数,W/(m2·°C)。
各墙体的计算过程分别为:
北墙的热阻为:
;
,北墙贯流放热系数为:
,北墙的贯流放热量为:
。
北坡的热阻为:
,北坡贯流放热系数为:
,北坡的贯流放热量为:
。
东、西墙的热阻各为:
,东西墙的贯流放热系数为:
,东、西墙的贯流放热量各为:
。
因此,其总的贯流放热量为:
。
4.2.3日光温室的传热——缝隙放热计算
缝隙放热又称冷风渗透放热,其计算公式:
(4-2-5)
式中:
Qv—缝隙放热量,W;
n—每小时换气次数,日光温室在密不通风是可按1.5次/小时计算;
V—日光温室体积,m3,取1600m2;
cp—空气的比热,KJ/(kg·°C),取1.01KJ/(kg·°C);
γ—室外空气的容重,kg/m3,取1.3kg/m3;
tn—室内气温,°C,取12°C;
tw—室外气温,°C,取-14°C;
3.6—单位换算的出的系数。
4.2.4日光温室的传热——土壤传导失热计算
土壤传导失热包括土壤上下层之间垂直方向的传热和水平方向的横向传热。
白天,地面得到的太阳辐射能中的大部分使地面升温,当地表层温度高于下层土温时,热量就以传导的方式传到下层土壤。
夜间,地面也没有太阳辐射,但却继续向室内空气辐射热量,下层土壤又向地表传热。
因此,土壤垂直方向交换的热量并不直接传到室外。
真正
传到室外的,是土壤中横向传导的那部份热量。
土壤传导失热量的计算公式:
(4-2-6)
式中:
Qs—土壤传热失热量,W;
Kd—各地带表面传热系数,W/(m2·°C);
Ad—各地带面积,m2。
地面传热第一地带:
;
地面传热第二地带:
;
地面传热第三地带:
;
地面传热第四地带:
;
地面传热总计:
因此,
,温室内有热量结余,室温可以升高。
4.3日光温室维护结构的保温设计
前坡除固定的塑料薄膜覆盖外,为加强夜间保温,要加活动的外保温覆盖物,如草帘、纸被及各种保温被。
由于前坡较薄,其保温性能只与热阻有关,因此,在可能的情况下,应尽量增加外保温被的热阻。
墙体和后坡较厚,通常由多层材料构成。
4.4日光温室的承重钢骨架设计
4.4.1计算简图
选择两铰拱式钢平面桁架作为计算简图,如图4.4.1所示。
图4.4.1桁架计算简图
日光温室钢平面桁架共分50个节点,97个单元,其节点、单元见图4.4.2。
图4.4.2桁架节点图
前坡后坡水平投影分别是11米和1米,脊高5米,后支座距地面3.9米。
采光面根据前述的优化结果作为上弦的外形,中部上下弦的垂直距离0.3米,由此确定下弦轮廓。
事先假设材料是45#钢,上弦用Φ30×2.0钢管,下弦用Φ20钢筋,用Φ12钢筋作腹杆,用E43型焊条焊接在连接板上。
为增加防锈能力,采用镀锌钢材,焊接后,去焊垢,节点镀锌破坏处刷防锈漆和银粉各两道。
以节点1为原点,x轴水平向右为正,y轴垂直向上为正,其节点坐标如图4.4.3。
4.4.2载荷计算
(1)所用载荷有:
永久载荷(恒载荷):
G。
可变载荷(活载荷):
雪载荷S;风载
荷W;作物载荷(吊重)V;外覆盖物重(前坡均布)K;卷放帘人重(屋脊集中)Q1;草帘卷重(屋脊集中)Q2;施工载荷(均布)q。
钢架自重计算:
按前述截面假设,根据图纸的用钢量(以40米为例),上弦用钢量为41×14.28m=585.48m,因此其质量是585.48m×1.38kg/m=808.0kg,下弦用钢量为41×13.85m=567.85m,因此其质量是567.85m×2.466kg/m=1400kg,腹杆用钢量为41×16.92m=693.72m,因此其用钢量是693.72m×0.888kg/m=616.1kg。
因此其总钢筋质量为2824kg,则单位水平投影面积用钢量为:
28.24kN/(40m×12m)=0.059kN/m2。
草帘重:
稻草容重1.2kN/m3,厚度按3.5cm计,考虑受潮因素增加20%重量,折成水平投影面积载荷时,应考虑前坡参考角α=24°,因此:
;
图4.4.3桁架节点坐标图
草帘卷重:
前坡水平投影长12米,骨架间距1米,则0.056×12×1=0.672kN;
屋脊操作人员重:
0.8kN;施工活动载:
0.7kN/m2;
作物载荷:
0.15kN/m2;基本风压:
0.4kN/m2;(垂直于屋面)
基本雪压:
0.3kN/m2,屋面积雪分布系数当α≤50°时,取μr=1;当α>50°时,取μr=0,以上弦节点7分界。
(2)永久载荷:
后坡:
钢架自重:
0.059×cos44°×1.2=0.051kN/m2,其中44°为后坡上弦仰角;
50mm厚松木板:
5×0.05×1.2=0.3kN/m2;
平均250mm厚保温材料:
0.08×0.25×1.2=0.024kN/m2,如矿棉、岩棉等;
一毡二油防水层:
0.3×1.2=0.36kN/m2;
合计:
0.73kN/m2;
前坡:
钢架自重:
0.059×1.2=0.071kN/m2。
(3)可变载荷:
草帘重0.056×1.2=0.068kN/m2作物载荷0.15×1.2=0.18kN/m2
草帘卷重0.672×1.2=0.81kN/m2屋脊人重0.8×1.4=1.12kN/m2
施工活载荷0.7×1.4=0.98kN/m2雪载荷0.3×1.4=0.42kN/m2
风载荷0.4×1.4=0.56kN/m2(垂直于屋面)
(4)载荷组合
由于30年一遇的风载荷和雪载荷不会同时发生,因此风载荷和雪载荷不同时组合;因为下雪时不施工,因此雪载荷和施工载荷不同时组合。
根据日光温室在施工阶段和使用阶段可能发生的情况,给出下列5种载荷组合,列于表4.4.1中。
表4.4.1计算桁架的载荷组合表
序号
载荷组合
发生情况
1
G+K+S+Q1+V
雪后人上屋顶操作
2
G+Q1+Q2+V
人站屋顶放草帘
3
G+Q1+K+WS+V
刮南风,人站屋顶卷草帘
4
G+Q1+Q2+WN+V
刮北风,人站屋顶卷草帘
5
G+q
施工时(设后坡已做完)
(5)各载荷组合下作用于节点上载荷设计值计算
为简化计算,假设各载荷均为作用于上弦点上的集中力,这样简化对钢桁架是允许的,对计算结果影响很小。
1)载荷组合1:
G+K+S+Q1+V
后坡各节点的集中力:
(后坡只有恒载荷和雪载荷)
P46=(0.73+0.42cos44°)×1×0.336=0.344kN
P48=(0.73+0.42cos44°)×1×0.817=0.837kN
对于P43节点,后坡载荷用P'表示:
P'43=(0.73+0.42cos44°)×1×0.418=0.428kN,其中1为骨架间距,0.336、0.817和0.418分别是后坡上弦各对应杆件长度,44°为后坡上弦仰角。
前坡均布线载荷:
(0.071+0.068+0.42+0.18)×1=0.739kN/m。
前坡各节点集中力:
为简化起见,设上弦每单元所受的均布力简化成集中力作用于带单元下部节点上,节点7以上开始计雪载荷及作物吊重,计算过程如下(式中载荷P的下标为节点编号,杆长l和倾角α的下标为单元编号,其长度和角度见表4.4.2)。
P3=(0.053+0.068)×1×l2cosα2=0.0199kN
P5=(0.053+0.068)×1×l3cosα3=0.0316kN
P7=0.739l4cosα4=0.200kN
P9=0.739l5cosα5=0.228kN
P11=0.739l6cosα6=0.253kN
表4.4.2部分杆件长度和角度
编号
l
α
2
0.267
52
3
0.414
51
4
0.423
49
5
0.454
46
6
0.472
42
7
0.516
37
8
0.538
32
9
0.577
29
10
0.588
27
11
0.599
24
12
0.666
22
13
0.664
20
14
0.730
18
15
0.783
14
16
0.864
12
17
0.713
10
18
0.677
8
19
0.608
5
20
0.655
3
21
0.628
2
单位:
长度
,角度
依次类推,最后将各载荷组合下的各节点载荷值汇总于表4.4.3。
屋脊人重:
用P"表示:
P"43=1.12kN。
因此,屋脊集中力:
P=0.428+1.12=1.548kN
2)载荷组合2:
G+Q1+Q2+V
后坡各点集中力(后坡只有恒载荷):
P46=0.73×1×0.336=0.243kN
P48=0.73×1×0.817=0.590kN
对于P43节点,后坡载荷用P'表示:
P'43=0.73×1×0.418=0.302kN。
前坡均布线载荷:
(0.071+0.18)×1=0.251kN/m。
节点3、5无吊重,节点7以上开始有吊重,因此前坡各节点集中力如下。
P3=0.071×1×l2cosα2=0.0087kN
P5=0.071×1×l3cosα3=0.0138kN
P7=0.25×1×l4cosα4=0.0647kN
其余计算方法依次类推,计算结果见表4.4.3。
屋脊人重和草帘重:
用P"表示:
P"43=1.12+0.418=1.538kN。
因此,屋脊集中力P=0.302+1.538=1.84kN。
3)载荷组合3:
G+Q1+K+WS+V
活载荷有Q1和WS,可变载荷组合系数为0.85。
刮南风时,风载荷体型系数μs=+0.6,北坡μs=-0.5。
风载荷是垂直于屋面的,与竖向载荷方向不同,因此各活载荷分别乘以组合系数。
屋脊人重为0.85×1.12=0.952kN,风载荷单独计算再与其余载荷叠加。
对于后坡,Wk=0.8μsW0,其中W0=0.4kN/m2,风载荷在后坡产生的均布线载荷(吸力)为0.8×(-0.5)×0.4×0.85×1.4×1=0.238kN/m,后坡上弦P46和P48节点的集中力分别为0.238×0.336=0.0800kN和0.2
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