三连拱温室风雪荷载结构计算与设计优化

三连拱温室是一种采用1个主架和4个次架相间排列结构形式的拱形屋面建筑，广泛应用于农业设施。该结构在风、雪荷载作用下的受力计算与结构设计存在多个技术难点，包括积雪分布因数、风压体型因数、附加风压力等规范中缺少的参数确定，以及多连拱屋面优良拱轴线选择。本文通过详细的计算模型分析，为三连拱温室的安全高效设计提供了理论依据。

三连拱温室计算模型建立

结构特点与模型划分

三连拱温室由主拱架和次拱架相间排列，形成稳定的空间结构体系。受雪载或横向风载（风向垂直于温室纵向）作用时，通过对称面取半处理，将复杂的三维结构简化为1/4计算模型，包含关键的受力截面与支承点。结构中m-n和n-n截面之间含有两个对称面（x-x和y-y），利用对称性将计算规模减少，便于建立有限元分析模型。

主要材料与截面规格

• 主拱架：矩形钢管60×40×2.75
• 次拱架：薄壁钢管Φ22×1.2
• 纵杆（27-30、59-62、72-75和76-79）：钢管Φ30×1.8
• 其余纵杆：钢管Φ22×1.2
• 水平拉杆单元：Φ18×1.0（风载作用时受压易失稳，计算中不计入）

风雪荷载确定方法

积雪荷载计算

拱型屋面水平投影面上的雪压标准值按下式计算：pn = μ₄p₂φn，式中pm为标准雪压，μ₄为屋面积雪分布因数，φn为基本雪压。对于北京地区，基本雪压取φn = 0.30kPa。

多连拱温室的积雪分布因数由双跨情况推广得出，当矢跨比f/l > 0.1时，需同时考虑均布和不均布两种情况。不均布情况下的积雪分布因数μ₄取决于坡屋面与水平面的夹角α。本工程中温室α = 26.56°，插值计算得μ₄ = 0.98。将标准雪压化为拱架的线载荷后，得到各部位的实际雪载数值。

风荷载计算

垂直于温室外表面上的标准风压为pxn = β·μA·μn·pwu，式中：

• β为风振因数，温室取β = 1
• μA为风压高度变化因数，温室属B类地区，按公式μA = (H/hr)^(2α′)×(350/150)^0.18计算
• μn为风压体型因数，对三连拱形屋面，按《温室结构技术条件》取值
• pwu为基本风压，北京地区取pwu = 0.35kPa

对于高度为3.8m的温室顶部，风压高度变化因数μA = 0.734；侧墙高H = 2.3m时，μA = 0.625。风压不仅作用在温室外表面，还会对室内空气压力产生影响，形成附加风压力，取值为室顶高处风压的1/5。

荷载组合与安全等级

荷载分类与组合规则

温室安全等级取二级，结构重要性因数取1。按冷弯型薄壁钢结构的设计要求，考虑承载能力极限状态下的基本组合。永久荷载分项因数为1.2（有利时1.0），可变荷载分项因数为1.4。当有2个或2个以上可变荷载参与组合且包括风载时，可变荷载的组合因数取0.85；其他情况取1.0。

控制性荷载组合

温室应考虑的载荷包括：永久载荷（自重），可变载荷（雪载、风载、附加风压力、附加风吸力、作物吊重荷载0.15kPa水平均布）。根据规范，雪载和风载不应同时参与组合。计算得出的控制性荷载组合为：

• 组合1：自重 + 0.85×(1.4×风载 + 1.4×附加风压力)
• 组合2：1.2×自重 + (1.4×雪载 + 1.4×作物吊重荷载)

结构计算结果分析

风载作用下的受力特性

在第1种组合荷载（风载）作用下，左半结构最大水平位移为2.3cm（结点75处），最大竖向位移为1.9cm（结点52处）。迎风一侧的72-75纵杆受力最严重，单元⑧首端结点72处的最大应力为189.9MPa，小于设计强度205.0MPa。风载作用时主架的内力远大于次架，说明主架在抗风中起主要作用。次架2离主架较远，其内力和位移比次架1大。

雪载作用下的受力特性

在第2种组合荷载（雪载）作用下，最大水平位移为0.7cm（结点39处），最大竖向位移为0.9cm。拱架中较大内力分量为弯矩M和轴力N，受力严重的天沟处两侧纵杆的内力分量为M和Mz。单元⑧首端结点40处的最大应力为123.3MPa。雪载作用下，拱轴线形状对结构内力影响较大。

结构受力特性与设计建议

主次架协同工作机制

• 主架在抗载中起主要作用，各次架所起作用各不相同
• 纵杆在纵向联接主架和次架，同时承担重要的承力作用
• 主架通过迎风一侧的3根纵杆支承次架，提高次架抗载能力
• 次架2离主架较远，内力和位移比次架1大
• 受风载时边跨拱肩部结点处弯矩存在较大差值，纵杆受有较大的扭矩

拱轴线形状的影响

受雪载时，拱轴线形状对结构内力影响较大。当拱轴为抛物线时，在积雪不均布情况下的最大应力为91.3MPa（结点25处）；当拱轴为圆弧线时，最大应力为197.4MPa（结点39处），相差1倍。原因是对于主要水平均布的雪载，抛物线接近合理拱轴线，拱架弯矩较小。在风载作用下，两种拱轴形状的最大应力分别为189.9和192.6MPa，相差较小。因此温室拱轴线形状可主要根据雪载要求设计。

风雪荷载的相对影响

当基本雪压为0.50kPa时，本温室最大应力为200.2MPa，与基本风压为0.35kPa时相近。由于结构处在弹性工作区，推断在合理选择拱轴线的条件下，当基本雪压约为基本风压的1.4倍时，风载和雪载作用下的应力水平接近相同。即当基本雪压比基本风压大过40%时，温室结构的最大应力才根据雪压决定。根据全国基本风压和基本雪压分布图，只有东北东部和新疆北部个别地区的风压符合这种情况，因此对我国绝大部分地区，多连拱温室结构的应力水平一般应根据风载确定。

结构优化设计建议

材料合理利用

• 边跨拱架外侧立柱和3条纵杆，特别是迎风一侧的立柱和纵杆，所受的力远大于内部各立柱和纵杆
• 立柱和纵杆的设计可采用不同的横截面规格，以节省材料
• 迎风一侧的构件应采用较大截面，背风侧可适当减小截面

设计流程建议

• 首先根据积雪条件选择合理的拱轴线形状，抛物线拱对雪载作用更有利
• 然后按照风载荷载组合进行强度设计
• 验证在雪载组合下的应力水平是否满足要求
• 对于主要受风载控制的地区，可简化设计流程，直接按风载确定结构强度

常见问题

三连拱温室应该优先考虑风载还是雪载？

在我国绝大部分地区，应优先考虑风载。只有当基本雪压比基本风压大过40%，即基本雪压约为基本风压的1.4倍时，结构的最大应力才根据雪压决定。东北东部和新疆北部是少数需要优先考虑雪载的地区。

如何选择优良的拱轴线形状？

拱轴线形状应主要根据雪载设计。当采用抛物线拱时，相比圆弧线拱能显著降低在积雪不均布情况下的应力，最大可降低50%。在风载作用下两种形状的应力差异较小，因此抛物线拱是更优选择。

纵杆的作用是否可以忽视？

绝不可以。纵杆在纵向联接主架和次架，同时承担重要的承力作用。主架通过纵杆向次架传递荷载，特别是迎风一侧的3根纵杆承受很大的扭矩和弯矩，是保证整体结构稳定的关键构件。

小结

三连拱温室的结构设计涉及复杂的风雪荷载计算和荷载组合，江苏杰达钢结构工程有限公司在此类农业设施建筑的设计与施工中具有丰富经验。通过建立科学的计算模型、正确确定各项荷载参数、合理选择拱轴线形状和进行优化设计，可以有效降低造价，提高结构安全性和经济性。如需获取三连拱或多连拱温室的设计方案、结构计算书或施工指导文件，欢迎与我们联系。

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