CN111681121A - 一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法 - Google Patents

一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，计算带肩型单体钢架塑料大棚在最佳高跨比、最佳骨架钢管间距条件下的理论最大承载力；调查分析得出大棚承受的雪压与风压之和达到大棚理论最大承载力约30％有大棚倒塌，大棚倒塌率随风雪压之和增加而快速增加，大多数大棚风雪压承载力不足理论最大承载力的60％；以最佳高跨比理论承载力的60％、50％、40％、30％为基础，提出大棚风雪灾害预警综合指标，即：当极大风力在4级时，24小时降雪量达到大雪等级即可造成中度至重度灾害，暴雪可造成重度、特重灾害；当极大风力在5级时，小雪即可造成轻度灾害；大雪可造成重度至特重灾害。

Description

一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法
技术领域
本发明涉及农业气象预警预报服务、农业灾害保险技术、防灾救灾等领域，具体涉及一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法。
背景技术
带肩型单体钢架塑料大棚为组装式结构，建造方便，并可拆卸迁移，棚内空间大、农事作业方便，正常情况下大棚中无立柱支撑，近年来包括湖北在内的长江流域及其以南地区得到了广泛的应用。农用塑料大棚常年受到风雨雪侵蚀，如果风力较大或者雪量较多，那么棚体的钢架结构很可能承受不住风雪载荷，导致大棚变形或坍塌。
顾品军分析确定了设施大棚致灾(坍塌)的临界积雪深度为7～8cm；雷晓晖等通过有限元分析方法，对江浙地区的农用塑料大钢结构进行风载和雪载工况下的强度分析，理论计算了钢架结构所能承受的最大风速和最大积雪厚度；解恒燕分析得出钢拱单栋塑料大棚拱结构的极限承载力随着矢跨比的增加而增加，最佳矢跨比在0.3左右。
以上研究大都针对大棚所受风压、雪压的单要素研究，而大棚冬季垮塌往往受到风压、雪压的综合影响，但目前业内并没有一个用于确定带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，以解决上述背景技术中提出的目前业内并没有一个用于确定带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标方法的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，基于大棚承载力的定量分析及其倒塌成因分析，提出了不同风力条件下的大棚降雪量灾害等级，其指标确定方法如下：
(1)计算带肩型单体钢架塑料大棚在最佳高跨比、最佳骨架钢管间距条件下的理论最大承载力；
(2)调查分析得出大棚承受的雪压与风压之和达到大棚理论最大承载力约30％有大棚倒塌，大棚倒塌率随风雪压之和增加而快速增加，大多数大棚风雪压承载力不足理论最大承载力的60％；
(3)调查分析发现建筑用材不足、施工质量、农田环境、长时间风雨侵蚀作用等也是影响大棚承载力不足的主要因素。基于以上分析，提出大棚风雪灾害预警综合指标。
进一步地，所述的大棚风雪灾害预警综合指标适用于带肩型单体钢架塑料大棚，棚架材料以镀锌钢管GP-C825(∮25mm×1.5mm)、GP-C622(∮22mm×1.2mm)两种型号材料为主，配大棚的拱杆、纵向拉杆、端头立柱均为薄壁钢管,尺寸以跨度6～9米，长32～50米，顶高2.8～3.1m，肩高1.6～1.8m，骨架钢管间距为0.7～0.8m为主体。
进一步地，在搭建大棚的钢管材料、周边环境及施工质量等一定的情况下，一定范围内，带肩型单体钢架塑料大棚的理论最大承载力随着高跨比的增加而升高,随钢管骨架间距增加而降低。
进一步地，根据大量大棚倒塌时所受雪压和风压分析计算，分析得出垮塌大棚承受的雪压与风压之和为以现有钢管大棚最佳高跨比理论最大承载力的30％～80％。
经过本发明的方法分析得出，大多数大棚风雪压承载力不足理论最大承载力的60％。以最佳高跨比理论承载力的60％、50％、40％、30％为基础的不同风力条件下的大棚致灾降雪量等级指标。当极大风力在4级时，24小时的降雪量达到大雪等级即可造成中度至重度灾害，暴雪可造成重度、特重灾害；当极大风力在5级时，小雪即可造成轻度灾害；大雪可造成重度至特重灾害。
(三)有益效果
与现有技术相比，采用上述技术方案后，本发明有益效果为：
在搭建大棚的钢管材料、周边环境及施工质量等一定的情况下，考虑雪压、风压对大棚的影响，分析得出大棚承受的雪压与风压之和达到大棚理论最大承载力约30％有大棚倒塌；大棚倒塌率随风雪压之和增加而快速增加，大多数大棚风雪压承载力不足理论最大承载力的60％。由此，提出大棚风雪灾害预警综合指标，用于气象灾害预警发布；或作为冬季大棚气象保险指数，用于风雪灾害后保险理赔科学依据等。
附图说明
图1是本发明所提供的实施例中带肩型单体钢架塑料大棚单拱结构示意图；
图2是本发明所提供的实施例中大棚单拱约束及受力示意图；
图3是本发明所提供的实施例中拱结构极限承载力与高跨比曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，本发明提供的一种实施例：一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，基于大棚倒塌率随风雪压之和与大棚理论最大承载力之比关系变化，提出了不同风力条件下的大棚降雪量灾害等级，其指标确定方法如下：
(1)计算带肩型单体钢架塑料大棚在最佳高跨比、最佳骨架钢管间距条件下的理论极限承载力；
(2)调查分析得出棚承受的雪压与风压之和达到大棚理论最大承载力约30％有大棚倒塌，大棚倒塌率随风雪压之和增加而快速增加，大多数大棚风雪压承载力不足理论最大承载力的60％；
(3)调查分析发现建筑用材、施工质量、农田环境、长时间风雨侵蚀作用等也是影响大棚承载力的因素。基于以上分析，提出大棚风雪灾害预警综合指标。
所述的大棚风雪灾害预警综合指标适用于带肩型单体钢架塑料大棚，其单拱结构请参阅图1，棚架材料以镀锌钢管GP-C825(∮25mm×1.5mm)、GP-C622(∮22mm×1.2mm)两种型号材料为主，配大棚的拱杆、纵向拉杆、端头立柱均为薄壁钢管,尺寸以跨度(图1中L)6～9米，长32～50米，顶高2.8～3.1m(图1中H)，肩高1.6～1.8m(图1中h)，骨架钢管间距为0.7～0.8m为主体。在搭建大棚的钢管材料、周边环境及施工质量等一定的情况下，一定范围内，带肩型单体钢架塑料大棚的理论极限承载力随着高跨比的增加而升高,随钢管骨架间距增加而降低。根据大量大棚垮塌时所受雪压和风压分析计算，调查统计分析得出垮塌大棚承受的雪压与最大风压之和接近于以现有钢管大棚最佳高跨比理论承载力的60％左右。
影响大棚承载能力的因素包括搭建大棚的钢管材料、大棚高跨比、钢管骨架间距、农田环境、长时间风雨侵蚀作用、及施工质量的好坏等等。统计分析得出大棚承受的雪压与风压之和达到大棚理论最大承载力约30％有大棚倒塌，大棚倒塌率随风雪压之和增加而快速增加，大多数大棚风雪压承载力不足理论最大承载力的60％。，据此，提出大棚风雪灾害预警综合指标。
1.雪压对大棚的影响
(1)大棚实际雪压
根据大棚拱架受力分析，雪压的大小表达式为：
Fsnow＝0.098·μ·ρsnow·hsnow (1)
式中Fsnow为雪压，单位N/m3，hsnow为积雪深，单位cm；ρsnow为积雪比重,单位kg/m3；μ称为大棚顶部积雪分布系数，一般而言它的大小与大棚形状有关，对拱形屋面分布状态，武汉及周边地区10年前μ＝0.6。但此次雪灾后对湖北多数地区大棚高度与跨度实际调查测量，并根据《中国建筑结构荷载规范》计算，μ值在0.80以上，高跨比≤0.22大棚，其μ值接近1.0。
(2)大棚雪压承受力
研究表明拱形大棚承受力受拱形高跨比有很大关系(请参阅图1)。高跨比的计算式如下：
k＝f/L＝(H-h)/L (2)
式(2)中k为高跨比；H为大棚顶高；h大棚肩高；f为拱高；L为大棚跨度。以GP-C825型材料为例，采用有限元分析软件ANSYS模拟计算塑料大棚的极限承载力曲线变化(请参阅图3)。从图中可以看出,拱结构的极限荷载随着高跨比的增加而升高,高跨比由0.2增加到0.3,其荷载能力增加19％；当高跨比增加到0.3时，抗雪荷载能力为207N/m，如以骨架钢管间距0.75m为基准，即大棚的抗雪荷载能力为275N/m2；且之后荷载曲线趋于平缓；当大于0.3后棚面较为陡峭，风荷载加大；因此一般认为高跨比为0.3最佳。以跨度为8米大棚为例，高跨比由0.2升高到0.3，其大棚单边单钢管材料长度将增加0.6m左右。高跨比的增加必然带来材料成本的增加，调查中发现，湖北设施大棚高跨比大多数低于0.22。
骨架钢管间距是影响大棚承载力的另一重要因素。当积雪深度一定时，每根钢管上承受积雪压力与钢管间的距离成正比。换言之，钢管间距增加或缩小可以降低或提升大棚的承载雪压能力。一般而言骨架钢管间距设计为0.6～0.7m较为合理。但调查中湖北大棚钢管间距多数在0.75～0.8m之间。由此可见骨架钢管间距过大，降低抗雪灾能力。
2.风压对大棚垮塌影响
风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风－压关系，风的动压为
Fw＝0.5·ρ·v2 (3)
其中Fw为风压，单位：N/m2；ρ为空气密度，单位：kg/m3；v为风速，单位：m/s。
此式为标准风压公式。在标准状态下(气压为1013hPa,温度为15℃,空气密度ρ＝1.25kg/m3。由此得到：
Fw＝0.625·v2 (4)
式(3)为用风速估计风压的通用公式。利用式(4)对各地的进行简单计算，其降雪伴随的风力对大棚产生的风压，发现与雪压相比，它们相对较小，但对大棚产生的压力不能被忽视，如湖北2018年1月初、末两次雨雪过程，及2018年12月底鄂东雨雪天气过程产生的风压为雪压30％以上。由此可见在湖北、乃至长江中下游地区降雪过程对设施大棚而言，不是单纯的雪灾，均属于风雪混合型气象灾害。
3.大棚风雪灾害预警综合指标确定
影响大棚承载能力的因素包括搭建大棚的钢管材料、大棚高跨比、钢管骨架间距、高温高湿环境对材料的腐蚀、及施工质量的好坏等等。对大棚大量垮塌时大棚所受雪压和风压分析计算，大棚承受的雪压与风压之和接近于以现有钢管大棚最佳高跨比理论承载力的60％左右。因此本发明以最佳高跨比理论承载力的30％、40％、50％、60％为基础提出了湖北大棚的不同风力条件下不同等级的雪灾预警气象指标依据，转化为降雪量和风力指标，表中1～4级分别对应轻、中、重、特重4个等级。
表1不同风力条件下大棚致灾降雪量等级指标(单位:mm)
Figure BDA0002475044520000071
对照表1与《降水量等级》，可以看出，当风力在4级时，24小时的降雪量达到大雪等级即可造成中度至重度灾害，暴雪可造成重度、特重灾害；当风力在5级时，小雪即可造成轻度灾害；大雪可造成重度至特重灾害。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，其特征在于，基于大棚承载力定量分析及其倒塌成因调查分析，提出了不同风力条件下的大棚降雪量灾害等级，其指标确定方法如下：
(1)计算带肩型单体钢架塑料大棚在最佳高跨比、最佳骨架钢管间距条件下的理论最大承载力；
(2)调查分析了大棚承受的雪压与风压之和达到大棚理论最大承载力30％有大棚倒塌，大棚倒塌率随风雪压之和增加而快速增加，大多数大棚风雪压承载力不足理论最大承载力的60％；
(3)调查分析发现建筑用材、施工质量、农田环境、长时间风雨侵蚀作用也是影响大棚承载力的因素；
基于以上分析，提出大棚风雪灾害预警综合指标。
2.根据权利要求1所述的一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，其特征在于，所述的大棚风雪灾害预警综合指标适用于带肩型单体钢架塑料大棚，棚架材料以镀锌钢管GP-C825、GP-C622两种型号材料为主，配大棚的拱杆、纵向拉杆、端头立柱均为薄壁钢管,尺寸以跨度6～9米，长32～50米，顶高2.8～3.1m，肩高1.6～1.8m，骨架钢管间距为0.7～0.8m为主体。
3.根据权利要求1所述的一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，其特征在于，带肩型单体钢架塑料大棚的理论最大承载力随着高跨比的增加而升高,随钢管骨架间距增加而降低。
4.根据权利要求1所述的一种带肩型单体钢架大棚风雪灾害预警综合指标确定方法，其特征在于，根据大量大棚垮塌时所受雪压和风压分析计算，分析得出垮塌大棚承受的雪压与风压之和为以现有钢管大棚最佳高跨比理论最大承载力的30％～80％。
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