《Agriculture》：Multilevel Stability and Load-Transfer Behaviour of a Large-Span Chinese Solar Greenhouse Under Non-Uniform Snow Loading and As-Built Joint Conditions
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大跨度日光温室的稳定性不仅取决于雪荷载分布，还取决于支撑连续性和实测节点的渐进啮合。为区分这些效应，本研究采用多层次研究方法，结合几何与材料非线性框架分析、足尺顺序挂载试验（full-scale sequential hanging-load test）与壳模
大跨度日光温室的稳定性不仅取决于雪荷载分布，还取决于支撑连续性和实测节点的渐进啮合。为区分这些效应，本研究采用多层次研究方法，结合几何与材料非线性框架分析、足尺顺序挂载试验（full-scale sequential hanging-load test）与壳模型对比，以及设计基准节点和实测节点（as-built joints）的精细化实体建模。这三个层次互为补充但在力学上不耦合。研究人员分析了四种全局工况：有支撑均匀（supported-uniform, SU）、有支撑非均匀（supported-non-uniform, SN）、无支撑均匀（unsupported-uniform, UU）和无支撑非均匀（unsupported-non-uniform, UN）。其极限总竖向荷载分别为12.336、11.594、2.592和2.069 kN。非均匀雪荷载使有支撑框架的极限荷载降低6.0%，使无支撑框架降低20.2%；而移除中间柱在均匀雪荷载下使承载力降低79.0%，在非均匀雪荷载下降低82.2%。对于SN工况，将初始缺陷幅值从L/2000增至L/1000仅使极限荷载降低0.285%，表明在所研究的幅值范围内，主要承载力层级对该参数不敏感。壳模型再现了实测应变符号和主要加载趋势。在最终40 kg状态下，绝对应变差值为0.091至0.931 με，而序列级均方根误差（root mean square errors, RMSE）范围为1.289至6.361 με，表明在某些中间加载阶段存在较大的路径依赖偏差。精细化实测节点模型显示柱顶与纵向构件间隙逐渐闭合，插值得到的接触起始荷载约为129.7 N，并在下一个预设荷载149.4 N处出现非零法向接触压力。在基准截断边界条件下，模拟的柱反力份额在1000 N时增至87.8%；替代弹簧边界产生的份额为93.9%–97.4%，表明精确值依赖于边界条件，而渐进啮合机制保持一致。总体而言，支撑连续性主导了所研究框架的稳定承载力，而实测间隙和接触条件控制了局部支撑路径的延迟动员。局部节点结果用于机理解释，未传播至全局极限承载力计算。
大跨度日光温室在非均匀雪荷载与实测节点条件下的多层次稳定性与荷载传递行为研究解读
研究背景与问题提出
中国日光温室广泛用于北方及过渡气候区的保护地栽培。增大结构跨度可改善机械通行和可用生产空间，但也延长了无支撑拱段长度，增加了对中间柱、纵向构件和装配式节点的依赖。由于此类结构轻质细长，其响应可能由几何非线性和约束丧失主导，而非材料屈服。雪荷载尤为重要，因其在曲面温室屋面上的分布具有固有空间变异性。屋面几何形状、风效应和雪滑移可能产生强烈非均匀累积模式，已有研究表明这种分布会改变内力分布并降低温室框架的稳定储备。此外，结构稳定性还受初始几何缺陷、构件配置、柱位和侧向约束等因素影响。然而，以往研究通常分别考察雪荷载分布、支撑布置和连接行为，难以在同一结构体系中区分它们的相对贡献。中间柱的稳定贡献进一步取决于其柱顶连接能否有效传递屋面荷载至支撑。温室夹具和交叉连接表现出半刚性行为，而现场安装可能引入构件偏心、螺栓孔间隙、初始间隙和变化的接触关系。因此，理想化的支撑和连接假设会影响有限元预测结果。为解决上述局限性，本研究采用多层次分析框架，旨在：（1）量化雪荷载非均匀性与支撑连续性对全局稳定的相对影响；（2）评估壳模型再现实测局部应变响应的能力；（3）阐明实测节点条件如何影响中间柱荷载传递路径的渐进动员。
主要关键技术方法
研究人员采用三种互补但不耦合的分析方法。第一，代表性框架模型基于BEAM188单元在ANSYS Mechanical 2022 R2中建立，采用弧长法进行几何与材料非线性分析，考虑L/1500初始几何缺陷，通过线性平移弹簧模拟纵向体系提供的面外约束，分析四种工况：有支撑均匀（SU）、有支撑非均匀（SN）、无支撑均匀（UU）和无支撑非均匀（UN）。第二，在江苏省连云港市新坝镇一座2023年建成的实际温室上进行足尺顺序挂载试验，沿前屋面主拱设置9个挂点（P1–P9），逐级施加20、40和60 kg砂袋荷载，在柱顶区、柱底区、拱脚区和跨中区布设4个纵向应变片（S1–S4），并与SHELL181壳单元模型的数值结果对比验证。第三，采用SOLID186和SOLID187单元建立设计基准和实测两种精细化实体节点模型，再现了约50 mm的主拱-柱中心线偏心、约2–3 mm的柱顶-纵向构件初始间隙、M12螺栓与13 mm孔径形成的1.0 mm直径间隙等实测几何特征，通过接触分析和渐进加载研究间隙闭合与接触激活过程。
研究结果
3.1 非均匀雪荷载与失去柱支撑下的稳定性
非线性分析表明，中间柱为前屋面拱体系提供了显著约束。在基线初始缺陷幅值L/1500下，SU、SN、UU和UN工况的极限总竖向荷载分别为12.336、11.594、2.592和2.069 kN。对于有支撑构型，雪荷载分布从均匀变为非均匀使极限荷载降低6.0%，而对于无支撑构型相应降幅达20.2%。移除中间柱在均匀雪荷载下使极限荷载降低79.0%，在非均匀雪荷载下降低82.2%。这表明支撑连续性主导了所研究框架的稳定承载力，且中间柱的缺失显著增强了框架对非均匀雪荷载的相对敏感性。缺陷敏感性分析显示，当缺陷幅值从L/2000增至L/1000时，SN工况极限荷载仅下降0.285%，证实关于支撑连续性主导作用和非均匀雪荷载不利影响的结论对基线L/1500假设是稳健的。
3.2 现场应变验证
在20和40 kg控制加载阶段，S1接近零，S2发展压应变，S3积累拉应变，S4保持以压为主。壳模型再现了所有四个测点的应变符号和主要趋势。在最终40 kg累计状态，S1–S4的模拟应变分别为?3.861、?51.330、114.120和?41.548 με，对应实测稳定值为?2.930、?51.717、113.745和?41.457 με，绝对差值范围为0.091至0.931 με。20 kg阶段的RMSE在S1–S4分别为2.326、5.158、6.024和4.854 με，40 kg阶段对应值为1.289、3.491、6.361和5.409 με。S3和S4的中间步骤偏差较大，与壳模型中未显式表示的加载顺序、装配调整和接触或滑移机制的敏感性一致。60 kg阶段因部分挂重触地导致有效输入荷载不确定，仅保留作为定性证据。
3.3 实测支撑路径的渐进激活
在实测实体模型中，竖向反应平衡满足至0.013 N以内。在74.7 N时，柱底竖向反力基本为零，两个纵向杆端各承担约50%荷载。柱份额在149.4 N增至19.7%，在597.5 N增至79.7%，在1000 N增至87.8%，仅剩12.2%由两个杆端共同承担。这种再分配对应于柱顶-纵向构件界面的渐进接触激活。最接近点剩余间隙从0 N时的约2.3 mm持续减小，在插值荷载约129.7 N处达到零，表明界面初始闭合。在随后的预设荷载149.4 N处，非零法向接触压力的发展确认了有效承压的建立和柱支撑荷载传递路径的初步激活。
3.4 设计基准与实测节点响应对比
两种节点构型在共同荷载范围内表现出不同的变形机制。在设计基准节点中，柱顶支撑的最大X方向位移从0.0382 mm逐渐增至0.2325 mm（至597.5 N）。在实测模型中，夹具平均竖向位移在74.7 N时已达?1.4367 mm，在149.4 N时为?2.3133 mm，随后在597.5 N时仅略变为?2.4173 mm，表明早期运动主要为拱-夹具子系统相对于柱顶支撑的位置调整。应力再分配也存在显著差异：设计基准节点中Bolt 2保持控制地位，597.5 N时区域平均应力为9.375 MPa；实测节点中Bolt 1成为控制螺栓，平均应力为4.772 MPa。摩擦系数从0.10增至0.30时，最大和平均接触压力变化小于2%，而最大和平均滑移减少约45–47%。螺栓预紧力在50–150 N范围内变化对主接触响应影响极小。在1000 N时，柱底竖向反力份额在基线远程位移边界条件下为87.8%，改用弹簧边界后增至93.9%–97.4%，表明精确值依赖于边界表示，但所有三种边界情况均再现了柱路径在高荷载下的渐进啮合。
讨论与结论
研究人员指出，框架尺度结果建立了雪荷载分布与支撑连续性之间的明确层级关系：支撑连续性对16 m跨度原型起主导控制作用，其丧失也放大了雪荷载非均匀性的相对不利影响。现场和节点结果解释了支撑路径如何被动员：壳模型在最终状态具有良好的应变预测精度，但中间步骤偏差表明成员级壳模型无法完全解析路径依赖性；实测节点模型揭示了从间隙闭合到接触激活再到柱份额逐步增加的渐进过程，预紧力和摩擦敏感性研究表明法向荷载传递机制对这些参数不敏感，而截断边界表示影响精确荷载分担比但渐进柱路径啮合在所有边界情况下均出现。
研究结论包括：（1）支撑连续性对全局稳定承载力的影响大于雪荷载均匀性变化，缺陷敏感性分析证实四工况比较对缺陷幅值范围不敏感；（2）壳模型再现了实测局部表面应变的符号和主要趋势，最终40 kg状态最大绝对差值为0.931 με，此一致性应视为局部应变传递响应的验证而非全局屈曲承载力的验证；（3）实测节点表现出中间柱荷载传递路径的渐进激活，柱份额从约0%（74.7 N）增至87.8%（1000 N），不同边界条件均再现了高荷载下柱路径的渐进啮合；（4）设计基准与实测节点模型表现出不同的局部应力传递模式，控制螺栓发生变化，预紧力对主接触响应影响很小，摩擦系数对法向接触压力影响有限但显著影响局部滑移；（5）支撑连续性应作为有效荷载传递条件进行评估，而非仅凭中间柱的几何存在，冬季检查和施工质量控制应关注非对称积雪、柱对齐、拱-柱偏心、过大间隙、螺栓就位和纵向构件与柱顶支撑的有效接触。
