河北省蔬菜設(shè)施常見類型有日光溫室、連棟溫室和塑料大棚。連棟溫室目前大多用于育苗及高檔果菜類的栽培、技術(shù)示范、旅游觀光等，主要分布于大中城市的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)，不適合在河北省大面積推廣應(yīng)用。

塑料大棚面積在河北省設(shè)施面積中排名第二，常用的多為單拱棚，骨架大多為水泥竹木混合結(jié)構(gòu)或竹木鋼管混合結(jié)構(gòu)，因其造價低、裝拆方便，深受農(nóng)戶青睞，但塑料大棚空間小，不利于機械化操作。

筆者研制了輕簡型連棟塑料大棚，該棚室是在連棟塑料大棚的基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)和和骨架進行了簡化改造設(shè)計而成。在節(jié)省材料降低經(jīng)濟成本的同時，利用MIDAS GEN對輕簡型連棟塑料大棚進行了結(jié)構(gòu)受力分析，并提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。使得設(shè)計優(yōu)化的輕簡型連棟塑料大棚既克服了塑料大棚空間小、不利于機械化操作的缺點，又較連棟塑料大棚降低了建造成本。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)

輕簡連棟雙膜塑料大棚單棟剖面圖見圖1。南北走向，東西排跨，總面積1760m2，南北長44m、東西寬40m，棟數(shù)5連棟，棟寬8m，開間寬4m，天溝處檐高2.0m，骨架脊高3.8m，天溝采用雙端排水，坡度為5‰。

圖1 輕簡連棟雙膜塑料大棚單棟剖面

1.2基礎(chǔ)

采用獨立基礎(chǔ)?；A(chǔ)按天溝方向雙向找坡5‰。

1.3骨架

包括立柱、腹桿、側(cè)托管、縱拉桿和天溝。立柱由主立柱和山墻副立柱組成，主立柱60mm×60mm×2.0mm矩形熱鍍鋅鋼管，間距4.0m；山墻副立柱32mm×1.8mm熱鍍鋅鋼管，間距1.0m。拱桿32mm×1.5mm熱鍍鋅鋼管，間距1.0m，腹桿25mm×1.5mm 熱鍍鋅鋼管。側(cè)托管采用40mm×40mm×2.0mm矩形熱鍍鋅鋼管?？v拉桿為25mm×1.4mm熱鍍鋅鋼管，每拱3道。天溝采用2.0mm的鍍鋅鋼板。聯(lián)接均采用螺栓和自攻螺絲聯(lián)接。

骨架安裝：首先進行立柱與預(yù)埋件的焊接，立柱間頂部用天溝連接，拱架搭接在天溝上面，縱拉桿與外拱骨架采用彈簧卡連接，排風(fēng)口處固定卡槽。

2輕簡型連棟塑料大棚結(jié)構(gòu)受力分析

2.1有限元模型建立

在有限元軟件MIDAS GEN中進行建模分析。結(jié)構(gòu)骨架全部采用具有六自由度的一般梁單元，不考慮剪切變形。材料選擇Q235鋼材；覆蓋在大棚上的薄膜采用板單元模擬，方便模型中面荷載的施加，板單元容重值設(shè)置為0，使模型簡化處理不計入薄膜自重。

模型中的邊界條件采用一般支撐模擬，大棚基礎(chǔ)頂部預(yù)埋鋼板與上部鋼柱焊接，約束立柱底部節(jié)點的所有局部方向，按固定端約束條件施加。

大棚結(jié)構(gòu)條形基礎(chǔ)及獨立基礎(chǔ)按天溝方向雙向找坡5‰，其對結(jié)構(gòu)整體受力計算影響不大，因此模型中簡化處理，按統(tǒng)一標(biāo)高建模。

大棚結(jié)構(gòu)的整體尺寸圖、三維模型圖、主立柱截面、副立柱截面分別見圖2~5。

圖2 輕簡連棟塑料大棚結(jié)構(gòu)整體尺寸

圖3 輕簡連棟塑料大棚三維模型

圖4 輕簡連棟塑料大棚結(jié)構(gòu)主立柱截面

圖5 輕簡連棟塑料大棚副立柱截面

2.2荷載的確定

大棚結(jié)構(gòu)荷載的正確分析和計算是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性、耐久性、經(jīng)濟性要求的重要保證。根據(jù)國家現(xiàn)行的溫室結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計規(guī)范《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBT 51183—2016），并參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）等相關(guān)資料，對大棚結(jié)構(gòu)的荷載進行確定。

恒載：輕簡型連棟塑料大棚的恒荷載主要為大棚鋼骨架的自重，添加自重靜力荷載工況，施加方向z軸向下，自重系數(shù)輸入-1，軟件則自動計入結(jié)構(gòu)自重。

活載：本大棚活荷載包括屋面均布荷載，作物吊載，以及施工檢修荷載。根據(jù)規(guī)范《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBT 51183—2016），屋面均布活荷載取0.1kN/m2；作物吊載是由于栽培作物需要，吊掛在日光溫室鋼骨架上的作物對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件施加的荷載，其荷載大小與作物的種類、作物的栽培方式、作物的吊掛形式等有密切關(guān)系，作物吊載取0.15kN/m2；施工檢修集中荷載取1.0kN，作用在結(jié)構(gòu)最不利位置。

風(fēng)荷載：根據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBT 51183—2016）確定風(fēng)荷載?；撅L(fēng)壓取0.5kN/m2；此大棚屬于非高層建筑，應(yīng)采用風(fēng)振體型系數(shù)來考慮風(fēng)壓脈動的影響，風(fēng)振系數(shù)βz取值1.0；風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz參考規(guī)范進行差值確定μz=0.742，其中地面的粗糙度類別取B類；溫室的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs與建筑物的體型、尺寸以及所在地風(fēng)向情況有關(guān)，對于多跨連棟拱形屋面，依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》來確定結(jié)構(gòu)各個部位的μs值。

雪荷載：根據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBT 51183—2016）確定雪荷載。大棚屋面積雪分布系數(shù)參考《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。在實際情況中，兩拱之間的凹陷區(qū)域易積雪，雪荷載在棚頂呈不均勻分布，因此需要考慮雪荷載均勻分布和不均勻分布兩種加載情況。

綜上所述，各荷載類別的取值以及分布情況見表1。

2.3荷載組合

荷載組合時需要確定荷載分項系數(shù)及可變荷載組合值系數(shù)。對于永久荷載，當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，荷載分項系數(shù)取1.2，可變荷載取1.40；當(dāng)有2個或2個以上的，可變荷載參與組合且其中包括風(fēng)荷載時，可變荷載組合值系數(shù)取0.85，其他情況下取1.0。

拱形溫室的屋面所承受到的風(fēng)荷載基本上屬于風(fēng)吸力，對結(jié)構(gòu)承載雪荷載是有利的，因此雪荷載和風(fēng)荷載不同時參與荷載組合；屋面均布活荷載與雪荷載取二者中的較大值計入，不同時組合；棚頂覆蓋材料抵抗荷載的能力較低，而且大棚骨架整體剛度一般不大，因此對大棚對風(fēng)雪作用十分敏感，設(shè)計中將風(fēng)荷載和雪荷載作為控制荷載進行分析。

2.4基于MIDAS GEN的溫室結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

經(jīng)過計算，各荷載組合下結(jié)構(gòu)的最大位移值、最大值應(yīng)力值如表2所示。由表2可知，結(jié)構(gòu)在各荷載工況下，應(yīng)力均在安全限值以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。但在以東西風(fēng)荷載控制下的荷載組合4作用下，結(jié)構(gòu)最大綜合位移為54.81mm，超出規(guī)范中對撓度要求的限值。

此大棚屋脊方向為每4m一個主立柱截面，主立柱截面拱桿設(shè)置拉弦及3個腹桿，相鄰2個主立柱截面間為每1m設(shè)一個副立柱截面，副立柱截面僅一單拱桿，無腹桿。荷載組合4作用下的單元位移云圖見圖6，位移峰值處于相鄰2個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上。

圖6 荷載組合4作用下單元位移云

由規(guī)范可得輕簡型連棟塑料大棚風(fēng)壓體形系數(shù)μs取值見圖7。在圖示方向的風(fēng)荷載作用下，由于拱形棚頂不同位置處風(fēng)壓體型系數(shù)的變化，在最左側(cè)一棟棚頂處，風(fēng)荷載由垂直作用面向內(nèi)的壓力形式過渡為為垂直作用面向外的風(fēng)吸力，拱桿可近似看做受扭狀態(tài)，且由于副立柱截面的拱桿無腹桿支撐，因此易產(chǎn)生很大撓度，相鄰2個主立柱截面間有3個副立柱截面，正中間截面的拱桿距2個剛度較大的主立柱截面最遠，因此產(chǎn)生位移最大。

圖7 輕簡型連棟塑料大棚風(fēng)壓體形系數(shù)μs

3輕簡型連棟塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對原結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上進行優(yōu)化處理，在相鄰2個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上增加一根腹桿，用來減小結(jié)構(gòu)的最大位移。所添加腹桿每根長度約7.4m，全大棚共計22個可優(yōu)化截面，共約163m。添加腹桿仍采用25mm×1.5mm熱鍍鋅鋼管。優(yōu)化方案示意圖見圖8。

圖8 優(yōu)化方案示意

對優(yōu)化方案進行模型計算分析，并得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比，如表3所示。由表3可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)反應(yīng)量值均滿足安全限值要求，優(yōu)化方案合理可靠。

4結(jié)論

該研究對初步設(shè)計的輕簡型連棟塑料大棚的荷載分析表明，結(jié)構(gòu)在東西向風(fēng)荷載控制的荷載工況作用下，出現(xiàn)最大位移54.81mm，超出規(guī)范許用值。在其他荷載工況下，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等各項指標(biāo)均符合要求。針對最不利荷載作用下結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在相鄰兩個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上增加一根腹桿，用來減小結(jié)構(gòu)的最大位移。對采取優(yōu)化方案后的結(jié)構(gòu)進行計算分析，得到優(yōu)化方案結(jié)果合理可靠的結(jié)論，為擬建者提供了合理的優(yōu)化選擇。

優(yōu)化后的輕簡型連棟塑料大棚作為一種新型大棚，與普通連棟塑料大棚相比，棚室骨架脊高降低1.0m；四周的基礎(chǔ)由條形基礎(chǔ)簡化為獨立基礎(chǔ)；其拉桿和拱桿間的連接桿數(shù)量減少1倍，東西墻立柱采用尺寸較小的圓形副立柱與矩形主立柱結(jié)合形式，使得結(jié)構(gòu)自重大大降低，節(jié)省了材料，降低了經(jīng)濟成本。

輕簡型連棟塑料大棚采用熱鍍鋅輕鋼結(jié)構(gòu)裝配而成，具有骨架輕、防腐性能好、壽命長、重量輕、安裝使用方便和適宜標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的優(yōu)點。經(jīng)過近幾年的生產(chǎn)實踐和推廣，輕簡型連棟塑料大棚可以作為普通塑料大棚的替代棚型，其應(yīng)用對提高連棟塑料大棚產(chǎn)投比和河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)具有一定的積極作用。

作者：郄麗娟，韓建會*

單位：河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所

簡介：郄麗娟，副研究員，碩士，從事棚室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及蔬菜栽培研究。*通信作者，研究員，從事棚室的設(shè)計及建造工作。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFD0201006）;河北省科技支撐計劃項目（18227214D）；國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系石家莊綜合試驗站項目（CARS-2S-G-05）；河北省第三批“巨人計劃”——蔬菜科研創(chuàng)新團隊項目。