轻简型连栋塑料大棚结构设计及优化

河北省蔬菜设施常见类型有日光温室、连栋温室和塑料大棚。连栋温室目前大多用于育苗及高档果菜类的栽培、技术示范、旅游观光等，主要分布于大中城市的现代农业园区，不适合在河北省大面积推广应用。

塑料大棚面积在河北省设施面积中排名第二，常用的多为单拱棚，骨架大多为水泥竹木混合结构或竹木钢管混合结构，因其造价低、装拆方便，深受农户青睐，但塑料大棚空间小，不利于机械化操作。

笔者研制了轻简型连栋塑料大棚，该棚室是在连栋塑料大棚的基础上，对基础和和骨架进行了简化改造设计而成。在节省材料降低经济成本的同时，利用MIDAS GEN对轻简型连栋塑料大棚进行了结构受力分析，并提出结构的优化方法。使得设计优化的轻简型连栋塑料大棚既克服了塑料大棚空间小、不利于机械化操作的缺点，又较连栋塑料大棚降低了建造成本。

1结构设计

1.1结构参数

轻简连栋双膜塑料大棚单栋剖面图见图1。南北走向，东西排跨，总面积1760m2，南北长44m、东西宽40m，栋数5连栋，栋宽8m，开间宽4m，天沟处檐高2.0m，骨架脊高3.8m，天沟采用双端排水，坡度为5‰。

图1 轻简连栋双膜塑料大棚单栋剖面

1.2基础

采用独立基础。基础按天沟方向双向找坡5‰。

1.3骨架

包括立柱、腹杆、侧托管、纵拉杆和天沟。立柱由主立柱和山墙副立柱组成，主立柱60mm×60mm×2.0mm矩形热镀锌钢管，间距4.0m；山墙副立柱32mm×1.8mm热镀锌钢管，间距1.0m。拱杆32mm×1.5mm热镀锌钢管，间距1.0m，腹杆25mm×1.5mm 热镀锌钢管。侧托管采用40mm×40mm×2.0mm矩形热镀锌钢管。纵拉杆为25mm×1.4mm热镀锌钢管，每拱3道。天沟采用2.0mm的镀锌钢板。联接均采用螺栓和自攻螺丝联接。

骨架安装：首先进行立柱与预埋件的焊接，立柱间顶部用天沟连接，拱架搭接在天沟上面，纵拉杆与外拱骨架采用弹簧卡连接，排风口处固定卡槽。

2轻简型连栋塑料大棚结构受力分析

2.1有限元模型建立

在有限元软件MIDAS GEN中进行建模分析。结构骨架全部采用具有六自由度的一般梁单元，不考虑剪切变形。材料选择Q235钢材；覆盖在大棚上的薄膜采用板单元模拟，方便模型中面荷载的施加，板单元容重值设置为0，使模型简化处理不计入薄膜自重。

模型中的边界条件采用一般支撑模拟，大棚基础顶部预埋钢板与上部钢柱焊接，约束立柱底部节点的所有局部方向，按固定端约束条件施加。

大棚结构条形基础及独立基础按天沟方向双向找坡5‰，其对结构整体受力计算影响不大，因此模型中简化处理，按统一标高建模。

大棚结构的整体尺寸图、三维模型图、主立柱截面、副立柱截面分别见图2~5。

图2 轻简连栋塑料大棚结构整体尺寸

图3 轻简连栋塑料大棚三维模型

图4 轻简连栋塑料大棚结构主立柱截面

图5 轻简连栋塑料大棚副立柱截面

2.2荷载的确定

大棚结构荷载的正确分析和计算是实现结构安全性、耐久性、经济性要求的重要保证。根据国家现行的温室结构相关设计规范《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183—2016），并参照《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）等相关资料，对大棚结构的荷载进行确定。

恒载：轻简型连栋塑料大棚的恒荷载主要为大棚钢骨架的自重，添加自重静力荷载工况，施加方向z轴向下，自重系数输入-1，软件则自动计入结构自重。

活载：本大棚活荷载包括屋面均布荷载，作物吊载，以及施工检修荷载。根据规范《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183—2016），屋面均布活荷载取0.1kN/m2；作物吊载是由于栽培作物需要，吊挂在日光温室钢骨架上的作物对结构或构件施加的荷载，其荷载大小与作物的种类、作物的栽培方式、作物的吊挂形式等有密切关系，作物吊载取0.15kN/m2；施工检修集中荷载取1.0kN，作用在结构最不利位置。

风荷载：根据《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183—2016）确定风荷载。基本风压取0.5kN/m2；此大棚属于非高层建筑，应采用风振体型系数来考虑风压脉动的影响，风振系数βz取值1.0；风压高度变化系数μz参考规范进行差值确定μz=0.742，其中地面的粗糙度类别取B类；温室的风荷载体型系数μs与建筑物的体型、尺寸以及所在地风向情况有关，对于多跨连栋拱形屋面，依据《农业温室结构荷载规范》来确定结构各个部位的μs值。

雪荷载：根据《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183—2016）确定雪荷载。大棚屋面积雪分布系数参考《农业温室结构荷载规范》确定。在实际情况中，两拱之间的凹陷区域易积雪，雪荷载在棚顶呈不均匀分布，因此需要考虑雪荷载均匀分布和不均匀分布两种加载情况。

综上所述，各荷载类别的取值以及分布情况见表1。

2.3荷载组合

荷载组合时需要确定荷载分项系数及可变荷载组合值系数。对于永久荷载，当其效应对结构不利时，荷载分项系数取1.2，可变荷载取1.40；当有2个或2个以上的，可变荷载参与组合且其中包括风荷载时，可变荷载组合值系数取0.85，其他情况下取1.0。

拱形温室的屋面所承受到的风荷载基本上属于风吸力，对结构承载雪荷载是有利的，因此雪荷载和风荷载不同时参与荷载组合；屋面均布活荷载与雪荷载取二者中的较大值计入，不同时组合；棚顶覆盖材料抵抗荷载的能力较低，而且大棚骨架整体刚度一般不大，因此对大棚对风雪作用十分敏感，设计中将风荷载和雪荷载作为控制荷载进行分析。

2.4基于MIDAS GEN的温室结构力学分析

经过计算，各荷载组合下结构的最大位移值、最大值应力值如表2所示。由表2可知，结构在各荷载工况下，应力均在安全限值以内，满足规范要求。但在以东西风荷载控制下的荷载组合4作用下，结构最大综合位移为54.81mm，超出规范中对挠度要求的限值。

此大棚屋脊方向为每4m一个主立柱截面，主立柱截面拱杆设置拉弦及3个腹杆，相邻2个主立柱截面间为每1m设一个副立柱截面，副立柱截面仅一单拱杆，无腹杆。荷载组合4作用下的单元位移云图见图6，位移峰值处于相邻2个主立柱截面正中间处的副立柱截面的拱杆上。

图6 荷载组合4作用下单元位移云

由规范可得轻简型连栋塑料大棚风压体形系数μs取值见图7。在图示方向的风荷载作用下，由于拱形棚顶不同位置处风压体型系数的变化，在最左侧一栋棚顶处，风荷载由垂直作用面向内的压力形式过渡为为垂直作用面向外的风吸力，拱杆可近似看做受扭状态，且由于副立柱截面的拱杆无腹杆支撑，因此易产生很大挠度，相邻2个主立柱截面间有3个副立柱截面，正中间截面的拱杆距2个刚度较大的主立柱截面最远，因此产生位移最大。

图7 轻简型连栋塑料大棚风压体形系数μs

3轻简型连栋塑料大棚结构优化

对原结构在构造上进行优化处理，在相邻2个主立柱截面正中间处的副立柱截面的拱杆上增加一根腹杆，用来减小结构的最大位移。所添加腹杆每根长度约7.4m，全大棚共计22个可优化截面，共约163m。添加腹杆仍采用25mm×1.5mm热镀锌钢管。优化方案示意图见图8。

图8 优化方案示意

对优化方案进行模型计算分析，并得到结构优化前后的数据对比，如表3所示。由表3可知，优化后的结构反应量值均满足安全限值要求，优化方案合理可靠。

4结论

该研究对初步设计的轻简型连栋塑料大棚的荷载分析表明，结构在东西向风荷载控制的荷载工况作用下，出现最大位移54.81mm，超出规范许用值。在其他荷载工况下，结构的位移和应力等各项指标均符合要求。针对最不利荷载作用下结构的表现，进行结构优化，在相邻两个主立柱截面正中间处的副立柱截面的拱杆上增加一根腹杆，用来减小结构的最大位移。对采取优化方案后的结构进行计算分析，得到优化方案结果合理可靠的结论，为拟建者提供了合理的优化选择。

优化后的轻简型连栋塑料大棚作为一种新型大棚，与普通连栋塑料大棚相比，棚室骨架脊高降低1.0m；四周的基础由条形基础简化为独立基础；其拉杆和拱杆间的连接杆数量减少1倍，东西墙立柱采用尺寸较小的圆形副立柱与矩形主立柱结合形式，使得结构自重大大降低，节省了材料，降低了经济成本。

轻简型连栋塑料大棚采用热镀锌轻钢结构装配而成，具有骨架轻、防腐性能好、寿命长、重量轻、安装使用方便和适宜标准化作业的优点。经过近几年的生产实践和推广，轻简型连栋塑料大棚可以作为普通塑料大棚的替代棚型，其应用对提高连栋塑料大棚产投比和河北省蔬菜产业现代化生产具有一定的积极作用。

作者：郄丽娟，韩建会*

单位：河北省农林科学院经济作物研究所

简介：郄丽娟，副研究员，硕士，从事棚室结构优化及蔬菜栽培研究。*通信作者，研究员，从事棚室的设计及建造工作。

基金项目：国家重点研发计划课题（2016YFD0201006）;河北省科技支撑计划项目（18227214D）；国家大宗蔬菜产业技术体系石家庄综合试验站项目（CARS-2S-G-05）；河北省第三批“巨人计划”——蔬菜科研创新团队项目。