轻简型连栋塑料大棚结构设计及优化

塑料大棚面积在河北省设备面积中排名第二，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，深受农户喜欢，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，对基础和和骨架中止了简化改造设计而成。在俭省资料降低经济成本的同时，应用MIDAS GEN对轻简型连栋塑料大棚中止了却构受力剖析，并提出结构的优化措施。使得设计优化的轻简型连栋塑料大棚既抑止了塑料大棚空间小、不利于机械化操作的缺陷，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

包含立柱、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。

骨架装置：首先中止立柱与预埋件的焊接，立柱间顶部用天沟衔接，拱架搭接在天沟上面，纵拉杆与外拱骨架采用弹簧卡衔接，排风口处固定卡槽。

2

轻简型连栋塑料大棚结构受力剖析

2.1

有限元模型树立

在有限元软件MIDAS GEN中中止建模剖析。结构骨架全部采用具有六自由度的普通梁单元，不思索剪切变形。资料选择Q235钢材；掩盖在大棚上的薄膜采用板单元模仿，方便模型中面荷载的施加，板单元容重值设置为0，使模型简化处置不计入薄膜自重。

模型中的边疆条件采用普通支撑模仿，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一切部分方向，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，因而模型中简化处置，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剖析和计算是完成结构保险性、耐久性、经济性请求的重要保障。依据国度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，对大棚结构的荷载中止肯定。

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：本大棚活荷载包含屋面均布荷载，作物吊载，以及施工检修荷载。依据规范《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求，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、作物的吊挂方式等有密切关系，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：依据《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183—2016）肯定风荷载。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思索风压脉动的影响，风振系数βz取值1.0；风压高度变更系数μz参考规范中止插值肯定μz=0.742，其中空中的粗糙度类别取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状况有关，关于多跨连栋拱形屋面，依据《农业温室结构荷载规范》来肯定结构各个部位的μs值。

雪荷载：依据《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183—2016）肯定雪荷载。大棚屋面积雪散布系数参考《农业温室结构荷载规范》肯定。在实践状况中，两拱之间的凹陷区域易积雪，雪荷载在棚顶呈不平均散布，因而需求思索雪荷载平均散布和不平均散布两种加载状况。

综上所述，各荷载类别的取值以及散布状况见表1。

2.3

荷载组合

荷载组合时需求肯定荷载分项系数及可变荷载组合值系数。关于永世荷载，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含风荷载时，可变荷载组合值系数取0.85，其他状况下取1.0。

拱形温室的屋面所接遭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，因而雪荷载微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；棚顶掩盖资料抵御荷载的才干较低，而且大棚骨架整体刚度普通不大，因而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中止剖析。

2.4

基于MIDAS GEN的温室结构力学剖析

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，应力均在保险限值以内，满足规范请求。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，超出规范中对挠度请求的限值。

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更，在最左侧一栋棚顶处，风荷载由垂直作用面向内的压力方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，因而易产生很大挠度，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，因而产生位移最大。

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

对原结构在结构上中止优化处置，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。优化计划表示图见图8。

图8 优化计划表示

对优化计划中止模型计算剖析，并得到结构优化前后的数据对比，如表3所示。由表3可知，优化后的结构反响量值均满足保险限值请求，优化计划合理牢靠。

4

结论

该研讨对初步设计的轻简型连栋塑料大棚的荷载剖析表明，结构在东西向风荷载控制的荷载工况作用下，呈现最大位移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契合请求。针对最不利荷载作用下结构的表示，中止结构优化，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。对采取优化计划后的结构中止计算剖析，得到优化计划结果合理牢靠的结论，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；周围的基础由条形基础简化为独立基础；其拉杆和拱杆间的衔接杆数量减少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分离方式，使得结构自严重大降低，俭省了资料，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、装置运用方便和适合规范化作业的优点。经过近几年的消费理论和推行，轻简型连栋塑料大棚能够作为普通塑料大棚的替代棚型，其应用对进步连栋塑料大棚产投比和河北省蔬菜产业现代化消费具有一定的积极作用。