单位：河北省农林科学院经济作物研究所
简介：谢丽娟，副研究员，硕士，从事温室结构优化与蔬菜栽培研究。*通讯作者，研究员钢结构大棚造价，从事温室设计与建设工作。
基金项目：国家重点研发计划项目（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实验站项目（CARS-2S-G-05）；河北省第三批“巨人计划”—蔬菜科研创新团队项目。
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河北省蔬菜设施常见类型有日光温室、连栋温室、塑料温室等，其中连栋温室目前多用于育苗及高端果蔬种植、技术示范、旅游观光等，主要分布在大中城市现代农业园区，不适宜在河北省大规模推广应用。
塑料大棚面积在河北省设施温室面积中居第二位，最常用的是单拱棚，骨架多为水泥竹木混合结构或竹木钢管混合结构，因成本低、拆装方便，深受农户青睐。但塑料大棚空间小，不利于机械化作业。
作者研制了一种轻型简易连栋塑料温室，该温室在连栋塑料温室的基础上，通过简化基础和框架进行设计，在节省材料、降低经济成本的同时，利用MIDAS GEN对轻型简易连栋塑料温室进行结构受力分析，并提出了结构优化方法。优化后的轻型简易连栋塑料温室不仅克服了塑料温室占用空间小、不利于机械化作业的缺点，而且与连栋塑料温室相比，降低了建设成本。
结构设计
1.1
结构参数
单栋轻型双膜塑料温室横断面如图1所示，其南北走向钢结构大棚造价，东西横跨，总面积1760m2，南北长44m，东西宽40m，共5栋，宽8m，架宽4m，天沟处高2.0m，架脊处高3.8m，天沟采用双端排水，坡度5‰。
图1 单栋轻型连栋双膜塑料温室剖面图
1.2
根据
采用独立基础。基础沿天沟方向两个方向均有5‰的坡度。
1.3
骨骼
包括柱、腹杆、边支架、纵拉杆及檐沟。柱由主柱和山墙边柱组成。主柱为60mm×60mm×2.0mm矩形热镀锌钢管，间距4.0m；山墙边柱为32mm×1.8mm热镀锌钢管，间距1.0m。拱杆为32mm×1.5mm热镀锌钢管，间距1.0m，腹杆为25mm×1.5mm热镀锌钢管。边支架为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根。 天沟采用2.0mm镀锌钢板制成，所有连接均采用螺栓和自攻螺钉。
框架安装：先将柱子与预埋件焊接好，柱顶用天沟连接，拱架搭接在天沟上，用弹簧卡子将纵拉杆与外拱架连接好，排气口处用卡槽固定好。
轻型连栋塑料温室结构应力分析
2.1
有限元模型建立
建模与分析在有限元软件MIDAS GEN中进行，结构骨架全部采用6自由度一般梁单元，不考虑剪切变形，材料选择Q235钢；覆盖温室的薄膜采用板单元模拟，以方便在模型中施加面载荷，并将板单元容重设置为0，以简化模型，不考虑薄膜自重。
模型中边界条件采用一般支撑模拟，温室基础顶部预埋钢板与上部钢柱焊接，对柱底部节点各个局部方向进行约束，按固端约束条件施加。
温室结构的条形基础及独立基础在天沟方向两个方向均以5‰倾斜，对结构整体受力计算影响较小，因此在模型中予以简化，并按均匀高程建模。
温室结构总体尺寸图、三维模型图、主柱截面、辅柱截面分别如图2至图5所示。
图2 轻型简易连栋塑料温室结构外形尺寸
图3 轻型连栋塑料温室三维模型
图4 轻简易连栋塑料温室结构主柱剖面图
图5 轻型连栋塑料温室辅柱剖面图
2.2
荷载的确定
温室结构荷载的正确分析计算是实现结构安全性、耐久性、经济性的重要保证。根据国家现行温室结构相关设计规范《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183-2016），并参考《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）等相关资料，确定温室结构荷载。
恒定荷载：轻型连栋塑料温室的恒定荷载主要是温室钢架的自重。添加一个自重静载条件，沿z轴向下施加，输入-1作为自重系数，软件会自动将结构自重计入。
活荷载：本温室活荷载包括屋面均布荷载、作物悬挂荷载、施工及养护荷载。根据《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183-2016）规定，屋面均布活荷载为0.1kN/m2；作物悬挂荷载是由于栽培作物的需要，日光温室钢架上悬挂的作物对结构或构件施加的荷载。荷载大小与作物种类、作物栽培方式、作物悬挂形式等密切相关。作物悬挂荷载为0.15kN/m2；施工及养护集中荷载为1.0kN，作用于结构最不利位置。
风荷载：风荷载按《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183-2016）确定。基本风压为0.5kN/m2；本温室为非高层建筑，应采用风振体系数考虑风压脉动影响，风振系数βz取1.0；风压高度变异系数μz参照规范内插确定，μz=0.742，其中地面不平度类别为B级；温室风荷载体形系数μs与建筑尺寸、风向有关。对于多跨拱形屋顶，结构各部位μs值按《农业温室结构荷载规范》确定。
雪荷载：根据《农业温室结构荷载规范》（GBT 51183-2016）确定雪荷载，大棚面积雪分布系数参考《农业温室结构荷载规范》确定。实际应用中，两拱之间下沉区域易积雪，且屋顶雪荷载分布不均匀，需考虑雪荷载均匀分布和不均匀分布两种荷载情况。
综上所述，各荷载类别的数值及分布如表1所示。
2.3
荷载组合
荷载组合时需确定荷载分项系数和可变荷载组合值系数。对于永久荷载，当其作用对结构不利时，荷载分项系数取1.2，可变荷载取1.40；当有两个或两个以上可变荷载参与组合且包含风荷载时，可变荷载组合值系数取0.85，其它情况取1.0。
拱形温室屋顶所承受的风荷载基本为风吸力，有利于结构承受雪荷载，因此雪荷载和风荷载不同时参与荷载组合；屋顶均布活荷载与雪荷载取较大值考虑，不同时组合；屋顶覆盖材料抵抗荷载的能力较低，温室框架整体刚度一般不大，因此温室对风雪的影响十分敏感。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
经计算，各荷载组合下结构的最大位移及最大应力值如表2所示。从表2可以看出，各荷载工况下，结构应力均在安全限值范围内，满足规范要求。但在东西向风荷载控制的荷载组合4作用下，结构最大综合位移为54.81 mm，超过了规范中挠度要求的限值。
本温室屋脊方向，每隔4m设置一个主柱段，主柱段拱杆设有1根弦杆和3根腹杆。相邻两主柱段之间每隔1m设置一个次柱段，次柱段仅有单根拱杆，无腹杆。荷载组合4下的单元位移云图如图6所示，位移峰值位于相邻两主柱段中间的次柱段拱杆上。
图6 荷载组合4下的单元位移云图
轻型连栋塑料温室的风压体形系数μs可由规范得到，如图7所示。在图示方向风荷载作用下，由于拱形屋顶不同位置风压体形系数的变化，在最左侧棚顶，风荷载由竖向作用面向内的压力形式过渡为竖向作用面向外的风吸力形式。拱杆可近似看作是扭转状态，由于次柱段拱杆无腹板支撑，容易产生较大的挠度。相邻2个主柱段之间有3个次柱段，中间段拱杆距离2个主柱段最远，刚度较大，因此位移最大。
图7 轻型连栋塑料温室风压形状系数μs
轻型简易连栋塑料温室结构优化
对原结构进行结构方面的优化，在两相邻主柱节中间的次柱节拱杆上增加腹板，以减小结构的最大位移，增加的腹板每根长约7.4m。整个温室可优化节段共计22节，共计约163m。增加的腹板仍采用25mm×1.5mm热镀锌钢管。优化方案示意图如图8所示。
图8 优化方案示意图
通过模型计算对优化方案进行分析，得到结构优化前后的数据对比，如表3所示。由表3可以看出，优化后的结构响应值均满足安全极限要求，优化方案合理可靠。
综上所述
本研究初步设计的轻型连栋塑料温室通过荷载分析可知，在东西向风荷载控制的荷载条件下，结构最大位移为54.81mm，超出规范允许值。在其他荷载条件下，结构的位移和应力均满足要求。针对结构在最不利荷载下的表现，对结构进行优化，在两相邻主柱段中间的次柱段拱杆上增加腹板，以减小结构的最大位移。对优化方案后的结构进行计算分析，得出优化方案结果合理可靠的结论，为拟建单位提供了合理的优化方案。
优化后的轻型连栋塑料温室作为一种新型温室类型，其架脊高度比普通连栋塑料温室降低了1.0m；四面基础由条形基础简化为独立基础；拉杆与拱杆之间的连杆数量减少1倍，东西墙柱采用较小的圆形次柱与矩形主柱的组合，大大减轻了结构自重，节省了材料，降低了经济成本。
轻型简易连栋塑料温室采用热镀锌轻钢结构组装而成，具有框架轻、耐腐蚀性好、寿命长、自重轻、安装使用方便、适合规范化作业等优点。经过近几年的生产实践和推广，轻型简易连栋塑料温室可以作为普通塑料温室的替代产品，它的推广对于提高连栋塑料温室的投资产出比、促进河北省蔬菜产业现代化具有一定的积极作用。
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♔编辑：小白 ♔排版：小彤
