周博士的调查笔记（第八十二部分）
纵观我国日光温室屋顶骨架结构，大致可分为“弦结构”、桁架结构和单管结构（包括实心截面钢筋混凝土骨架结构和其他新型材料骨架结构）三类。“弦结构”屋顶结构为双向承重体系，包括沿温室长度方向的受拉钢丝（俗称“弦”）和沿温室跨度方向的受压框架结构。此外还有室内立柱，实际上构成了三维承重体系；桁架结构和单管结构基本都是框架结构。其中“弦结构”中沿温室跨度方向的框架骨架也常采用桁架结构和单管结构。钢单管结构主要包括圆管骨架、椭圆管骨架和外卷C型钢骨架。在日光温室钢结构骨架中，桁架结构是最常用、应用最广泛的骨架结构类型。本文就桁架结构的不同结构形式进行归纳总结，供业内同仁在设计、建设日光温室时参考。
01
桁架结构的基本形式及材料
空间桁架
日光温室桁架结构分为空间桁架和平面桁架两大类。空间桁架一般为三角形截面结构（通常为等腰三角形或等边三角形），用三根钢筋作为弦杆，组成三角形截面的三个顶点，三角形截面的三条边分别用钢筋作为腹板，三根弦杆连接在一起（图1），组成结构稳定的三角形空间桁架。这种结构稳定性好，不存在平面外失稳问题，即使没有纵向拉杆，也能组成稳定的承重体系。但这种结构用钢量大，焊接作业量大，焊接后的桁架结构基本不能进行热镀锌表面防腐处理，因此结构的耐腐蚀性能较差钢结构桁架标准图集，需要定期进行防锈处理。它在我国早期的日光温室结构中曾得到应用，但近年来，在日光温室结构中的应用已经越来越少或基本没有使用。
平面桁架
平面桁架由上弦、下弦和腹杆组成。根据选用材料不同，桁架结构的上弦多采用圆管，下弦可采用圆管或钢筋（钢筋可为螺纹钢筋或光面钢筋），腹杆多采用光面钢筋，但也有螺纹钢筋或圆管，如图2所示。
桁架规格及材料
桁架管通常采用φ25mm、φ32mm、1.8mm或更粗的圆管；钢筋通常采用φ10mm、φ12mm，有的采用φ8mm，甚至φ6mm。上、下弦杆间距通常保持在200mm左右，同一弦杆上相邻腹板间距通常为200~300mm，不宜超过400mm。相邻两框架间距通常控制在1m左右，最大不大于1.2m，最小不小于0.75m。
桁架的截面尺寸及材料应根据温室的几何尺寸、桁架间距、温室建筑区域的风荷载、雪荷载、温室结构上安装的设备荷载（包括卷帘、保温毯、灌溉设备及管道等）以及作物荷载等确定，并考虑屋顶的人为操作荷载，通过结构强度计算。
在生产实践中，我们经常看到夏季或春秋季节因下雨而造成温室倒塌的情况。这主要是因为保温毯卷起来放在温室屋顶上，造成温室屋顶排水不畅，保温毯背面积水，增加了额外荷载，导致温室骨架超载。有时我们还经常看到由于温室前部屋顶靠近屋脊处比较平坦，坡度不够，导致温室屋顶形成水袋的现象。温室结构设计应充分考虑生产中可能出现的这些超载情况，确保结构设计的安全性。
02
腹杆布置
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无论是空间桁架还是平面桁架，一般都要求腹杆与弦杆呈接近45°的夹角布置，且弦杆上两相邻腹杆的交点应使腹杆和弦杆的中心线相交于一点（图3a）。这样，无论弦杆与腹杆的力学计算模型按全铰接计算（图3b），还是按连续弦杆、铰接腹杆计算（图3c），结构的内力计算都比较准确，弦杆上不会产生二次应力，是一种比较理想的结构构造形式。
腹板布置变形
在具体设计加工中，为了减少焊接工作量或为便于焊接操作，用钢管或钢筋焊接而成的平面桁架往往不能达到上述理想的结构构造，从而出现多种腹杆布置的变形方式。例如，在生产实践中，存在腹杆与弦杆相互垂直的连接方式（图4a）和不连续的“V”形腹杆连接方式（图4b）。这些连接方式使用的腹杆较少，焊接工作量较少，但由于腹杆不连续布置，在弦杆面均布载荷的作用下，两相邻腹杆之间的弦杆会产生弯矩。如果将结构力学计算模型简化为完全铰接结构，计算结果将存在较大误差。为了增强该结构的强度，有的设计者在两根垂直于弦杆的腹杆之间增加一组“V”形腹杆（图4c），或在两根垂直腹杆之间增加同向的斜拉杆（图4d）。理论上，如果相邻腹杆不能首尾相连，则三根相邻腹杆与弦杆中心线的交点将不在同一点，这将增加弦杆内部的二次应力。实际应用中，应尽量避免这种结构形式。
从图4中的四种腹板布置形式来看，只有图4d中相邻腹板首尾相连。虽然竖腹板无法与弦杆形成45°倾斜，可能会增加腹板用量，从而增加框架的焊接工作量和用料量，增加结构的制造成本，但这种结构设计在结构承载力和内力分布的合理性上应该是合理的。其余三种结构形式，由于相邻腹板并非首尾相连，桁架弦杆上或多或少都会产生弯矩和二次应力。看似节省了腹板材料，减少了框架加工中的焊接工作量，但实际上是一种不合理的结构形式。温室运行过程中结构失效的概率很大，在设计中应尽量避免。
腹杆焊接操作方法
对于弦杆与腹杆左右斜交连接的标准桁架结构，其具体加工制作方法有三种：一是将腹杆截成短直筋，在腹杆设计位置将其两端焊接到弦杆上；二是将腹杆做成“V”字形结构。与短直腹杆相比，减少了一次截断腹杆的工作量，相当于将两根短直筋连接在一起，在中间折弯；三是采用一根连续钢筋，中间不做任何截断。在弦杆上确定焊接位置后，将钢筋连续折弯作为腹杆，将折弯点焊接到弦杆上（图5）。此种方法省去了截断腹杆的工作量，但焊接过程中需对腹杆钢筋进行连续折弯，现场焊接作业劳动强度较大。
03
桁架表面防腐及结构桁架组装
桁架焊接与镀锌
日光温室所采用的平面桁架一般沿跨度方向制成连续桁架，可形成温室前后屋面的承重结构。对于跨度较大的温室，除非采用定制钢管，否则上、下弦杆一般需要对接焊接以满足整个桁架的长度要求。一般桁架弦杆的对接连接点应避开与腹杆的连接点。弦杆的连接可采用对接焊接，也可采用内管螺栓连接（针对钢管弦杆）或搭接焊连接（针对钢弦杆）。
对于焊接后整体镀锌的桁架结构，当局部镀锌池较小，难以一次性完成整个桁架的热镀锌时，可以将桁架截成两段分别进行热镀锌。现场安装时，将两段桁架焊接成一个完整的桁架后再进行安装。这种情况下，镀锌前上下弦杆不应在同一段截断，而应在不同的位置截断。也就是说，在上下弦杆的截断位置，两根弦杆的长度应不一样，这样会减少后续因焊接质量问题导致桁架结构局部失效的概率。
组装结构桁架
除上述焊接桁架外，为避免焊接操作损伤钢结构表面镀锌层，有的温室设计人员采用装配式桁架结构。目前生产中采用的装配式桁架结构形式有两种：一种是用镀锌钢管作弦杆夹具连接的装配式桁架，称夹具装配式桁架(图6a)；另一种是用镀锌钢带卷成外卷C型钢作为桁架的上、下弦杆，以钢板作为腹板，将弦杆与腹板用螺栓连接在一起，组成装配式桁架，称钢带卷成C型钢装配式桁架(图7)。
用夹具连接的钢管桁架的上下弦杆全部采用热镀锌钢管制成，腹杆也不用钢筋或钢管，而是用夹具。现场安装时，只要将上下弦杆用夹具连接在一起，就构成了温室的承重桁架。上下弦杆的连接夹具有两种：一种是将上下弦杆与纵拉杆连接在一起的立体夹具（图6b），一种是只将上下弦杆连接在一起的平夹具（图6c）。此结构为全组装结构，上下弦杆与纵拉杆通过连接夹具用螺栓对连接。除桁架两端与温室前基础或后墙圈梁的焊接工作外，其他部位无焊接。现场安装速度快，骨架耐腐蚀性强，使用寿命长。但安装施工时应将所有螺栓螺母拧紧，不得因松紧、漏紧、强行拧紧而损坏螺纹。
运行实践表明，部分连接件未进行热镀锌表面防腐处理或所用螺栓未进行表面防腐处理，温室结构的破坏往往从连接件或螺栓的腐蚀开始，使用过程中应密切观察连接件及螺栓的腐蚀情况，如腐蚀严重应及时更换。
钢带滚压成型C型钢拼装桁架结构采用热镀锌钢带，先将钢带压成C型钢（用一组辊筒滚压成型），以C型钢作为桁架结构的上下弦杆，桁架腹杆也由钢带压制成型，腹杆与上下弦杆完全采用螺栓对连接。这种结构完全摆脱了工厂生产工装夹具的限制，钢带成型生产线可直接拼装到施工现场，一边生产骨架，一边安装骨架，省去了工厂加工构件、构件长途运输的环节。现场加工安装速度快，施工成本低，所有构件均为热镀锌钢带滚压成型，构件表面镀锌层完整保留，用螺栓连接时无焊接作业，结构防腐能力强，使用寿命长。但此结构唯一的缺点是相邻腹板及上下弦杆的中心线不能相交于一点，在上下弦杆中可能产生二次应力，影响结构的承载能力。另外，与采用固定装置连接的装配式桁架一样，螺栓对连接也有可能存在螺栓连接松动、螺栓连接变形、螺栓过早锈蚀等问题。生产管理中应定期检查，及时发现问题、处理问题，确保桁架结构的安全使用。
04
桁架端部处理结构
日光温室桁架端部与温室前部的基础、温室后墙的圈梁连接（无圈梁的温室可通过连接件直接位于梁垫或砖墙上）。
由于计算力学模型的差异，桁架两端的处理一般有三种方式：一是上下弦两端在同一水平面位置（图8）；二是上下弦两端在同一垂直平面位置（图9）；第三种形式是上下弦聚拢至一点，包括上下弦完全聚拢至一点的情况（图10a~10c），也有下弦先与上弦相交，上弦最后与温室基础或圈梁连接的情况（图10d）。
从承载力分析，将上、下弦杆端部固定在基础或圈梁上的结构形式（无论是图8所示的水平走线，还是图9所示的竖向走线）都比上、下弦杆汇聚于一点的结构形式更有利于内力的传递。因此，在生产实践中，大量的桁架结构采用上、下弦杆端部分离的结构形式。对于上、下弦杆分离的结构形式，在桁架与基础、圈梁连接时，常采用角钢将两弦杆端部连接起来，再将其固定在基础或圈梁的预埋件上（图8b）。还有一种采用预埋钢板的方法，将预埋钢板预埋在基础或墙体的圈梁面内。桁架的上、下弦杆及连腹杆均焊接在预埋钢板上钢结构桁架标准图集，然后用水泥砂浆覆盖，形成对预埋件及桁架端部的保护。
与上下弦杆端部分开的方法相比，将上下弦杆端部聚集至一点的方法可以减少预埋件体积，有利于节省预埋件造价，但需通过结构力学计算保证局部结构强度。
生产实践表明，钢结构的镀锌层经常在桁架端部与基础或墙体交接处的混凝土中被水泥腐蚀，导致桁架两端过早生锈，整个承重结构失效，如图11所示。因此，在施工时应采取措施保护钢结构免受混凝土的腐蚀。具体方法包括在钢构件表面涂刷沥青、涂塑等。
05
温室结构桁架布置
标准的桁架布置应为每隔0.75~1.2m布置一根桁架（图12a），组成架体系，并用纵向拉杆将所有桁架连接在一起，组成整体承重体系，以保证各桁架在平面内、外的稳定性。但在生产实践中，经常看到有些温室建设者为了节省施工成本或因为当地风雪荷载不大，将两根桁架之间的距离增大到3m左右，并在两根桁架之间增加单管或竹竿等构件（其主要用途不是为了结构承重而是用来固定或拉紧塑料薄膜），组成主副梁结构体系（图12b）。
与全部采用桁架的结构体系（称为完全桁架结构体系）相比，由于桁架间距增大，且单管承载力有限，这种结构布置方式严重削弱了结构的承载能力，笔者在此称之为“削弱型”布置方式。若无可靠的理论计算依据，在生产实践中应尽量避免采用这种结构布置方式。生产实践中的另一种布置方式也是主副梁结构体系，但这种结构体系中的骨架均为桁架，骨架间距与标准完全桁架结构布置方式基本相同，不同之处在于相邻两桁架所用材料不同，其中一桁架下弦杆采用钢筋，另一桁架下弦杆采用钢管。与下弦杆采用钢筋的桁架相比，这种主副梁结构应为“加强型”布置方式（图12c）。
当然，对于以圆管作为下弦杆的桁架来说，也属于“削弱型”布置。实际设计施工中，究竟采用哪种结构布置，应以节省投资、保证安全为原则。在进行准确的荷载分析后，依据结构力学原理进行结构内力分析，最后依据轻钢结构设计方法及温室结构设计规范对构件截面强度进行校核。
