劉建+龐真真

摘 要 根據(jù)海南夏秋蔬菜生產(chǎn)高溫、高濕及臺風多發(fā)的熱帶氣候條件，通過結(jié)構(gòu)尺寸、力學分析、材料等研究，設計出一種新型的抗臺風單棟中跨度塑料拱棚。通過構(gòu)件和基礎優(yōu)化設計，顯著的提高了該拱棚的穩(wěn)定性，具有抗側(cè)傾、抗拔起的抗風能力，且具有防暴雨、自然通風良好、空間較大、造價相對較低的優(yōu)點，適合海南地區(qū)夏秋（常年）蔬菜生產(chǎn)。

關鍵詞 抗臺風大棚 ；單棟拱棚 ；夏秋蔬菜大棚

中圖分類號 S625.5

Design of a New Anti-typhoon Greenhouse for Hainan Vegetable Production in Summer and Autumn——Single and Medium Span Plastic Shed

LIU Jian PANG Zhenzhen

（College of Horticulture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract A new type of anti-typhoon greenhouse is introduced according to tropical climate in Hainan with the high temperature， high humidity and frequent typhoon during summer and autumn. The single and medium span plastic shed is designed based on the structural dimension， mechanics analysis and material. The stability of the medium span plastic shed is improved remarkably by optimizing components and foundation. It has the anti-wind ability of anti-roll and anti-lift， and has the advantages of anti-rainstorm， good natural ventilation， large space， and relatively low cost， which is adapt to the summer and autumn vegetable production （or annual） in Hainan.

Key words anti typhoon greenhouse ；single span plastic shed ；summer and autumn vegetable greenhouse

高溫高濕、臺風、暴雨等問題是制約海南本地蔬菜夏秋淡季生產(chǎn)的主要因素，因此設施栽培成為保證周年蔬菜供應的主要生產(chǎn)方式和手段。近年海南省設施栽培快速發(fā)展，但缺乏較為系統(tǒng)的研究，除管理方面的原因外，最大的問題就是缺乏針對海南地區(qū)夏秋極端氣候特點的規(guī)范化專用大棚類型，使得現(xiàn)有常年蔬菜大棚設計標準在海南夏秋蔬菜生產(chǎn)的適應性欠佳，存在夏秋季熱害、抗風能力差等問題，阻礙了蔬菜大棚的進一步發(fā)展?；诤Ｄ系臍夂蚝褪卟朔N植特點，本文設計的夏秋新型抗臺風蔬菜大棚具備以下5個特點：（1）經(jīng)濟實用、后期維護操作簡便；（2）骨架設計抗風級別可達12級；（3）棚內(nèi)自然通風良好、溫度適宜；（4）屋頂防雨或能夠緩沖暴雨沖刷；（5）基礎設計既能抗臺風，又不破壞耕地。該單拱大棚在2016年10月份的臺風“莎莉嘉”中經(jīng)受住考驗，臺風過后能夠保持正常生產(chǎn)。

1 單棟中跨度塑料拱棚的設計

單棟中跨度塑料拱棚如圖1所示。拱棚頂高2.5 m，跨度5.0 m，采用熱鍍鋅鋼管作為其結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件；在2個端部山墻面分別設置2根熱鍍鋅鋼管立柱，同時在長度方向每間距4.2 m、在柱腳位置兩側(cè)各設置1條鋼筋混凝土樁，用以增加主體結(jié)構(gòu)在臺風中的穩(wěn)定性；端部兩側(cè)沿著拱屋面設置縱向支撐桿；拱屋面肩部以下覆蓋防蟲網(wǎng)，形成通風口；肩部以上覆蓋薄膜，并在薄膜外層覆蓋50 %的遮陽網(wǎng)，遮陽網(wǎng)外部設置壓膜線。

1.1 設計參數(shù)

恒荷載：0.05 kN/m2（含鋼骨架自重）；

活荷載：0.1 kN/m2（本大棚針對海南常年蔬菜生產(chǎn)，以葉菜為生產(chǎn)對象，不考慮作物吊重）；

風荷載：0.75 kN/m2，?？诘貐^(qū)50年一遇，相當于12級風中間風速。

1.2 幾何尺寸

拱棚跨度5.0 m，矢高2.5 m，拱間距0.7 m，長度可根據(jù)實際地形情況確定，但需滿足每6個拱（即4.2 m）設置一個主拱（圖2）；

拱棚之間預留0.6-0.8 m寬的間距作為操作通道及排水溝；

棚內(nèi)設置3個栽培壟，壟間設置0.3 m深排水溝，兼作操作走道。棚內(nèi)走道處實際操作高度可達到2.25 m以上，基本滿足小型園藝機械正常操作的需求；

棚型曲線是半徑2.5m的半圓拱。

1.3 力學分析計算

1.3.1 荷載標準值分析計算

恒荷載q1、活荷載q2、風荷載q3分別計算如下：

（1）恒荷載q1：0.05 kN/m2；

（2）活荷載q2：0.05 kN/m2；

（3）風荷載q3：根據(jù)拱棚外覆蓋的形式（按四周開敞式），拱屋面薄膜覆蓋部分荷載體形系數(shù)按3段考慮：迎風面us1=1.0、背風面us2=-0.6、屋頂面us3=-1.0[1]；風壓高度變化系數(shù)uz=1.0；基本風壓w0按前述風荷載值取0.75 kN/m2。則迎風面（q31）、背風面（q32）與屋頂面（q33）的風荷載計算如下：

q31=w0uzus1=0.75×1.0×1=0.75（kN/m2）；

q32=w0uzus2=0.75×1.0×（-0.6）=-0.45（kN/m2）；

q33=w0uzus3=0.75×1.0×（-1.0）=-0.75（kN/m2）。

考慮2種不利組合：恒載+風荷載與恒載+活荷載+風荷載。風荷載為主導荷載，由可變荷載控制效應設計值的計算公式Sd=γGjSGjk+γQ1γL1SQ1k+γQiγLiψciSQik[2]及相關的計算方法計算荷載設計值。公式中SGjk、SQ1k、SQik分別對應恒荷載q1、風荷載q3與活荷載q2，m=1，n=2。計算時，恒荷載對結(jié)構(gòu)有利，分項系數(shù)γGj取值為1；風荷載和活荷載的分項系數(shù)γQ1、γQi取值為1.4；風荷載與活荷載的設計使用年限調(diào)整系數(shù)γL1、γLi取值為1.0；可變荷載的組合值系數(shù)ψci取值為0.7；開間L=0.7 m（拱桿間距）。計算各荷載設計值如下（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)ε取值為0.95）：

（1）恒荷載設計值Q1：

Q1=εLγGjSGjk=0.95×0.7×1.0×q1

=0.033 25（kN/m）

（2）活荷載設計值Q2：

Q2=εLγQiγLiψciSQik=0.95×0.7×1.4×1.0×

0.7×q2=0.032 59（kN/m）

（3）風荷載設計值Q3（迎風面Q31、背風面Q32、屋頂面Q33）：

Q31=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q31

=0.698 25（kN/m）；

Q32=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q32

=-0.418 95（kN/m）；

Q33=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q33

=-0.698 25（kN/m）。

1.3.2 材料強度設計

采用結(jié)構(gòu)計算軟件進行計算，計算模型如圖3所示，兩端柱腳與基礎連接為固定鉸支座（鉸接）。通過計算，在不同荷載組合作用下，最大內(nèi)力對應的構(gòu)件為構(gòu)件3與構(gòu)件4，彎矩（Mx）和軸力（N）分別為：Mx=-0.88 kN/m，N=0.32 kN。拱桿試算選用Φ50×2.2 mm的熱鍍鋅圓管（Q235冷彎薄壁型鋼，強度設計值[f]為205 N/mm2），則拱桿應力（σ）值計算如下：

=0.96+202.44=203.4（N/mm2）

<[f]=205（N/mm2），滿足強度條件。

式中：Aen——拱桿的有效凈截面；γx——截面塑性發(fā)展系數(shù)，圓管取1.15；Wnx——凈截面模量。

1.4 材料參數(shù)

（1）基礎：基礎采用條形基礎；條形基礎寬0.30 m，深0.5 m，下部0.15 m高范圍內(nèi)采用C20混凝土現(xiàn)澆、配φ6 mm的HRB400鋼筋2條（圈梁），上部采用原土回填夯實，如圖4所示。

（2）加固水泥樁：C20混凝土預制；水泥樁長度為0.9 m，截面為0.1 m×0.1 m，配φ8 mm的HRB400鋼筋2條；水泥樁端部居中預留半徑為50 mm的半凹槽，如圖5所示。

（3）主體鋼骨架：拱桿采用φ50×2.2 mm的熱鍍鋅圓管；沿著拱棚脊部、兩側(cè)肩部各設置1條縱向系桿，共計3條，采用φ32×1.5 mm的熱鍍鋅圓管；兩側(cè)加固水泥樁頂部各設置1條加固縱向系桿，共計2條，采用φ40×2 mm的熱鍍鋅圓管；端部屋面設置屋面斜撐，采用φ32×1.5 mm的熱鍍鋅圓管；主拱位置的拱桿和縱向系桿采用十字卡件（U型螺栓）連接，副拱位置的拱桿和系桿采用熱鍍鋅十字卡簧連接。

（4）覆蓋材料：頂部薄膜為0.08 mm薄膜，薄膜外層覆蓋遮陽率為50 %-60 %的遮陽網(wǎng)，并采用壓膜帶壓緊，壓膜帶固定于柱腳吊環(huán)上（圖6）；兩端山墻面及兩側(cè)覆蓋40目防蟲網(wǎng)，形成自然通風口；在柱腳和肩部設置1.2 mm厚熱鍍鋅方卡槽（可雙卡），卡簧采用2 mm浸塑卡簧。

2 單棟中跨度塑料拱棚的材料清單

本計算實例所采用拱棚的單體長度為42 m，跨度5 m，計算面積為42 m×5 m=210 m2。計算結(jié)果如表1所示：

3 討論

（1）針對輕鋼結(jié)構(gòu)重量輕，不利于抵抗臺風的特點，采用條形基礎（圈梁），顯著提高拱棚的穩(wěn)定性和抗拔起的能力；部分增加了加強水泥樁，拱棚抗側(cè)傾的能力也得到提升。

（2）條形基礎（圈梁）僅在下部15 cm處進行混凝土澆筑，上部35 cm采用原土回填，不影響耕作，對種植地的影響較小；預制的水泥樁易清理。

（3）拱棚下部四周形成良好的自然通風，加上頂部遮陽網(wǎng)的遮陽作用，能較大降低棚內(nèi)尤其是種植區(qū)的環(huán)境溫度。

（4）頂部薄膜能夠阻擋暴雨對蔬菜的襲擊，肩部防蟲網(wǎng)能緩沖暴雨的沖擊力，能夠保證臺風暴雨季節(jié)的正常使用，實現(xiàn)海南地區(qū)蔬菜周年生產(chǎn)。

（5）室內(nèi)空間開敞，適合小型園藝機械操作。

參考文獻

[1] 賈永新，張勇，李斌. 開敞式拱形波紋鋼屋蓋的風壓分布及體型系數(shù)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報，2010（S2）：159-164.

[2] 中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 中國建筑工業(yè)出版社，2012.