張 升，徐 堅，張根清，宋衛(wèi)堂,2，蘇世聞，陳先知，朱隆靜，王克磊，李 明,2**

（1.中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2.農業(yè)農村部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；3.溫州科技職業(yè)學院，浙江溫州 325014；4.浙江真合溫室科技有限公司，浙江溫州 325014）

塑料大棚是一種以鋼管為拱架、以塑料薄膜為覆蓋材料的輕型鋼結構。由于建造成本低、施工速度快，應用非常廣泛，是中國最重要的蔬菜生產設施類型，占中國溫室總面積的66.7%[1-2]。但塑料大棚對風雪荷載的抵抗能力較弱，在強風或臺風來臨時容易出現(xiàn)拱架變形或從土中拔出等現(xiàn)象，最終導致整個棚體喪失承載能力而損壞，對種植者造成嚴重的經濟損失[3-4]。

為了提高塑料大棚的結構穩(wěn)定性，專家學者開展了一系列研究。周長吉[5]提出了普遍適用于中國不同地區(qū)的溫室雪載荷計算方法；梁宗敏[6]對NJ-6溫室的風壓分布進行了數(shù)值模擬，闡述了溫室抗風的設計理論；丁敏[7]在考慮蒙皮效應的前提下對溫室結構的承載能力進行分析研究，模擬了強載荷條件下溫室的破壞過程。上述研究的開展為改善塑料大棚抗風性能奠定了堅實的基礎。

受近年來設施園藝“機器換人”發(fā)展的影響，塑料大棚機械化生產趨勢愈發(fā)明顯。但傳統(tǒng)塑料大棚內部空間狹小，不利于農機裝備作業(yè)，嚴重限制了塑料大棚機械化水平的提高[8-9]。另外，針對該問題，項目團隊開發(fā)了一種基于“農機-農藝-設施”的宜機化塑料大棚（以下簡稱“宜機化大棚”），有效提高了塑料大棚的機械化水平。該大棚屋面形狀和構造尺寸與傳統(tǒng)大棚有所差異，而且目前上沒有關于宜機化塑料大棚抗風性能的研究，其結構優(yōu)化缺乏參考。本文的目的即是在上述研究的基礎上，利用ANSYS Workbench對宜機化塑料大棚的抗風性能進行分析，為該塑料大棚的推廣提供示范。

材料和方法

宜機化塑料大棚與有限元模型

宜機化塑料大棚跨度為9.5 m，脊高4.5 m，肩高2.35 m。側墻和屋面設置寬度為1.0 m的通風口。通風口上下邊緣設置有卡槽以固定塑料薄膜。另外，大棚共設置9道縱向拉桿，以增強大棚縱向穩(wěn)定性。根據(jù)使用需求，宜機化大棚結構可劃分為普通型和抗風型兩種構造。普通型大棚主要由DN32彎曲鋼管構成的單管拱架建造（圖1）?？癸L型塑料大棚除單管拱架外，還配置了桁架拱架、鋼管斜撐以增強結構的穩(wěn)定性（圖2）。桁架拱架由上下弦桿和壓桿組成，上弦桿為DN32鋼管，下弦桿為DN20鋼管，上下拱桿使用壁厚為1.8 mm、寬度為48 mm的雙拱卡連接。為了能安全有效地將側墻和肩部處上弦桿的荷載傳遞到下弦桿，側墻處和肩部雙拱卡分別按0.125 m和0.25 m的間距進行布置，屋面雙拱卡則按0.50 m的間距布置。桁架拱架與單管拱架交叉布置，每隔兩榀單管拱架布置一榀桁架拱架。所有拱架底部插入地下500 mm以增強拱架穩(wěn)定性。

圖1 普通型宜機化塑料大棚與單管拱架模型

圖2 抗風型宜機化塑料大棚與桁架拱架模型

宜機化塑料大棚山墻構造如圖3所示。山墻是在桁架拱架的基礎上添加DN32鋼管構建所形成框架結構。另外，為了抵御風壓，抗風型宜機化塑料大棚還設置了鋼管斜撐。斜撐為DN32彎曲鋼管，一端與山墻頂部連接，另一端插入土中500 mm。

圖3 90°風向條件下山墻受力分析單元

塑料大棚荷載計算

中國南方地區(qū)降雪較小，塑料大棚破壞主要發(fā)生在強風天氣。為此，本文將風荷載作為塑料大棚主導荷載，并據(jù)此確定宜機化塑料大棚的荷載組合為“恒荷載+風荷載+作物荷載”。其中，恒荷載主要為拱架和塑料薄膜自重。塑料大棚使用期間主要栽培番茄。吊線布置方式為《GB/T 51183-2016農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》所規(guī)定的塑料大棚5點式吊掛模式（圖1b 和圖2b）[11]。

塑料大棚風荷載標準值（wk）按下式計算：

式中：w0為基本風壓，kN/m2；μs和μz分別為風荷載體型系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)。

塑料大棚所在地為浙江省溫州市，其設計壽命為10年。根據(jù)《GB/T 51183-2016 農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》，塑料大棚安全等級為3級，可取0.9。wk取0.77 kN/m2[11]?？紤]到塑料大棚脊高為4.5 m，屬于非高建筑，地面粗糙度類別取B類，μz取0.8；μs根據(jù)規(guī)范進行相應取值。

根據(jù)《GB/T 51183-2016 農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》[11]，通過一級吊線作用于拱架屋面的作物荷載為475 N，方向垂直向下。通過二級吊線作用域作用于拱架兩側肩部的水平方向分力（H）和垂直方向分力（N）分別按照下式計算：

式中：f為二級吊線的下垂度(m)，取0.08 m；l為二級吊線相鄰兩支撐點之間的距離/m，根據(jù)圖1，取2.375 m；q為塑料大棚作物荷載，取150 N/m。

根據(jù)計算，H和N分別為1336 N和178 N。其中H指向室內，N垂直向下。

塑料大棚結構穩(wěn)定性按承載能力極限狀態(tài)進行分析?？紤]到本文主要考察塑料大棚在強風作用下的結構穩(wěn)定性，其主導可變荷載為風荷載。因此，塑料大棚的結構安全性系數(shù)、荷載組合及其荷載的組合系數(shù)和分項系數(shù)為為荷載設計值=0.9×(1.0×恒荷載+1.0×風荷載+1.2×0.7×作物吊重荷載)。另外，在對桁架拱架進行分析時，假設單管拱架失效后，所有的荷載由桁架拱架承擔。桁架拱架的風荷載和作物荷載按單管拱架的3倍計算。

計算條件

使用Ansys Workbench平臺Spaceclaim軟件建立塑料大棚的三維模型，使用Static Structural模塊進行計算。鋼管和雙拱卡設置為beam梁單元，材料為Q235結構鋼，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。另外，根據(jù)日本設施園藝協(xié)會所頒布的《地中押し込み式パイフハウス安全構造指針》，當大棚拱架埋入地下300 mm時，拱架底部可看做固結[10]。因此，將大棚底部固定條件設置為固定端約束。風荷載通過線荷載方式直接添加到鋼拱架，作物荷載以集中力的形式通過吊線作用于吊線與拱架連接處。

為簡化分析過程，使用圖1b和圖2b模型研究0°風條件下普通型塑料大棚單管拱架和桁架拱架的抗風性能，使用圖3模型分析90°風條件下塑料大棚抗風性能。

結果與討論

單管拱架抗風性能分析

參考日本園藝設施協(xié)會頒布的《地中押し込み式パイフハウス安全構造指針》，塑料大棚拱架的最大變形應低于h/35（h為肩高）。在本研究中，宜機化塑料大棚的最大容許位移可取65.7 mm。在0°風條件下，拱架間距為1.0 m的單管拱架沿風向變形，最大位移出現(xiàn)在背風側屋面拱架上，為180.8 mm。迎風側和背風側屋脊處的鋼管位移均超過了大棚容許位移。另外，拱架最大組合應力的最大值出現(xiàn)在迎風側拱架的底角處，為660.3 MPa，且拱架迎風側肩部和底腳等多處鋼管的最大組合應力超過了235 MPa，容易出現(xiàn)破壞（圖4）。

圖4 0°風向條件下有作物荷載、拱架間距1.0 m時時單管拱架總變形與最大組合應力云圖

考慮到臺風主要發(fā)生在8～9月，該期間塑料大棚一般閑置，或室內作物較小，作物荷載可忽略。當去除作物荷載之后，塑料大棚拱架的最大位移減小至150.7 mm，最大組合應力降低至532.4 MPa（圖5）。但塑料大棚依然容易出現(xiàn)損壞。在此基礎上，將拱架間距由1.0 m縮小至0.4 m后，拱架最大變形和最大組合應力分別降低至69.8 mm和219.9 MPa（圖6）。由此可見，作物荷載會對塑料大棚的抗風性能產生不利影響，該情況下除了避免將作物荷載添加到拱架外，還應盡可能縮短拱架間距。

圖5 0°風向條件下無作物荷載、拱架間距1.0 m時單管拱架總變形與最大組合應力云圖

圖6 0°風向條件下無作物荷載、拱架間距0.4 m時單管拱架總變形與最大組合應力云圖

桁架拱架抗風性能分析

在上述風向條件下，桁架拱架的整體位移方向與風向相同。以最不利情況考慮，即單管拱架被破壞后，所有的荷載由桁架拱架承擔，也就是說桁架拱架所承擔的荷載是單管拱架的三倍。在此情況下，最大位移出現(xiàn)在側墻頂部和迎風側屋頂，但大小僅為32.1 mm，僅為單管拱架的17.7%，滿足塑料大棚位移需求（圖7a）。拱架最大組合應力為288.2 MPa，出現(xiàn)在大棚肩部的雙拱卡和橫拉桿上（圖7b）。為保證桁架拱架能有效承擔風荷載和作物荷載，需要將拱架間距進行適當縮小，以降低拱架所承擔的載荷大小。根據(jù)計算，當拱架間距降低至0.8 m時，拱架橫拉桿的位移最大，達到了24.8 mm，而拱架內外弦桿的最大位移則全部在15 mm以下（圖8a）。另外，桁架拱架背風側肩部的雙拱卡和橫拉桿處的最大組合應力最大，為231.7 MPa。其余鋼管部分的最大組合應力低于200 MPa。此時，抗風型宜機化塑料大棚具有較好的結構穩(wěn)定性，能夠抵抗相應的風荷載（圖8b）。

圖7 0°風向條件下有作物荷載、拱架間距1.0 m時桁架拱架總變形與最大組合應力云圖

圖8 0°風向條件下有作物荷載時、拱架間距0.8 m時桁架拱架總變形與最大組合應力云圖

取消作用于拱架上的作物荷載同樣有助于減小桁架拱架最大變形和最大組合應力。當拱架間距為0.85 m時，相應的桁架拱架最大位移和最大組合應力分別為13.9 mm和227.3 MPa（圖9）。該結果表明強風頻發(fā)季節(jié)作物荷載可忽略時，將拱架間距縮短至0.85 m后，抗風型宜機化塑料大棚可滿足抗風需求。上述結果同樣證明了在塑料大棚拱架上施加作物荷載不利于塑料大棚結構穩(wěn)定性。

圖9 90°風向條件下、無作物荷載且拱架間距0.85 m時的桁架拱架總變形與最大組合應力云圖

山墻抗風性能分析

在90°風條件下，塑料大棚在其縱向的水平拉桿兩端沒有固定，難以承擔山墻傳來的縱向荷載，山墻的風荷載主要由其鋼管構件承擔。根據(jù)模擬結果，在沒有鋼管斜撐的條件下，山墻最大位移為71.0 mm，出現(xiàn)在屋脊處。最大應力則出現(xiàn)在拱架底角處，達到了269.51 MPa，容易造成山墻整體被吹到，并帶動其后的拱架傾倒（圖10）。增加鋼管斜撐之后，山墻變形得到很好的抑制，最大位移降低到了50.2 mm，最大組合應力降低至173.9 MPa以下，主要集中在斜撐與拱架連接處和拱架底腳處（圖11）。

圖10 90°風條件下無斜撐山墻拱架總變形與最大組合應力云圖

圖11 90°風條件下有斜撐山墻拱架總變形與最大組合應力云圖

結論

通過上述研究，在浙江省溫州市抗風需求較高的地區(qū)，使用單管拱架難以滿足有作物荷載條件的抗風需求。在不考慮作物荷載，同時將DN32鋼管拱架間距減小至0.4 m時，可基本滿足給定風荷載條件下的鋼管承載條件。與此相比，桁架拱架具有更好的抗風性能。使用間距為0.8 m和0.85 m時，可滿足有作物荷載和無作物荷載時的抗風需求。此外，在山墻添加鋼管支撐有助于提高大棚對90°風的抵御能力，避免結構失穩(wěn)。