楊柯 王儉 何凡 呂軍 李道元

摘要：在2022年中央一號(hào)文件提出全面實(shí)施種業(yè)振興行動(dòng)方案的背景下，農(nóng)作物品種測(cè)試工作起到的作用愈發(fā)關(guān)鍵，活動(dòng)防雨棚作為一種在品種抗旱性測(cè)試中廣泛應(yīng)用的農(nóng)業(yè)設(shè)施建筑，目前沒有成熟的設(shè)計(jì)方案，亟需設(shè)計(jì)上的理論指導(dǎo)。通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)活動(dòng)防雨棚的基本類型和結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行歸納總結(jié)，以廣東省湛江市12m跨度活動(dòng)防雨棚設(shè)計(jì)為分析案例，梳理相關(guān)規(guī)范的條文及說明，提出設(shè)計(jì)年限為20年；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期取30年；建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)取三級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取0.90等建議。建立結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算，選取合理的構(gòu)件規(guī)格尺寸，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)用鋼量，提出設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)及相應(yīng)解決方案，為今后活動(dòng)防雨棚的設(shè)計(jì)提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：活動(dòng)防雨棚；抗旱性測(cè)試；應(yīng)力分析；抗風(fēng)措施

中圖分類號(hào)：S26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2023） 12026907

Design and analysis of movable rain shed

Yang Ke， Wang Jian， He Fan， Lü Jun， Li Daoyuan

（Zhongnong Guoke （Nanjing） Planning and Design Co.， Ltd.， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

In the context of the full implementation of the action plan for the seed industry revitalization proposed in the No. 1 Central Document in 2022，the role of crop variety testing is increasingly critical. As an agricultural facility building widely used in the drought resistance test of varieties， there is no mature design scheme at present， and the theoretical guidance of design is urgently needed. This paper summarizes the basic types and structural systems of current domestic movable rain shed. Taking the design of 12-meter-span movable rain shed in Zhanjiang City of Guangdong Province as an analysis case， combing the provisions and instructions of relevant specifications and the design period is proposed to be 20 years， the design base period is 30 years， the safety level of the building structure is three， the structural importance coefficient is 0.90. The structural model is established for analysis and calculation， the reasonable size of the components is selected， the corresponding steel consumption is counted， and the precautions and corresponding solutions in the design are put forward， which can provide reference for the design of the movable rain-proof shed in the future.

Keywords：

movable rain shed; drought resistance test; stress analysis; wind-resistant measure

0 引言

近年來，為了解決我國(guó)種業(yè)被國(guó)外壟斷企業(yè)“卡脖子”的現(xiàn)象，中央政府加快了實(shí)施“種業(yè)振興”戰(zhàn)略的步伐。2021年，中國(guó)頒布《種業(yè)振興行動(dòng)方案》，將種源安全明確為國(guó)家安全戰(zhàn)略，提出要全面加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)利用，大力推進(jìn)種業(yè)創(chuàng)新攻關(guān)，扶持優(yōu)勢(shì)種業(yè)企業(yè)發(fā)展，提升種業(yè)基地建設(shè)水平，嚴(yán)厲打擊套牌侵權(quán)等違法行為。2022年3月，國(guó)家正式施行新《種子法》，中國(guó)現(xiàn)代種業(yè)的發(fā)展有了法理依據(jù)。2022年4月，習(xí)近平總書記在海南省三亞市崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室考察調(diào)研時(shí)強(qiáng)調(diào)：“只有用自己的手攥緊中國(guó)種子，才能端穩(wěn)中國(guó)飯碗，才能實(shí)現(xiàn)糧食安全。種源要做到自主可控，種業(yè)科技就要自立自強(qiáng)”［1］。

品種測(cè)試工作作為種業(yè)鏈條中游樞紐，為新品種的審定和推廣提供了科學(xué)依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)“種業(yè)振興”的主要環(huán)節(jié)和支撐保障。目前，中國(guó)已初步形成了由1個(gè)中心、27個(gè)分中心、6個(gè)測(cè)試站組成的農(nóng)作物品種測(cè)試體系?？购敌詼y(cè)試是品種測(cè)試工作的重要組成部分，中國(guó)人均水資源量匱乏，僅為世界平均水平的1/4，2021年中國(guó)農(nóng)業(yè)用水量為3.6443×1011m3，占全年用水總量的61.5%［2］。灌溉用水和自然降水利用效率低下，用水浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，提高農(nóng)業(yè)用水的利用率迫在眉睫。蒸發(fā)蒸騰量試驗(yàn)可以準(zhǔn)確估算作物的蒸發(fā)蒸騰量，從而推斷出作物的消耗用水量，是制定地區(qū)水利規(guī)劃以及灌排工程規(guī)劃的基本依據(jù)。根據(jù)SL 13—2015《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》中作物蒸發(fā)蒸騰量試驗(yàn)設(shè)施的要求，建設(shè)蒸滲儀（包括測(cè)坑和測(cè)筒）時(shí)，其上宜附設(shè)活動(dòng)防雨棚［3］?；顒?dòng)防雨棚起到人為控制降雨量、創(chuàng)造干旱條件的作用，同時(shí)便于調(diào)節(jié)水分脅迫時(shí)間，為保障作物抗旱性鑒定的測(cè)試效果提供了必要條件?；顒?dòng)防雨棚在農(nóng)業(yè)方面也有廣泛的應(yīng)用，其中之一是在多雨的夏秋季節(jié)，利用其頂部和四周的覆蓋材料，借以改善棚內(nèi)小氣候，使作物免遭雨水直接淋襲，可以實(shí)現(xiàn)避雨栽培，避免暴雨對(duì)蔬菜等園藝作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的不良影響。

目前國(guó)內(nèi)活動(dòng)防雨棚大部分由建設(shè)單位招標(biāo)采購(gòu)，中標(biāo)設(shè)備廠家直接施工安裝，并沒有經(jīng)過設(shè)計(jì)、圖審、驗(yàn)收等正式工程管理流程，缺乏理論支撐和計(jì)算論證，為使用階段留下了安全隱患，常有暴雪壓塌、臺(tái)風(fēng)吹倒等事故發(fā)生。對(duì)于活動(dòng)防雨棚目前鮮有設(shè)計(jì)方面的研究，原因在于并無相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏配套的軟件模塊。本文對(duì)常用活動(dòng)防雨棚的現(xiàn)狀情況及基本構(gòu)成進(jìn)行簡(jiǎn)要論述，并結(jié)合建設(shè)項(xiàng)目中活動(dòng)防雨棚的設(shè)計(jì)作為實(shí)際案例，通過理論計(jì)算分析活動(dòng)防雨棚的結(jié)構(gòu)特性，闡述活動(dòng)防雨棚的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為今后活動(dòng)防雨棚的設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 活動(dòng)防雨棚結(jié)構(gòu)

1.1 基本類型

活動(dòng)防雨棚種類繁多，從外形樣式上主要分為屋脊形和圓拱形，從構(gòu)件型材上主要分為鋼筋焊接桁架結(jié)構(gòu)和鍍鋅鋼管結(jié)構(gòu)，從使用功能上主要有分為多軌式和單軌式。屋脊形活動(dòng)防雨棚屋面形狀為人字形，屋面坡度夾角一般為20°～30°，有利于雨雪滑落，但由于風(fēng)荷載體型系數(shù)相對(duì)較大，整體結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，導(dǎo)致用鋼量較大，同時(shí)內(nèi)部?jī)舾咭彩艿揭欢ㄏ拗?，逐漸被圓拱形活動(dòng)防雨棚取代。圓拱形屋面活動(dòng)防雨棚則由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力明確、屋面坡度較平緩，位置靈活，并且用鋼量少、造價(jià)低廉［4］，故而應(yīng)用廣泛。

活動(dòng)防雨棚早期大多為鋼筋焊接桁架式結(jié)構(gòu)，腹桿與上下弦為現(xiàn)場(chǎng)焊接而成，施工方便但焊縫質(zhì)量難以得到保障。結(jié)構(gòu)表面防腐處理方法為刷銀粉或刷油漆，防腐效果較差。鋼筋焊接桁架式綜合造價(jià)較低。目前活動(dòng)防雨棚主體材料多選用薄壁鍍鋅鋼管，增強(qiáng)了主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，也克服了鋼筋桁架表面防腐性能差的問題。

為了實(shí)現(xiàn)集約用地，活動(dòng)防雨棚一般設(shè)計(jì)成多軌式，根據(jù)跨度要求的不同設(shè)置軌道的間距，使用時(shí)多個(gè)活動(dòng)防雨棚沿軌道縱向展開，平時(shí)可沿軌道逐個(gè)收起防雨棚，小跨度榀收至大跨度榀內(nèi)部，層層嵌套。但是部分小規(guī)模試驗(yàn)項(xiàng)目或投資較少的項(xiàng)目仍采用單軌式活動(dòng)防雨棚。

1.2 關(guān)鍵部件

1.2.1 地基基礎(chǔ)

活動(dòng)防雨棚的基礎(chǔ)通常為混凝土條形基礎(chǔ)，分別設(shè)置于兩側(cè)立柱軌道下部，基礎(chǔ)寬度根據(jù)軌道數(shù)量以及軌道間距確定，邊緣與軌道中心距離不宜小于250mm，基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋根據(jù)上部荷載計(jì)算配置，且需滿足最小配筋率要求［5］，基礎(chǔ)下鋪設(shè)C15素混凝土墊層，基礎(chǔ)外側(cè)根據(jù)場(chǎng)區(qū)布置情況設(shè)置排水溝、暗溝等排水設(shè)施。

1.2.2 運(yùn)行機(jī)構(gòu)

活動(dòng)防雨棚的運(yùn)行機(jī)構(gòu)由運(yùn)行支承裝置與運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置兩部分組成。運(yùn)行支承裝置承受自重及上部荷載，并將這些荷載傳遞給軌道和基礎(chǔ)，主要包括軌道、車輪與均衡裝置。運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置用來帶動(dòng)上部結(jié)構(gòu)在軌道上的運(yùn)行，由控制箱、電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器組成。

1）運(yùn)行支承裝置?；顒?dòng)防雨棚的軌道通常根據(jù)行走輪的輪壓值選型，一般采用熱軋輕軌。鋼軌與基礎(chǔ)之間設(shè)置鋼墊板，鋼墊板通過地腳螺栓、螺母、墊圈等預(yù)埋件與基礎(chǔ)固定，鋼軌與鋼墊板焊接，焊接接頭頂面及兩側(cè)面磨平。鋼軌兩端設(shè)置防撞塊防止車輪滑出，防撞塊內(nèi)側(cè)設(shè)置橡膠墊緩沖撞擊力并與鋼軌焊牢。

活動(dòng)防雨棚的車輪通常用鑄鋼制造，大多采用雙輪緣車輪，車輪直徑大小取決于最大輪壓，車輪直徑一般≤400mm。當(dāng)單個(gè)輪壓過大而超過軌道基礎(chǔ)承載能力時(shí)，通常采用增加車輪數(shù)量的方法來降低輪壓值。為了使同一支承點(diǎn)下的所有車輪受力均勻，常采用均衡裝置，該裝置是一個(gè)杠桿系統(tǒng)，運(yùn)用杠桿原理可使各個(gè)車輪的輪壓相等。

2）運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置?；顒?dòng)防雨棚驅(qū)動(dòng)一般由信號(hào)輸入經(jīng)控制箱帶動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用“三合一”減速器（圖1），該減速器將減速器、制動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)集成一體［6］。具體構(gòu)造是電動(dòng)機(jī)與制動(dòng)器制成一體，直接聯(lián)在減速器上，減速器套裝在主動(dòng)輪軸上，上方有一彈性支承與上部活動(dòng)防雨棚主體相連。該類減速器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、裝拆方便、運(yùn)行平穩(wěn)、使用可靠，缺點(diǎn)是維修不太方便［7］?；顒?dòng)防雨棚主動(dòng)輪布局一般為對(duì)角布置，帶動(dòng)從動(dòng)輪均勻慢速移動(dòng)。

1.2.3 主體結(jié)構(gòu)

活動(dòng)防雨棚的主體結(jié)構(gòu)通常采用輕型鋼結(jié)構(gòu)桁架，從位置上分為豎向結(jié)構(gòu)和屋面結(jié)構(gòu)，豎向結(jié)構(gòu)由立柱及其基座、柱間支撐以及墻面檁條組成，屋面結(jié)構(gòu)由桁架梁、剛性系桿、屋面支撐以及屋面檁條組成。

1）豎向結(jié)構(gòu)?；顒?dòng)防雨棚的基座上承鋼立柱，下接行走輪，既承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的集中荷載，又將上部荷載依次傳遞給行走輪、軌道以及基礎(chǔ)，是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系能夠順利移動(dòng)的關(guān)鍵構(gòu)件，通常選用箱型鋼梁或焊接工字鋼梁。

活動(dòng)防雨棚的立柱一般采用格構(gòu)柱（圖2），格構(gòu)柱由肢件和綴條組成，柱肢為兩根箱型鋼管，斜綴條可用等邊角鋼或方鋼管，兩端焊接于兩側(cè)柱肢上，肢件主要承受軸向力，斜綴條主要抵抗側(cè)向力。根據(jù)實(shí)際受力情況，為了施工方便，立柱也可采用一根大尺寸箱形鋼管。鋼立柱上端與桁架梁鉸接連接，下端與基座剛結(jié)連接。

立柱之間設(shè)置柱間支撐，柱間支撐形式可采用十字形交叉支撐或者人字形支撐，構(gòu)件可采用等邊角鋼或鍍鋅鋼管，當(dāng)立柱高度大于柱間距2倍時(shí)，柱間支撐宜分層設(shè)置，當(dāng)沿鋼柱高有質(zhì)量集中點(diǎn)處也應(yīng)設(shè)置相應(yīng)支撐點(diǎn)［8］。柱間支撐的設(shè)置應(yīng)根據(jù)房屋縱向柱距、受力情況和溫度區(qū)段等條件確定，一般設(shè)置在端部，間距不宜大于45m。

為了固定活動(dòng)防雨棚的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，立柱之間必須設(shè)置墻面檁條，墻面檁條的間距取決于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料、尺寸及所承受的荷載（墻面檁條承受的豎向荷載包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)重量及自重，水平荷載主要為風(fēng)荷載），一般為1～1.5m。墻面檁條型材可選用C型冷彎薄壁型鋼或箱型截面鋼管。

2）屋面結(jié)構(gòu)?；顒?dòng)防雨棚的主要屋面受力構(gòu)件采用拱形鋼管桁架中的斜腹桿體系（圖3），考慮到拱形鋼結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定，鋼管桁架拱的上下弦及腹桿通常選擇雙軸對(duì)稱的圓管或箱型閉合截面，腹桿有時(shí)也可采用鋼筋代替鋼管，腹桿與弦桿相貫焊接［9］。拱形桁架結(jié)合了拱和桁架的雙重優(yōu)勢(shì)，以其曲線形式實(shí)現(xiàn)彎矩向軸力的轉(zhuǎn)化，具有更高的結(jié)構(gòu)承載效率，常用于大跨度空間結(jié)構(gòu)［10］，如鋼結(jié)構(gòu)體育館和橋梁工程中。

為了減小拱形桁架梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度以及傳遞從山墻傳來的風(fēng)荷載或地震荷載，使整個(gè)屋面系統(tǒng)形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，兩榀拱形鋼管桁架之間需設(shè)置縱向通長(zhǎng)剛性系桿，剛性系桿通常采用上下弦與斜腹桿組成的水平桁架系統(tǒng)，設(shè)置間距可根據(jù)桁架梁的受力分析合理確定。

為了保證整個(gè)屋面系統(tǒng)的穩(wěn)定及傳遞縱向荷載，在拱形桁架梁的上下弦分別設(shè)置屋面水平支撐，屋面水平支撐一般與柱間支撐設(shè)置在同一開間，這時(shí)屋面水平支撐、柱間支撐以及與之相連接的兩榀屋架形成幾何不變體系，提高整體結(jié)構(gòu)剛度。屋面水平支撐一般按單拉桿設(shè)計(jì)，材質(zhì)選擇一級(jí)光面鋼筋。

屋面檁條與墻面檁條作用類似，主要用于固定屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有時(shí)也可兼任剛性系桿，此時(shí)檁條應(yīng)滿足雙向受彎構(gòu)件的承載力和剛度要求，活動(dòng)防雨棚中屋面檁條一般選用箱型截面鋼管，通過檁托件固定在拱形桁架梁上部，也可直接焊接于兩端桁架梁上弦。

3）主體材料?；顒?dòng)防雨棚主體鋼構(gòu)件材料采用熱鍍鋅處理管材及型材，原料為冷軋帶鋼，從力學(xué)性能及防腐性能上都優(yōu)于熱軋鋼材。鋼材通過鍍鋅處理在鋼結(jié)構(gòu)表面形成保護(hù)層，保護(hù)金屬不被氧化、腐蝕而損壞，并且可以改變外觀顏色。

1.2.4 圍護(hù)系統(tǒng)

活動(dòng)防雨棚的圍護(hù)材料通常為聚碳酸酯板，簡(jiǎn)稱PC板，是一種以聚碳酸酯為主要原料的無定形熱塑性工程塑料板材，具有透光率高、保溫性能好、阻燃性強(qiáng)、隔音性佳、性價(jià)比高等特點(diǎn)［11］，在防爆視窗、廣告牌、車棚、雨篷、聲屏障等民用建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 活動(dòng)防雨棚設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

某項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于廣東省湛江市麻章區(qū)，活動(dòng)防雨棚采用二段移動(dòng)伸縮棚，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)可自由伸縮及展開，主體結(jié)構(gòu)采用輕鋼拱形桁架，建筑面積388m2，內(nèi)外棚長(zhǎng)度均15m，軌道長(zhǎng)46.5m，外棚跨度13m，檐口高度3.2m，內(nèi)棚跨度12m，檐口高度2.695m，建筑頂部及兩側(cè)覆蓋PC板。

2.2 建設(shè)條件

2.2.1 基本參數(shù)

活動(dòng)防雨棚設(shè)計(jì)使用年限參考GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表3.1.2，聚碳酸酯板溫室取20年，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期取30年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)取三級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取0.90［12］。

2.2.2 抗震設(shè)防

根據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，活動(dòng)防雨棚設(shè)的抗震設(shè)防類別取丙類。根據(jù)GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)廣東省湛江市麻章區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g（g為重力加速度），反應(yīng)譜特征周期為0.35s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，阻尼比值取0.02。

2.2.3 荷載取值

1）風(fēng)荷載?？紤]到活動(dòng)防雨棚使用年限為20年，根據(jù)GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄D，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓取項(xiàng)目區(qū)所在地二十年一遇最大值1.02kN/m2。

2）基本雪壓。項(xiàng)目區(qū)屬于亞熱帶地區(qū)，常年無雪，根據(jù)GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄C，本項(xiàng)目不考慮雪荷載的作用。

3）恒荷載。聚碳酸酯板密度為12.5kN/m3，換算為面荷載為12.5×0.008=0.1kN/m2，考慮屋面支撐框、檁條等附加構(gòu)件，屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值取0.15kN/m2。

4）活荷載。根據(jù)GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.1.1條，活動(dòng)防雨棚的屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.15kN/m2。

5）其他荷載。根據(jù)GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.1.2條，考慮1.0kN屋面集中檢修荷載。不考慮作物荷載、吊掛荷載等其他荷載。

2.2.4 材料強(qiáng)度

活動(dòng)防雨棚主體結(jié)構(gòu)鋼材牌號(hào)均選用Q235B。防雨棚基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，墊層采用C15素混凝土。

2.3 設(shè)計(jì)方案

活動(dòng)防雨棚采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)?；A(chǔ)頂部每間隔600mm鋪設(shè)鋼板預(yù)埋件1塊，預(yù)埋件上布置熱軋鋼制軌道，型號(hào)12kg/m。行走輪采用直徑200mm鑄鋼輪，輪距5m，單個(gè)活動(dòng)棚每側(cè)軌道下設(shè)置3個(gè)，共計(jì)6個(gè)，2個(gè)主動(dòng)輪設(shè)置在對(duì)角，其余位置均為從動(dòng)輪，行走輪速度為10m/min，平面布置見圖4。

基座采用箱型鋼梁，豎向構(gòu)件采用立柱由肢件和綴條組成的雙肢格構(gòu)柱，肢件和綴條均采用薄壁鍍鋅方鋼管，縱向柱距3m。柱間設(shè)置十字形交叉支撐，截面為等邊單角鋼，支撐交點(diǎn)以鋼板連接固定，柱間支撐間隔一榀布置一道。墻面檁條采用薄壁鍍鋅矩形鋼管焊接于外側(cè)柱肢，墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用6mm厚PC板，立面布置見圖5。

屋面結(jié)構(gòu)體系采用拱形鋼管桁架中的斜腹桿體系，上下弦和腹桿均采用薄壁鍍鋅方鋼管。桁架梁每隔三個(gè)節(jié)間距離設(shè)置縱向通長(zhǎng)剛性系桿1道，共計(jì)7道，剛性系桿為平面桁架體系（圖7），上下弦和腹桿均同樣采用薄壁鍍鋅方鋼管。兩榀拱形鋼管桁架之間上下弦各設(shè)置6對(duì)屋面水平支撐，均與柱間支撐處于同一開間，屋面檁條布置在腹桿節(jié)點(diǎn)之上，與桁架梁上弦桿焊接，檁條間距即為桁架梁節(jié)間距離，檁條在剛性系桿位置時(shí)以系桿代替，屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用弧形8mm厚PC板，屋面支撐系桿布置見圖6。

活動(dòng)防雨棚電源電壓為380V，用電按三級(jí)負(fù)荷供電。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器組成的三合一減速器。敷設(shè)電纜均沿棚體明敷，采用護(hù)套電纜，無需穿線管，電纜規(guī)格為國(guó)標(biāo)4mm×4mm耐折壓線纜。活動(dòng)防雨棚安裝有2個(gè)位置傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚體的移動(dòng)位置?；顒?dòng)防雨棚設(shè)有遙控控制、手動(dòng)控制兩種控制方式，遙控控制時(shí)，操作者可手持遙控器在不超過450m的可視范圍內(nèi)控制干旱棚的運(yùn)行，手動(dòng)控制時(shí)，操作者可操作控制箱上的按鈕，控制防雨棚的運(yùn)行。

2.4 設(shè)計(jì)分析

2.4.1 計(jì)算模型

本工程主體結(jié)構(gòu)采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件2021版V1.3中STS模塊進(jìn)行平面受力分析，本文以12m跨度活動(dòng)防雨棚為例進(jìn)行計(jì)算分析，單榀主體結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖見圖8。結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)荷載按上文取值，其中活荷載分滿布及半跨布置兩種工況分別輸入。由于活動(dòng)風(fēng)雨棚為輕鋼結(jié)構(gòu)，屬于對(duì)風(fēng)荷載敏感建筑，參考GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》4.2.1條，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)考慮放大系數(shù)1.1倍［8］，根據(jù)GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》4.6.5條，考慮風(fēng)荷載脈動(dòng)增大效應(yīng)系數(shù)1.2［13］，故計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)基本風(fēng)壓需要乘以1.32的放大系數(shù)。

將一榀主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面桁架，桁架結(jié)構(gòu)作為典型的桿系結(jié)構(gòu)，桿件受到彎曲所引起的應(yīng)力比受到軸力所引起的應(yīng)力小很多，故可以略去桁架桿件的彎曲，設(shè)計(jì)時(shí)盡量將桁架梁間節(jié)點(diǎn)間距等分，桁架節(jié)點(diǎn)均假定為鉸結(jié)，所有外部荷載都集中作用于鉸接節(jié)點(diǎn)上，避免作用在節(jié)間桿件上、下弦的內(nèi)力形成壓彎或拉彎構(gòu)件［14］。整個(gè)桁架為無側(cè)移結(jié)構(gòu)，拱形桁架梁與格構(gòu)柱連接為鉸接，格構(gòu)柱與軌道上的基座鋼梁連接為剛接。

格構(gòu)柱與拱形桁架梁構(gòu)件平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度均取節(jié)間長(zhǎng)度，由于柱間沒有設(shè)置剛性系桿，格構(gòu)柱兩柱肢平面外計(jì)算長(zhǎng)度取柱高全長(zhǎng)，拱形桁架梁弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度取縱向剛性系桿間距，梁柱腹桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度均取腹桿長(zhǎng)度。

2.4.2 指標(biāo)限值

1）長(zhǎng)細(xì)比。桿件長(zhǎng)細(xì)比λ=max（λx=l0x/ix，λy=l0y/iy），［λ］限值依據(jù)JGJT 249—2011《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表6.4.7取值：受拉桿件［λ］≤300，其中支座附近受拉桿件［λ］≤250，受壓桿件［λ］≤180。

3） 柱頂水平位移限值。柱頂水平位移限值參考GB/T 51424—2022《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表4.4.1中聚碳酸酯板柱頂水平位移限值取H/60（H為柱高度）。

4） 撓度限值。撓度限值依據(jù)JGJT 249—2011《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6.1.6條取值：拱形鋼結(jié)構(gòu)最大豎向位移計(jì)算值不應(yīng)超過Ls/400（Ls為拱跨度），平面內(nèi)拱頂最大水平側(cè)移計(jì)算值不應(yīng)超過Ls/200。

2.4.3 分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)模型彎矩計(jì)算結(jié)果如圖9所示，整個(gè)主體結(jié)構(gòu)僅在支座處柱肢產(chǎn)生少量彎矩1.7kN/m2，其他各處節(jié)點(diǎn)彎矩均為零，受力情況與模型假定相吻合。

結(jié)構(gòu)模型剪力計(jì)算結(jié)果如圖10所示，格構(gòu)柱腳處柱肢承受剪力為6.4kN，其余上部中間柱肢承受最大剪力均為0.9kN，最上端柱肢所受剪力為1.2kN?？芍_處柱肢承受剪力最大，中間處柱肢承受剪力較小且平均，上端柱肢所受剪力略有增加，綴條承受剪力為零，拱形桁架梁上弦桿承受剪力基本相同（均為1.5kN左右），下弦桿與腹桿剪力基本為0。

結(jié)構(gòu)模型軸力計(jì)算結(jié)果如圖11所示。圖11（a）為弦桿軸力包絡(luò)圖，柱肢在底端柱腳處承受最大軸力為95kN，往上依次為59kN、51kN、38kN、9kN、42kN、43kN，可知柱腳處柱肢承受軸力最大，往上軸力遞減，最上端又再次增加。拱形桁架梁兩端上下弦軸力最大，下弦桿由兩端至中間依次為63kN、30kN、30kN、12kN、12kN、11kN、11kN、14kN，基本呈現(xiàn)兩端大中間小的趨勢(shì)。上弦桿由兩端至中間依次為29kN、28kN、7kN、7kN、21kN、21kN、27kN、27kN，同樣呈現(xiàn)兩端大中間小的趨勢(shì)，但軸力數(shù)值小于下弦桿，且過渡比下弦桿平緩。屋架結(jié)構(gòu)在端部下弦桿承受軸力大于上弦桿，反之屋脊處上弦桿承受軸力大于下弦桿。

圖11（b）為斜綴條軸力包絡(luò)圖，格構(gòu)柱斜綴條由下至上依次為15kN、35kN、32kN、29kN、26kN、23kN、19kN，除最下端柱腳處斜綴條由于兩側(cè)柱肢分擔(dān)了地基反力導(dǎo)致軸力較小以外總體呈遞減趨勢(shì)。圖11（c）為橫綴條軸力包絡(luò)圖，除柱肩處承擔(dān)軸力最大為46kN外其余桿件承擔(dān)軸力都很小，基本可忽略。

由圖11可知，影響活動(dòng)防雨棚主體構(gòu)件選材的內(nèi)力因素為軸力，其中柱腳底端與支座固結(jié)桿件的軸力決定了整個(gè)柱肢的截面尺寸，同樣的彎矩與剪力也均為柱腳底端桿件起控制作用。拱形桁架梁檐口梁柱連接處桁架弦桿承受軸力最大，直接決定了整個(gè)桁架弦桿截面的尺寸。

從荷載組合工況的角度分析，本案例在內(nèi)力組合中起控制作用的是風(fēng)荷載，而風(fēng)荷載與基本風(fēng)壓、榀間距離、體型系數(shù)等因素密切相關(guān)。

2.4.4 構(gòu)件選型

經(jīng)計(jì)算后活動(dòng)防雨棚平面內(nèi)構(gòu)件選材如表1所示。活動(dòng)防雨棚平面外構(gòu)件截面選材如表2所示。

由表1、表2可知，軸線尺寸為12m（跨度）×15m（長(zhǎng)度）的6榀桁架活動(dòng)防雨棚，所需用鋼量共計(jì)7316.89kg，每平米用鋼量7316.89/180=40.65kg。

2.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.5.1 適用規(guī)范

由于缺少針對(duì)活動(dòng)防雨棚的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)可參考現(xiàn)有民用建筑設(shè)計(jì)及溫室設(shè)計(jì)規(guī)范，例如JGJT 249—2011《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 51183—2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB/T 51424—2022《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）等。但是各本規(guī)范之間同一指標(biāo)規(guī)定不盡相同，例如受拉桿件長(zhǎng)細(xì)比容許值在JGJT249—2011《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表6.4.7中為300，而在GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表7.4.7中為350。針對(duì)這一問題，建議在同一指標(biāo)的取值上總結(jié)所有相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2.5.2 矢跨比

失跨比的取值對(duì)桁架拱內(nèi)力大小與分布影響很大，一般需要根據(jù)建筑外觀、承載效率、基礎(chǔ)條件和凈高限制等各方面因素綜合確定。通常情況下，矢跨比取值越小，桁架拱端產(chǎn)生的水平推力越大，鋼柱承受的水平推力也就越大，柱底彎矩增大，導(dǎo)致柱肢截面的增大。同時(shí)矢跨比的取值也影響到拱桁架平面內(nèi)整體穩(wěn)定，當(dāng)鋼拱的跨度一定時(shí)通常存在使其穩(wěn)定承載力最高（即穩(wěn)定系數(shù)最大）的最優(yōu)矢跨比，穩(wěn)定系數(shù)可參照J(rèn)GJT 249—2011《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄D。

2.5.3 計(jì)算長(zhǎng)度

拱桁架弦桿的計(jì)算長(zhǎng)度直接影響到長(zhǎng)細(xì)比的驗(yàn)算以及穩(wěn)定承載力或穩(wěn)定應(yīng)力的計(jì)算，一般根據(jù)JGJT 249—2011《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表6.4.6選取，其中弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度取弦桿側(cè)向支點(diǎn)之間的距離，弦桿的側(cè)向支點(diǎn)一般認(rèn)為剛性系桿，故平面外計(jì)算長(zhǎng)度即為剛性系桿的間距。設(shè)計(jì)時(shí)需要調(diào)節(jié)剛性系桿的間距以確定桁架弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度，在增設(shè)系桿所需用鋼量與為了通過穩(wěn)定計(jì)算增大弦桿截面所增加用鋼量之間找到平衡點(diǎn)，以兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性。

2.5.4 抗風(fēng)措施

由于項(xiàng)目區(qū)廣東省湛江市屬于臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，活動(dòng)防雨棚本身亦為風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，雖然設(shè)計(jì)時(shí)已按規(guī)范規(guī)定輸入風(fēng)荷載，但是為了預(yù)留足夠安全儲(chǔ)備，本設(shè)計(jì)方案中采取了額外抗風(fēng)措施，即用鋼筋拉線將風(fēng)荷載傳遞通過受拉鋼筋傳遞到基礎(chǔ)和地基，可以有效利用基礎(chǔ)的抗彎力矩來抵抗風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩。活動(dòng)防雨棚鋼立柱頂部外側(cè)設(shè)置掛鉤，在試驗(yàn)區(qū)兩側(cè)布置鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。鋼筋拉棍線水平傾角60°，下部插入基礎(chǔ)短柱并與基底鋼筋焊接，上部露出基礎(chǔ)短柱350mm。鋼筋拉線平時(shí)收起，當(dāng)臺(tái)風(fēng)超過一定等級(jí)時(shí)，將拉線兩端分別與掛鉤和拉線棍固定。此措施經(jīng)實(shí)測(cè)可有效抵御風(fēng)荷載，符合多道防線的設(shè)計(jì)概念。

2.5.5 平面外設(shè)計(jì)

活動(dòng)防雨棚的平面外設(shè)計(jì)可通過SAP2000、3D3S、Midas等空間結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算，也可自行計(jì)算，基本思路為：基座鋼梁通過將上部構(gòu)件計(jì)算所得支座荷載導(dǎo)入計(jì)算得出，剛性系桿、支撐構(gòu)件通過山墻傳遞的風(fēng)荷載按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算并滿足長(zhǎng)細(xì)比，屋面支撐按單拉桿設(shè)計(jì)，柱間支撐按一拉一壓設(shè)計(jì)。將屋面恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載組合后按雙向受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)屋面檁條，并計(jì)算穩(wěn)定及撓度。墻面檁條計(jì)算內(nèi)容與屋面檁條基本相同，區(qū)別是墻面檁條僅承受墻面自重以及風(fēng)荷載，且按單向受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行活動(dòng)防雨棚的常見類型的研究，概括了各種類型活動(dòng)防雨棚的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，借助對(duì)活動(dòng)防雨棚地基基礎(chǔ)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)系統(tǒng)部分組成的說明，詳細(xì)闡述了防雨棚基礎(chǔ)形式、棚體的運(yùn)行機(jī)制、主要構(gòu)件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置方法和材料選型、荷載的傳導(dǎo)路徑。

以廣東省湛江市麻章區(qū)實(shí)際工程為抓手，梳理相關(guān)規(guī)范的條文及說明，在基本參數(shù)、設(shè)計(jì)荷載、抗震設(shè)防、材料強(qiáng)度的取值上給出建議，建立格構(gòu)柱及拱形鋼管桁架模型進(jìn)行平面內(nèi)受力計(jì)算，對(duì)其受力特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行歸納總結(jié)，分析其在彎矩、剪力、軸力下各構(gòu)件的受力特點(diǎn)：柱腳剛接處產(chǎn)生少量彎矩（1.7kN/m2），其他部位節(jié)點(diǎn)彎矩為0；底部柱腳處柱肢承受最大剪力6.4kN，拱形桁架梁上弦桿承受剪力均為1.5kN左右，下弦桿與腹桿剪力基本為0；柱肢承受軸力從下到上、弦桿從兩端到中間均呈現(xiàn)大—小—大變化趨勢(shì)，其中底端柱肢承受最大軸力95kN，端部下弦承受最大軸力63kN，端部上弦承受最大軸力29kN。由內(nèi)力簡(jiǎn)圖得出影響活動(dòng)防雨棚主體構(gòu)件選材的內(nèi)力因素為軸力，而最下端柱腳處柱肢承受的軸力大小決定了整個(gè)柱肢的截面尺寸，拱形桁架梁端部弦桿承受軸力最大，直接決定了整個(gè)桁架弦桿截面的尺寸，柱腹桿與梁腹桿截面也分別由下部和端部軸力分別控制。根據(jù)所受內(nèi)力選取對(duì)應(yīng)構(gòu)件規(guī)格截面，每平米用鋼量40.65kg。同時(shí)對(duì)指標(biāo)選取、矢跨比選擇、計(jì)算長(zhǎng)度確定、抗風(fēng)措施、平面外設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行論述，并提供了解決方案，為今后活動(dòng)防雨棚的設(shè)計(jì)工作起到參考和啟示作用。

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