摘要 光伏與農(nóng)業(yè)結合發(fā)展，可以在農(nóng)用地上復合利用光伏發(fā)電，其中在農(nóng)業(yè)設施塑料大棚上應用較為廣泛。為實現(xiàn)桁架拱塑料大棚光伏發(fā)電的功能，結合實際生產(chǎn)情況確定光伏板敷設在大棚骨架上的布置位置，計算出大棚骨架所受荷載，本文利用ABAQUS有限元軟件對大棚結構進行三維建模，對改造前和改造后的大棚骨架進行有限元分析。結果表明，改造前光伏板直接安裝在塑料大棚骨架上，在風雪天氣安全使用效果較差；而改造后20.5 kg的光伏板可直接設置在桁架拱塑料大棚上，可以安全使用。改造使用的加固方法可適用于基本風壓0.39 kN/m2、基本雪壓0.66 kN/m2的其他地區(qū)。

關鍵詞 光伏大棚；功能改造；結構優(yōu)化；有限元分析

中圖分類號 S625.1；S214 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）05-0087-05

Optimization design of photovoltaic greenhouse framework structure for

plastic greenhouse renovation

SHI Yini" " WU Xiao" " WANG Peng" " LI Yuansong" " ZHANG Enzhe" " ZHAO Zirui

（College of Agronomy， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， China）

Abstract The combination of photovoltaic and agricultural development can enable the composite utilization of photovoltaic power generation on agricultural land， with plastic greenhouses in agricultural facilities being more widely used. To achieve the function of photovoltaic power generation in truss arched plastic greenhouses， the layout position of photovoltaic panels laid on the greenhouse framework is determined based on actual production conditions， and the load on the greenhouse framework is calculated. This article used ABAQUS finite element software to conduct three-dimensional modeling of greenhouse structures and finite element analysis of the greenhouse skeleton before and after renovation. The results showed that before the renovation， the photovoltaic panels were directly installed on the plastic greenhouse framework， and the safety effect was poor in windy and snowy weather; After the renovation， a 20.5 kg photovoltaic panel can be directly installed on the plastic greenhouse of the truss arch， which can be used safely. The reinforcement method used in the renovation can be applied to other areas with a basic wind pressure of 0.39 kN/m2 and a basic snow pressure of 0.66 kN/m2.

Keywords photovoltaic greenhouse; conversion of functionality; optimising structures; finite element analysis

開發(fā)利用可再生能源是解決碳排放問題的重要途徑之一，其中，光伏發(fā)電可以將太陽能轉化為電能，是目前利用太陽能的主要方式之一。得益于農(nóng)業(yè)設施的朝向，光伏板搭設在溫室上方，溫室內(nèi)部可以保持原有的生產(chǎn)活動，光伏產(chǎn)業(yè)還可以與農(nóng)業(yè)設施優(yōu)勢互補。光伏產(chǎn)生的電能可以用于溫室內(nèi)部的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，如有額外電能還可以并入電網(wǎng)，增加農(nóng)戶收益[1]。農(nóng)戶嘗試將光伏板設置在塑料大棚上，但在不了解塑料大棚骨架受力的前提下，可能會破壞大棚主體結構。對于光伏與溫室大棚結合性的研究，周長吉[2-3]發(fā)現(xiàn)在較低的投資條件下可以將光伏大棚與食用菌種植進行結合。設置在塑料大棚上的光伏板可以起到遮陽降溫的作用，在炎熱的夏季能夠使大棚內(nèi)形成相對涼爽的氣候條件；焦娟等[4]對光伏溫室種植菌菜提出相應的對策。徐明磊等[5]為充分發(fā)揮光伏溫室補光、補熱等優(yōu)勢，進行光伏溫室反季節(jié)番茄栽培，取得了較好的經(jīng)濟效益。李天宇等[6]對比研究了光伏溫室屋頂組件4種典型排列方式在4個典型緯度地區(qū)春夏秋冬季節(jié)的溫室大棚太陽光利用率。對于結構優(yōu)化方面的研究，大部分集中在對新型大棚、溫室大棚抗風雪能力的結構優(yōu)化[7-9]，對于溫室大棚功能提升改造的結構優(yōu)化研究較少。本研究采用ABAQUS軟件利用有限元分析大棚改造前后的受力情況，給出合適的加固方法并驗證該方法的安全性，為塑料大棚功能改造提供參考。

1 材料與方法

1.1 大棚骨架基本信息分析

為使改造后的光伏溫室大棚骨架結構優(yōu)化設計結果具有代表性和指導性，選取塑料大棚較多，風、雪荷載標準值相對較高的地區(qū)。本文選取黑龍江省佳木斯地區(qū)棚型為桁架拱型的塑料大棚，大棚跨度l =10 m，矢高f =3.6 m，桁架高度為200 mm，桁架節(jié)點間距為1 200 mm。

1.2 改造后荷載的計算

根據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》（GB/T 51183—2016）的要求，塑料大棚設計時需要考慮永久荷載和可變荷載，綜合規(guī)范中規(guī)定的設計使用年限和實際塑料大棚的使用年限，桁架拱塑料大棚骨架使用年限取15年。

1.2.1 永久荷載" 塑料大棚的永久荷載包括結構自重和覆蓋材料自重。桁架拱塑料大棚上弦材料為鋼管，鋼管型號選用Q235，壁厚為3 mm，直徑為45 mm。腹桿和下弦材料選用直徑8 mm的HRB 335型號鋼筋。覆蓋材料為PE塑料膜，自重為0.01 kN/m2，塑料大棚骨架每榀間隔1 m，塑料膜自重的覆蓋面積計算寬度為1 m。永久荷載在受力分析時以重力荷載的方式直接加載計算。

1.2.2 風荷載" 風荷載是垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，按公式[wk= μsμzw0]計算。該地區(qū)15年重現(xiàn)期時基本風壓w0=0.39 kN/m2；桁架拱形屋面矢高f為3.6 m，μz為風壓高度變化系數(shù)，取1.0；μs根據(jù)單跨落地拱形屋面的風荷載體型系數(shù)要求計算，取0.42。左半跨風荷載wk=0.164 kN/m，右半跨風荷載wk=-0.195 kN/m。

1.2.3 雪荷載" 坡屋面的雪荷載水平投影面范圍為8.4 m，按公式Sk=μrCtS0計算。Ct是加熱影響系數(shù)，取1.0；該地區(qū)重現(xiàn)期為15年時的基本雪壓S0=0.66 N/m2。

塑料大棚結構桿件截面小，整體計算需要考慮雪荷載均勻和不均勻分布兩種情況。當單跨拱形屋面雪荷載均勻分布時，屋面積雪分布系數(shù)為μr=0.4。此時均勻分布情況下的雪荷載Sk=0.27 kN/m。

當單跨拱形屋面雪荷載不均勻分布情況時，屋面積雪分布系數(shù)μr=2。此時不均勻分布情況下的雪荷載，左半跨雪荷載Sk=0.66 kN/m，右半跨雪荷載Sk=1.32 kN/m。

其中，雪荷載不均勻分布的荷載值遠大于均勻分布的雪荷載，受力分析按不均勻雪荷載計算。

1.2.4 光伏板荷載" 由于改造的是已投入使用的塑料大棚，大棚的間距是固定的。為不影響原有生產(chǎn)要求，選擇沿大棚長度方向連續(xù)鋪設自重較輕面積較小不影響棚內(nèi)生產(chǎn)的單塊光伏板[10]。查閱《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》（GB 50797—2012）得到該地區(qū)光伏板設置的最佳傾角為48°。單榀大棚骨架布置光伏板如圖1所示。

光伏板設置在大棚骨架上時就和原有大棚骨架結構形成一個整體，光伏板荷載包括結構自身重力荷載、雪荷載以及風荷載。光伏板大棚大多采用300 W單晶硅太陽電池組件，單個組件面積約為1.6 m2，單個光伏板組件與支柱總重量為20.5 kg，每榀骨架上光伏板永久荷載為0.21 kN。

風荷載根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》中單坡頂蓋體型要求計算，光伏板體型如圖2所示，此時光伏板體形系數(shù)μs1= -1.4，μs2= -0.6，μs3= +1.4，μs4= +0.6，迎風面風荷載為wk1=βz μs1，3μzw0=0.55 kN/m，背風面風荷載wk2=βz μs2，4 μzw0=0.24 kN/m。

雪荷載根據(jù)規(guī)范中單跨單坡屋面積雪分布系數(shù)μr的計算要求，當光伏板夾角α為48°時μr=0.32。光伏板所受積雪荷載Sk=0.21 kN/m。

1.3 荷載組合設計

實際生產(chǎn)使用過程中最不利情況為風雪荷載共同作用的情況。按公式[Sd=SGK+SQ1K+i=2ΨciSQiK]計算荷載組合。其中[SGK]為永久荷載標準值，[SQiK]為第i個可變荷載標準值，[SQ1K]為可變荷載效應中起控制作用的標準值，[Ψci]為第i個可變作用的組合值系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范取風荷載組合值系數(shù)為0.6，雪荷載組合值系數(shù)為0.7，光伏板荷載組合值系數(shù)為0.7。光伏溫室大棚荷載組合為[Sd]=永久荷載+0.7×雪荷載+0.6×風荷載+0.7×光伏板荷載。

2 結果與分析

2.1 骨架使用階段的安全性分析

對已建好的大棚進行改造，需要對大棚實際使用過程中的受力情況進行分析，計算不改造大棚直接安裝光伏板時大棚骨架應力與變形情況，根據(jù)得到的結果對大棚進行有效加固，再分析加固后的大棚骨架的應力與變形情況。根據(jù)《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）按一階彈性計算分析使用中的桁架拱塑料大棚骨架的應力和變形，其中大棚骨架應力小于材料的屈服強度，上弦材料屈服強度為235 MPa，下弦及腹桿屈服強度為335 MPa。豎向位移變形應小于撓度容許值，荷載組合情況下的撓度容許值為25 mm。水平方向位移應小于水平位移容許值，在風荷載標準值作用下，柱頂水平位移容許值為24 mm。

2.2 改造前大棚骨架應力與變形模擬與分析

桁架拱塑料大棚骨架間距為1 m，選取其中一榀為研究對象。利用ABAQUS軟件對改造后的光伏溫室大棚骨架進行三維建模，通過有限元分析計算出改造前光伏板單獨作用以及光伏板荷載組合情況下大棚骨架的應力與變形。大棚的上弦、下弦、腹桿均采用三維線性梁單元（B31）模擬[11]。

2.2.1 改造前應力與變形模擬" 在大棚骨架上弦右跨以集中荷載的方式模擬光伏板所受的風雪荷載以及自重，荷載及約束布置如圖3所示。荷載組合作用下結構的受力位置及約束布置如圖4所示。

2.2.2 改造前應力與變形結果分析" 光伏板單獨作用時受力分析的應力云圖及位移云圖結果如圖5所示。光伏板荷載與風雪荷載組合時骨架應力云圖及位移云圖如圖6所示。

2.2.3 改造前受力結果分析" 改造前光伏板單獨作用時，通過位移云圖5（A）可以看出應力最大為173.5 MPa，此時塑性應變PEEQ為0，最大應力的位置材料未屈服。位移云圖5（B）可以看出豎向位移l為16.13 mm，未超過撓度容許值25 mm，此時上弦跨水平方向位移h為3.84 mm，未超過水平位移容許值。即只有光伏板自己作用時，應力和變形均未超過安全性要求。

改造前荷載組合作用時，通過應力云圖6（A）結果可以發(fā)現(xiàn)應力的最大值出現(xiàn)在大棚骨架下弦一節(jié)點處，此時等效塑性應變PEEQgt;0，表示桁架拱塑料大棚下弦右側一節(jié)點屈服。通過位移云圖6（B）可知大棚骨架豎向位移l最大值為39.14 mm，超過撓度容許值。此時上弦跨中水平位移h=12.62 mm，未超過容許值。說明改造前的荷載組合下，風雪天氣下光伏大棚不滿足安全性要求。

2.3 改造后大棚骨架應力與變形模擬與分析

當光伏板荷載與風雪荷載組合時不能滿足使用需求，選擇造價低、施工方便且安全可靠的加固方法。通過對改造前的結果分析發(fā)現(xiàn)，大棚骨架屈服和位移較大的位置均發(fā)生在下弦部位，可以適當?shù)脑龃笙孪医孛娣e來增大承載能力。加固方法為設置立柱與增大下弦截面積共同配合。經(jīng)有限元軟件分析計算發(fā)現(xiàn)當下弦截面積為78.5 mm2時滿足荷載組合條件下的安全性要求。但考慮到需要加固的大棚均建好已投入生產(chǎn)，在不能更換下弦材料的情況下，可以緊貼下弦焊接鋼筋起到增大截面積的效果。經(jīng)查找規(guī)范發(fā)現(xiàn)兩根直徑8 mm的鋼筋橫截面積為101 mm2，所以增大下弦截面時緊貼下弦焊接一根直徑8 mm的HRB 335級鋼筋。立柱選用直徑45 mm，壁厚3 mm的Q235型號的鋼管。加固方法如圖7所示。

2.3.1 改造后荷載組合應力與變形模擬分析" 加固后的大棚結構、荷載受力位置及約束如圖8所示。

2.3.2 改造后荷載組合應力與變形模擬結果" 加固后光伏板荷載與風雪荷載組合時大棚骨架應力云圖如圖9所示。

2.3.3 改造后荷載組合受力結果分析" 通過圖9可以看出應力最大值出現(xiàn)在下弦區(qū)域，為234.5 MPa，此時等效塑性應變PEEQ=0，表示桁架拱塑料大棚下弦未屈服。水平與豎向位移變形未超過容許值。說明加固后最不利的荷載組合情況下，光伏大棚滿足安全性要求，可以安全使用。

3 結論

本研究為提高塑料大棚的應用效率，將大棚與光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)結合。通過對已有大棚結構進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)改造前光伏板單獨作用時，對于相同重量的光伏板，若設置在所示大棚位置，骨架可以安全使用。考慮荷載組合情況下，光伏板不可直接設置在桁架拱塑料大棚上。分析發(fā)現(xiàn)改造前大棚的桁架下弦為受力薄弱位置，改造方法選用在大棚內(nèi)部設立支柱，在大棚骨架下弦焊接一根直徑8 mm的HRB 335級鋼筋。對改造后的大棚結構進行有限元分析，最不利的荷載組合時，若遇到風雪天氣，重量為20.5 kg的光伏板可以直接設置在桁架拱塑料大棚上。大棚塑料薄膜撤除后，只考慮光伏板荷載與風荷載組合，此時重量為20.5 kg的光伏板設置在大棚骨架上也是安全的。改造使用的加固方法可以適用于基本風壓0.39 kN/m2、基本雪壓0.66 kN/m2的其他地區(qū)，為桁架拱型塑料大棚骨架改造提供參考。

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（責編：李 媛）

基金項目 黑龍江八一農(nóng)墾大學三縱基礎（自然）項目（ZRCPY202223）；黑龍江省大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（S202310223014）。

作者簡介 史旖旎（1996—），女，遼寧營口人，碩士，助教，從事設施結構工程和設計研究。

收稿日期 2023-12-27