河南省鋼骨架塑料大棚拱架結構標準化設計研究*

董曉星，杜南山，國志信，張濤，樸鳳植

(河南農業大學園藝學院，鄭州市，450002)

0 引言

鋼骨架結構塑料大棚是我國最常見的園藝設施類型，應用面積達1 225 khm2，占我國設施園藝面積的65.4%[1]，具有結構簡單、堅固耐用、室內空間大、土地利用率高、建造和運行成本低等優點[2-4]，在我國北方主要進行春提前和秋延后栽培，南方地區則可進行春季到秋季的長季節栽培，即春秋保溫和夏季避雨栽培。

近年來塑料大棚的安全問題頻發，主要原因是塑料大棚投資小，一般不會委托專門的設計單位進行設計驗算[5]，設計建造時無簡明扼要的地方標準可依，往往盲目套用他人經驗。有關塑料大棚結構安全性，研究人員做了大量的研究，郄麗娟等[6]設計了雙拱雙連雙膜塑料大棚，并對其安全性進行了驗算；劉云飛[7]對大慶市拱形塑料大棚調查的基礎上，計算了不同跨度桁架拱輕鋼塑料大棚的抗風性能，并對其骨架材料進行了優化設計。解恒燕等[8]對鋼拱架單棟塑料大棚平面內極限承載力進行了計算，分析了初始缺陷、矢跨比、長細比等參數對該大棚平面內極限承載力的影響。劉健等[9-10]對熱區沿海設施大棚的結構破壞形式和破壞機理進行了分析，并給出了防臺風的措施與修復方案。影響塑料大棚骨架結構安全性的因素主要有所在地荷載、跨度、脊高、棚面形狀、拱架材料類型、拱架間距等[11-13]，但是前人研究多是針對某一地區某一特定的結構參數某一特定的骨架結構類型進行的，沒有對不同地區、不同結構參數、不同結構類型的計算結果進行統計和歸納，研究結論普遍性不強，實踐中適用性不佳。

本研究利用Ansys Workbench軟件，建立了跨度為8、10、12、14 m的不同規格圓鋼管、幾字鋼、橢圓形鋼管和平面桁架結構塑料大棚，首先對河南省不同跨度不同拱架結構類型塑料大棚7種各荷載組合下的最大節點應力值進行了分析，篩選出塑料大棚的控制荷載和最不利荷載組合，然后根據最不利荷載組合下的節點最大應力值，以承載能力極限狀態對河南省18個地區不同跨度不同拱架結構類型塑料大棚進行安全性驗算，給出河南省塑料大棚拱架材料規格選型建議，以期為河南省塑料大棚拱架結構的選擇提供簡明且具有廣泛適用性的建議，促進其標準化發展。

1 材料與方法

1.1 大棚結構參數

塑料大棚常見的跨度L分別有8、10、12和14 m[14]。為適應農機化應用的需要，塑料大棚距棚邊0.5 m處的高度設計為1.5 m，即肩高f′，見圖1。肩高以上的棚面對應的高跨比均為0.2，即可得出相應脊高f，棚面形狀按照合理拱軸線進行設計。不同跨度塑料大棚結構參數見表1。

圖1 塑料大棚斷面示意圖Fig. 1 Cross section of plastic greenhouse

表1 塑料大棚結構參數Tab. 1 Structural parameters of plastic greenhouse

1.2 大棚結構材料

塑料大棚拱架材料類型主要有鍍鋅圓鋼管、幾字鋼、橢圓管和平面桁架[15-16]，經調查，常用的材料規格如表2所示。

表2 塑料大棚拱架結構常用材料規格Tab. 2 Common material specifications for arched beams used in plastic greenhouses mm

1.3 建模方法

本研究利用Ansys Workbench軟件建立大棚拱架結構模型，進行非線性靜力學分析[17]。溫室骨架采用Beam188單元，網格尺寸0.1 m，拱架與地面采用固定端約束進行連接[18]。模型采用結構鋼Q235模擬鍍鋅鋼材的材料特性，彈性模量為2 000 MPa，泊松比為0.3，屈服強度235 MPa[19]，密度7.85 t/m3。將永久荷載、雪荷載和風荷載分別輸入建好的模型中，可計算得出各荷載單獨作用下結構的應力值，然后按照不同荷載組合將應力進行疊加，即得到各大棚結構的不同荷載組合效應設計值。

1.4 試驗設計

分別建立不同跨度不同拱架材料規格的塑料大棚模型，跨度共設置8、10、12、14 m共4個水平，拱架材料規格按表2并結合驗算結果進行設置，設計有32 mm×2 mm圓鋼管、30 mm×50 mm×2 mm幾字鋼、25 mm×50 mm×2 mm橢圓管、40 mm×70 mm×2 mm幾字鋼、30 mm×75 mm×2 mm橢圓管和20 mm×2 mm圓鋼管組成的平面桁架6個水平，分別用A、B、C、D、E、F表示，不同處理組合如表3所示，共24個處理。

表3 不同跨度不同拱架材料塑料大棚處理Tab. 3 Treatment of plastic greenhouses with different span and different arch materials

2 荷載計算、統計與組合

2.1 荷載計算

本研究主要考慮永久荷載、風荷載和雪荷載3種主要荷載對塑料大棚的影響。永久荷載主要考慮骨架自重，由軟件自動計算。根據實際應用情況，塑料大棚使用壽命按15年按計算，對應可在《溫室結構荷載設計規范》[20](以下簡稱《荷載規范》)中查出河南省18個地區15年荷載重現期對應的基本風壓和基本雪壓，如表4所示。其中洛陽市的基本風壓在《荷載規范》中未明確給出，按其下轄區縣孟津縣取值。

表4 河南省各地基本風壓和基本雪壓Tab. 4 Basic wind pressure and basic snow pressure in different regions of Henan Province kPa

2.2 荷載統計

從表4可知，河南省18個地區的基本風壓和基本雪壓呈現明顯的區間性，為方便對溫室結構進行安全性驗算，減少驗算工作量，將上述地區的基本雪壓和基本風壓進行了分級，并計算了跨度8、10、12和14 m塑料大棚對應的均勻雪荷載標準值、不均勻雪荷載標準值，風荷載標準值，分別如表5和表6所示。

表5 河南省18個地區不同跨度塑料大棚雪荷載分級和標準值Tab. 5 Classification and characteristic value of snow load on plastic greenhouse with different spans in 18 regions of Henan Province

表6 河南省18個地區不同跨度塑料大棚風荷載分級和標準值Tab. 6 Classification and characteristic value of wind load on plastic greenhouse with different spans in 18 regions of Henan Province

其中雪荷載是豎直向下的，均為正值，考慮均勻分布和不均勻分布兩種情況；風荷載是垂直于作用面的，正值為壓力，負值為拉力。

2.3 承載能力極限狀態

按照《荷載規范》的相關規定，塑料大棚拱架結構安全性按照承載能力極限狀態進行驗算，應滿足式(1)。

γ0Sd≤Rd

(1)

式中：γ0——結構重要性系數，取0.9；

Sd——荷載效應設計值，按照式(2)進行計算；

Rd——結構抗力設計值，本研究中取碳素結構鋼Q235的屈服強度，為235 MPa。

(2)

式中：SGk——永久荷載的荷載效應；

SQ1k——主導可變荷載的荷載效應；

SQik——可變荷載的荷載效應，分別利用Ansys Workbench軟件計算得到；

γG——永久荷載的分項系數，取1.0；

γQi——可變荷載的分項系數，本研究主要考慮風荷載和雪荷載，分別取1.0和1.2；

ψci——可變荷載的組合值系數，風荷載和雪荷載分別取0.6和0.7。

2.4 荷載組合

塑料大棚結構設計在考慮永久荷載、風荷載和雪荷載情況下，按照承載能力極限狀態的要求，其荷載組合如下所示。

組合1：1.0×永久荷載+1.2×均勻雪荷載

組合2：1.0×永久荷載+1.2×不均勻雪荷載

組合3：1.0×永久荷載+1.0×風荷載

組合4：1.0×永久荷載+1.2×均勻雪荷載+1.0×0.6×風荷載

組合5：1.0×永久荷載+1.2×不均勻雪荷載+1.0×0.6×風荷載

組合6：1.0×永久荷載+1.0×風荷載+1.2×0.7×均勻雪荷載

組合7：1.0×永久荷載+1.0×風荷載+1.2×0.7×不均勻雪荷載

3 結果與分析

3.1 河南省塑料大棚最不利荷載組合篩選

圖2～圖5載明了河南省8、10、12和14 m跨度的平面桁架、幾字鋼、橢圓管結構塑料大棚模型的最大節點應力值。

在河南省18個地區中，除欒川、南陽、商丘和固始4個地區外，其他的14個地區各跨度各拱架結構類型的塑料大棚在荷載組合3作用下，拱架的應力最大，其次是組合2，這些地區塑料大棚設計時的最不利荷載組合為組合3，即1.0×永久荷載+1.0×風荷載。

圖2 河南省8 m跨度不同拱架結構類型塑料大棚內各荷載組合下最大節點應力值Fig. 2 Maximum node stress values of plastic greenhouses with 8 m span and arch structure types in Henan Province under various load combinations

圖3 河南省10 m跨度不同拱架結構類型塑料大棚內各荷載組合下最大節點應力值Fig. 3 Maximum node stress values of plastic greenhouses with 10 m span and arch structure types in Henan Province under various load combinations

圖4 河南省12 m跨度不同拱架結構類型塑料大棚內各荷載組合下最大節點應力值Fig. 4 Maximum node stress values of plastic greenhouses with 12 m span and arch structure types in Henan Province under various load combinations

圖5 河南省14 m跨度不同拱架結構類型塑料大棚內各荷載組合下最大節點應力值Fig. 5 Maximum node stress values of plastic greenhouses with 14 m span and arch structure types in Henan Province under various load combinations

欒川、南陽、商丘和固始4個地區各跨度各拱架結構類型的塑料大棚在荷載組合2作用下，拱架的應力最大，其次是組合3，其最不利荷載組合為組合2，即1.0×永久荷載+1.2×不均勻雪荷載，且組合3和組合2作用下塑料大棚內的節點最大應力接近，組合2較組合3大0.1～40 MPa，大約0.1%～21.5%。因此，河南省大多數地區，風荷載是塑料大棚的首要不利荷載，對塑料大棚的安全性影響最大，其次是雪荷載。

3.2 河南省不同跨度不同拱架結構塑料大棚安全性判斷

3.2.1 河南省14地區不同跨度不同拱架材料規格塑料大棚安全性判斷

除欒川、南陽、商丘和固始4個地區外，河南省其他的14個地區不同跨度不同拱架材料規格塑料大棚按照最不利荷載組合計算最大節點應力值，如表7所示。按承載能力極限狀態，當結構中最大節點應力值Rd/0.9 ≤235 MPa時，則結構滿足安全性要求，否則不安全。從表7中可以看出，14個地區中8A處理下塑料大棚的最大節點應力值在282.0～693.0 MPa之間變化，因此以32 mm×2 mm 的圓形鋼管作為拱架材料，8 m跨度塑料大棚在14個地區均無法滿足安全性要求，則10、12和14 m跨度圓形鋼管結構的塑料大棚的計算結果不再列出。

8B、10B、12B和14B處理下塑料大棚的最大節點應力值分別在92.8～247.0 MPa、131.0～349.0 MPa、195.0～508.0 MPa和266.0～677.0 MPa之間變化。因此，使用30 mm×50 mm×2 mm的幾字鋼作為拱架材料，8 m跨度塑料大棚在14個地區均可滿足安全性要求，10 m跨度下除安陽以外其他地區可滿足安全性要求，12 m跨度下僅在盧氏、三門峽2地能夠滿足安全性要求，14 m跨度下所有地區均不能滿足安全性要求。8C、10C、12C和14C處理下塑料大棚的最大節點應力值分別在105.0～279.0 MPa、148.0～392.0 MPa、220.0～568.0 MPa和300.0～756.0 MPa之間變化。因此使用25 mm×50 mm×2 mm的橢圓管作為拱架材料，則8 m跨度塑料大棚在14個地區均可滿足安全性要求，10 m跨度下在除孟津、洛陽、寶豐和安陽外的地區可滿足安全性要求，12 m跨度下僅在盧氏地區可滿足安全性要求，14 m跨度下所有地區均不能滿足安全性要求?？梢钥闯?，8 m跨度下，30 mm×50 mm×2 mm 的幾字鋼和25 mm×50 mm×2 mm的橢圓管已經能夠滿足14地區塑料大棚安全性要求，因此不再對更大規格的幾字鋼和橢圓管塑料大棚(即8D和8E)進行驗算。

10D、12D、14D處理下塑料大棚的最大節點應力值分別在78.8～202.0 MPa、110～301.0 MPa、153.0～412.0 MPa之間變化。10E、12E、14E處理下塑料大棚的最大節點應力值分別在84.7～234.0 MPa、106.0～291.0 MPa、146.0～398.0 MPa之間變化。使用40 mm×70 mm×2 mm的幾字鋼和用30 mm×75 mm×2 mm的橢圓管作為拱架材料的塑料大棚，其安全性判斷結果完全一致，即10m跨度塑料大棚在14個地區均可滿足安全性要求，12m跨度塑料大棚下在除安陽以外其他地區可滿足安全性要求，14 m跨度情況下在除孟津、洛陽、寶豐和安陽外其他地區可滿足安全性要求。

8F、10F、12F和14F處理下塑料大棚的最大節點應力值分別在18.8～51.3 MPa、26.2～71.9 MPa、40.1～110.0 MPa和56.6～154.0 MPa之間變化。使用20 mm×2 mm圓形鋼管組成的桁架結構作為拱架材料的8、10、12、14 m跨度塑料大棚在14個地區均可滿足安全性的要求，且存在較大冗余，因此未對更大規格的桁架結構進行驗算。

表7 河南省14地區不同跨度不同拱架結構塑料大棚最不利荷載組合下的節點最大應力值和安全性判斷結果Tab. 7 Maximum joint stress and safety of plastic greenhouse with different spans and arch structures under the most dangerous load combination in 14 areas of Henan Province

3.2.2 欒川、南陽、商丘和固始4地區不同跨度不同拱架材料規格塑料大棚安全性判斷

欒川、南陽、商丘和固始4地區不同跨度不同拱架材料規格塑料大棚按照最不利荷載組合計算最大節點應力值和安全性判斷結果，如表8所示。從安全性判斷的結果來看，欒川、南陽、商丘、固始4地區的塑料大棚雖然是被永久荷載+不均勻雪荷載控制，但是所有處理下欒川和南陽2地與盧氏、商丘與三門峽、固始與新鄉的安全性判斷結果是完全一致的，因此可將欒川、南陽、商丘、固始4地區歸納合并至上述地區并進行相應的材料規格選型。

3.3 河南省不同跨度塑料大棚拱架結構選材建議

根據表7和表8的安全性判斷結果，以風荷載作為控制荷載，河南省18地區不同荷載等級下8～14 m跨度鋼骨架結構塑料大棚材料規格選型建議如下。目前常用規格的圓形鋼管均不適用于8～14 m跨度的塑料大棚。1～6級風荷載下8 m跨度塑料大棚、1～5級風荷載下10 m跨度塑料大棚和1～2級風荷載下 12 m 跨度塑料大棚可采用30 mm×50 mm×2 mm 的幾字鋼。6級風荷載下10 m跨度塑料大棚、3～5級風荷載下12 m跨度塑料大棚和1～4級風荷載下14 m跨度塑料大棚應采用40 mm×70 mm×2 mm 的幾字鋼。1～6級風荷載下8 m跨度塑料大棚、1～4級風荷載下10 m跨度塑料大棚和1級風荷載下12 m跨度塑料大棚可采用25 mm×50 mm×2 mm 的橢圓管，5～6級風荷載下10 m跨度塑料大棚、2～5級風荷載下12 m 跨度塑料大棚和1～4級風荷載下14 m跨度塑料大棚應采用30 mm×75 mm×2 mm的橢圓形鋼管，40 mm×70 mm×2 mm的幾字鋼和30 mm×75 mm×2 mm 的橢圓管均不能滿足6級風荷載下12 m和5～6級風載荷下14 m跨度的塑料大棚。20 mm×2 mm的圓鋼管制成的平面桁架可滿足8～14 m跨度塑料大棚的安全性要求。

表8 欒川、南陽、商丘和固始4地區不同跨度不同拱架結構塑料大棚最不利荷載組合下的節點最大應力值和安全性判斷結果Tab. 8 Maximum joint stress and safety of plastic greenhouse with different spans and different arch structures under the most dangerous load combination in Luanchuan, Nanyang, Shangqiu, and Gushi

4 討論

本研究建立跨度為8、10、12、14 m，拱架材料為32 mm×2 mm圓鋼管、30 mm×50 mm×2 mm幾字鋼、25 mm×50 mm×2 mm橢圓管、40 mm×70 mm×2 mm幾字鋼、30 mm×75 mm×2 mm橢圓管和20 mm×2 mm圓鋼管組成的平面桁架，共24個塑料大棚模型，模擬了河南省18個地區塑料大棚在7種荷載組合情況下的節點應力情況，篩選了3 024組荷載組合數據，得出塑料大棚的控制荷載和最不利的荷載組合；做了432組塑料大棚安全性驗算分析，為河南省18地區不同跨度不同拱架材料的塑料大棚安全性分析和標準化研究提供了數據支撐，在此基礎上給出了河南省塑料大棚的材料規格選型建議，該結果具有廣泛適應性的。

以河南省18個地區鋼骨架結構塑料大棚為研究對象，分別建立了6種常用拱架材料、跨度為8 m、10 m、12 m、14 m的塑料大棚模型，篩選出河南省18個地區塑料大棚的控制荷載和最不利荷載組合。在河南省18地區中，除欒川、南陽、商丘和固始4地，其他14地區塑料大棚的控制荷載為風荷載，最不利荷載組合為永久荷載+1.0×風荷載。欒川、南陽、商丘和固始4地的控制荷載是雪荷載，最不利荷載組合為永久荷載+1.2×不均勻雪荷載。出現這樣不一致的原因是，這4個地區中，欒川和南陽的風荷載為0.28 kPa，商丘和固始的風荷載為0.35 kPa，但是欒川的雪荷載為0.29 kPa，南陽和商丘的雪荷載為0.34 kPa，固始的雪荷載為0.40 kPa，風荷載小于或接近雪荷載，造成不均勻雪荷載的情況下的荷載效應較風荷載大，最不利荷載組合為永久荷載+1.2×不均勻雪荷載。另外14個地區的風荷載均大于雪荷載，分別較雪荷載大0.05～0.38 kPa，因此這些地區的風荷載的荷載效應大于不均勻雪荷載，最不利荷載組合為永久荷載+1.0×風荷載。

本研究中采用的塑料大棚拱架材料規格是根據實際調研得到的，但是幾字鋼和橢圓管是冷彎型材，市場上的規格存在較大差異，造成研究結果不可能完全滿足市場上所有的型號和規格。材料規格的多樣也限制了塑料大棚的標準化發展，因此在設施結構標準化的同時需要在產業上游規范大棚的材料規格型號。

5 結論

利用Ansys Workbench軟件對河南省18地區不同跨度(8、10、12、14 m)不同拱架材料的塑料大棚進行了模擬計算，篩選出控制荷載和最不利荷載組合，發現欒川、南陽、商丘和固始4地塑料大棚的控制荷載是雪荷載，最不利荷載組合為永久荷載+1.2×不均勻雪荷載，其他14地區塑料大棚的控制荷載為風荷載，最不利荷載組合為永久荷載+1.0×風荷載。在河南省18地區中，風荷載是塑料大棚的首要不利荷載，對塑料大棚的安全性影響最大，其次是雪荷載。

然后，利用最不利荷載組合下的承載能力極限狀態驗算了其安全性，在432組塑料大棚結構安全性驗算分析的基礎上，給出了河南省塑料大棚拱架材料規格選型建議。發現常用規格的圓形鋼管均不能滿足8～14 m跨度的塑料大棚的安全性。采用30 mm×50 mm×2 mm的幾字鋼為拱架材料可滿足1～6級風荷載下8 m跨度塑料大棚、1～5級風荷載下10 m跨度塑料大棚和1～2級風荷載下12 m跨度塑料大棚的安全性要求。采用40 mm×70 mm×2 mm的幾字鋼為拱架材料可滿足6級風荷載下10 m跨度塑料大棚、3～5級風荷載下12 m跨度塑料大棚和1～4級風荷載下14 m跨度塑料大棚的安全性要求。采用25 mm×50 mm×2 mm的橢圓管可滿足1～6級風荷載下8 m跨度塑料大棚、1～4級風荷載下10 m跨度塑料大棚和1級風荷載下12 m跨度塑料大棚的安全性要求，采用30 mm×75 mm×2 mm的橢圓形鋼管可滿足5～6級風荷載下10 m跨度塑料大棚、2～5級風荷載下12 m跨度塑料大棚和1～4級風荷載下14 m跨度塑料大棚的安全性要求，40 mm×70 mm×2 mm的幾字鋼和30 mm×75 mm×2 mm的橢圓管均不能滿足6級風荷載下12 m 和5～6級風荷載下14 m跨度的塑料大棚的安全性要求。20 mm×2 mm的圓鋼管制成的平面桁架可滿足8～14 m跨度塑料大棚的安全性要求。該建議對河南省塑料大棚的材料規格選擇具有廣泛的適用性。