田仁進,喻麗華,曹興兵,蘇 文,紀 杰,燕鵬程,熊 偉
(1. 黔西南州煙草公司普安縣分公司,貴州 普安 561500;2.貴州大學機械工程學院,貴州 貴陽 550025)
我國塑料中棚種類很多,有竹木結構中棚、鋼管中棚、鋼筋-竹子混合結構中棚、鍍鋅鋼管結構中棚、其他棚架結構中棚等[1]?,F階段在黔西南烤煙育苗棚主要有:插地小棚、焊接鋼結構中棚、鍍鋅鋼管中棚,三種育苗棚各有優缺點。插地小棚:跨度1.15~1.20 m,長度6~8 m,高度0.6~0.7 m,每個棚育苗40張育苗盤。優點是建造簡單、取材方便,造價低廉,對地理條件要求低;缺點是規范化和標準化育苗過程中,管理難度極大,必須投入大量勞動力,壽命短,抗風雪荷載性能差[2]。焊接鋼結構中棚:跨度4~6 m,脊高2.6~3.0 m,長15~30 m,拱架是用鋼筋、鋼管或兩種結合焊接而成的平面桁架,縱向各拱架間用拉桿或斜交式拉桿連接固定形成整體,拱架上覆蓋薄膜。其優點是骨架堅固,沒有中柱,棚內空間大,透光性好,作業方便;缺點是骨架需要涂刷油漆防銹,1~2年需涂刷1次,造價高昂,對地理條件要求高,使用壽命6~7年[3]。鍍鋅鋼管中棚:跨度8 m,脊高2.5~3.2 m,長30 m,這種結構的中棚骨架、拱桿、縱向拉桿、端頭立柱均采用熱鍍鋅防銹處理,并采用焊接的工藝進行連接,使用壽命一般為8年[3]。優點是棚內空間大,遮光少,作業方便,抗腐蝕;缺點是承受風雪荷載能力很低,當積雪超過4 cm厚時就可將其壓塌。
本文設計了一種既能滿足烤煙育苗的小氣候環境要求,又能適當降低建造成本,提高空間利用率的中棚,即利用預制的水泥桿作為育苗棚的骨架(以下簡稱“砼架”),使所建造的中棚具有成本低、安裝方便、使用壽命長等優勢。
1.1.1 長度設計
常見的烤煙育苗鋼架中棚的規格一般為30.0 m×8.0 m×2.8 m,結合育苗地塊條件、烤煙育苗的小氣候環境需求及砼架結構中棚的承載力等因素,預制砼架中棚的總長設計為15 m。
1.1.2 跨度設計
跨度設計直接關系到中棚的使用功能和安全性[4-5]。常見塑料中棚跨度一般在4~8 m,小跨度的塑料中棚優點是結構緊湊、有較強的抗風、抗水能力,缺點是易受到外界環境溫差變化造成的影響[6]。預制砼架中棚的跨度初步選定4.0 m、4.5 m、5.0 m三種。
1.1.3 高度設計
中棚的高度設計要盡量通過降低高度來降低風阻和風壓,以及降低成本預算和減少散熱面積,以此來獲得更好的保溫能力[7]。在黔西南州調研發現,一般的中棚總高在2~3 m左右,考慮到中棚高度尺寸太小,不便于育苗的日常管理,因此,中棚高度設計為2.5 m。
1.1.4 總體尺寸確定
為了獲得經濟適用的砼架中棚,初步設計了3種中棚結構方案。方案Ⅰ,15.0 m×4.0 m×2.5 m;方案Ⅱ,15.0 m×4.5 m×2.5 m;方案Ⅲ,15.0 m×5.0 m×2.5 m。將三種結構中棚從占地面積、育苗盤數、單位面積盤數、操作性等方面進行對比分析,選出最優設計,三種結構中棚對比分析情況如表1所示。
表1 三種結構中棚對比分析
由表1可知:從空間利用率考慮,方案Ⅲ的單位面積育苗數最大,空間利用率最優,方案Ⅱ次之。但從抗風雪壓因素考慮,方案Ⅰ最優,方案Ⅱ次之。綜合考慮空間利用率及抗風雪壓因素,砼架中棚結構選取方案Ⅱ,即中棚總體尺寸設計為15.0 m×4.5 m×2.5 m。
1.2.1 中棚結構類型確定
為了獲得最優的中棚頂,研究了1/2圓形、1/4圓形以及“人”字形三種不同結構以及各銜接部件組裝設計方法,以找到一種安裝和拆卸方便、又不易損毀部件的組裝設計和方法。如圖1所示,圖中“⊕”代表銜接點。
圖1 中棚結構類型示意
由圖1可知:1/2圓形需要2個銜接點,1/4圓形和“人”字形均只需1個銜接點,所以從安裝便捷性方面看,后兩者有優勢;從穩定性看,“人”字形棚優于1/4圓形棚,但“人”字形棚的棚內操作空間過小、通風差,難以滿足烤煙育苗的實際需要。綜合分析,砼架中棚設計為1/4圓形頂。
1.2.2 砼架桿布置
中棚砼架布置如圖2所示,其中,每兩根砼架的縱向間距為1 m。
圖2 砼架中棚結構示意
1.2.3 砼架桿設計
為了獲得經濟適用的砼架桿,初步設計了三種規格的砼架桿結構:規格一,4 cm×5 cm;規格二,5 cm×5 cm;規格三,5 cm×8 cm。為了提高中棚的抗風雪荷載能力,砼架桿內采用如圖3所示的6#鐵絲編織的正三角形鐵絲網作為其內骨架。將三種規格的砼架桿從制作成本、承載力、抗裂性進行試驗對比,最終確定砼架桿的規格為4 cm×5 cm,砼架桿三維模型如圖4所示。
圖3 砼架桿內的骨架鐵絲網結構示意
圖4 砼架桿三維模型示意
棚內設計兩個縱向對稱布置的育苗池,池周圍用預制磚砌制。棚內育苗池結構如圖5所示。
圖5 育苗池結構示意
圖5中,苗池內長14.60 m,內寬1.85 m,苗池外埂寬0.20 m,內埂寬0.40 m。每池可育苗125盤,一個中棚共育苗250盤,其中,育苗盤規格:長57.00 cm、寬36.00 cm。
影響中棚使用壽命的自然因素有以下幾類:地震、風載、雪載、雨載等,由于該砼架是在貴州省黔西南境內推行使用,貴州省地震發生概率非常小,本設計主要考慮雪載、風載、雪載+風載。
雪荷載就是作用在溫室屋面上的雪壓[8]。雪降落在中棚上表面,以重力形式展現出來,對砼架烤煙育苗棚施加荷載。雪載值的大小為[9]
Sk=S0×μr
(1)
Sk為雪荷載標準值(kN/m2);S0為基本雪壓(kN/m2),在該國標規范中可得貴州地區基本雪壓值S0=0.4 kN/m2;μr為屋面積雪分布系數。
屋面積雪分布系數計算公式為[9]
(0.4≤μr≤1.0)(2)
l為大棚跨度(m);f為大棚弧形部分的高度(m)。則有
雪載
Sk=S0×μr=0.4×0.511 4=0.204 5 kN/m2
F總=Sk×S棚面積=0.204 5×4.5×15=13.806 8 kN
轉換為質量,則有
每一個大棚16根砼架,則分配到每一根砼架雪荷載約為86.3 kg。
風力是指風吹到物體上所表現出力量的大小。一般分為13個等級,即0~13級。0~5級的風沒有破壞力,對人們的生活影響很小。查閱相關資料,普安縣近十年風力統計:風力小于三級有1 921天、三級風力有219天、四級風力58天、五級風力11天、六級風力1天。四級稱為和風,對應風速約5.5~7.9 m/s,特征是能夠吹起塵土;五級稱為勁風,風速約8.0~10. 7 m/s,特征是能夠使小樹搖擺;六級稱為強風,風速約10.8~13.8 m/s,特征是能夠使電線有聲,撐傘困難。
根據上述風力氣象數據可知,普安縣風力對基礎設施的破壞力很小,幾乎可以忽略不計。為此,本砼架烤煙育苗棚設計忽略風荷載。
2.3.1 試驗目的及試驗器具
中棚靜載荷試驗目的:檢測中棚抗雪載能力,以確保其使用的安全性。試驗器具主要包括:尼龍繩、加載框、標準空心磚(磚的質量為20 kg)、秤。
2.3.2 試驗流程
試驗主要有以下幾個步驟:
(1)在中棚內任選一根砼架進行承載力試驗,為了使砼架均勻受力,在砼架上對稱布置兩個加載筐。
(2)依次向加載筐里放入空心磚模擬靜荷載,直到每框靜荷載大小為44 kg。
(3)中棚所加靜荷載保持一周,觀察砼架中棚的完好性。
2.3.3 結果及分析
靜荷載試驗現場如圖6所示,靜荷載在中棚上施加一周后,發現砼架完好無損,無斷裂和明顯裂紋,試驗結果表明,砼架中棚結構滿足強度要求。
圖6 砼架育苗中棚靜荷載試驗現場
為了分析砼架中棚的成本優勢,現將其與常見的鍍鋅鋼管中棚、插地小棚進行對比分析,三種育苗棚成本對比情況如表2所示。
表2 三種育苗棚成本比較
由表2可知:從建造成本來看,砼架中棚造價低于鋼架中棚、高于插地小棚;從使用年限來看,砼架中棚與鍍鋅鋼管中棚均為8年,明顯長于使用年限為1年的插地小棚;從每盤折算造價來看,砼架中棚為1.07 元/(盤·年),明顯低于鍍鋅鋼管中棚和插地小棚。綜合以上分析可知,砼架中棚成本優勢明顯。
砼架中棚示范點位于普安縣新店鎮爛木橋村,且滿足地勢偏高、土質肥沃、平坦、交通方便、距水源近、用電方便等基本要求,同時周圍無污染源對煙苗產生影響。試驗點東、南、西三個方向為開闊地,北邊有小山丘可作為天然屏障,中棚安裝方向為南北朝向,棚間距不低于80 cm,以利于棚內采光[10]。
通過項目實施,截至2021年4月已完成28個育苗棚建造。每棚實際育苗250盤,一個砼架中棚完成80 500株烤煙苗的育苗工作;以每畝栽1 100株煙計,通過本項目實施建造的中棚,可滿足2 044畝的煙地育苗需要。
設計并建造了一種烤煙育苗砼架中棚,中棚總體尺寸15.0 m×4.5 m×2.5 m,棚內對稱布置兩個育苗池,每棚可育苗250盤,共計80 500株烤煙苗,可供移栽面積73畝。
中棚整體結構緊湊,采用“混泥土+鐵絲骨架”的方法預制砼架,安裝便捷、對地塊大小要求不高、成本低,比較優勢明顯。
已建成的28個砼架中棚可供苗2 044畝,以使用年限8年計,較鍍鋅鋼管中棚節省8.3萬元,較當地插地小棚節省7.6萬元,經濟效益顯著。