可移動式防雨棚設(shè)計與分析

郭愛東++付道鵬

摘要 可移動防雨棚是農(nóng)業(yè)科研試驗中常用的田間試驗設(shè)施，由可移動鋼結(jié)構(gòu)骨架、彩鋼板（陽光板）覆蓋、鋼軌道、電機、鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)、試驗用防滲混凝土測坑等構(gòu)件組成。隨著科學(xué)家對農(nóng)作物研究領(lǐng)域的不斷擴大，采集農(nóng)作物環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求越來越嚴(yán)格，可移動防雨棚越來越廣泛地出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)建筑工程設(shè)計中。近幾年因?qū)σ苿臃烙昱镌O(shè)計了解不夠，出現(xiàn)了很多設(shè)計上的問題，例如上部荷載過重造成移動困難，甚至一場雪就造成倒塌。因此，作為農(nóng)業(yè)建筑工程設(shè)計人員對移動防雨棚結(jié)構(gòu)的研究越來越重要。該文介紹可移動式防雨棚的工程概況、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計算等方面內(nèi)容，以供參考。

關(guān)鍵詞 可移動式防雨棚；設(shè)計；結(jié)構(gòu)特點；結(jié)構(gòu)布置

中圖分類號 S62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）12-0198-02

農(nóng)作物對水的需求規(guī)律與需水量是區(qū)域水資源配置、農(nóng)作物高效用水灌溉的基本參數(shù)。為準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物需水規(guī)律和需水量資料，按《灌溉試驗規(guī)范》要求，試驗研究要求在上隔絕天然降雨的影響、下隔絕地下水影響的蒸滲儀群組（即測坑群）中進(jìn)行，通過農(nóng)作物不同生育階段設(shè)計不同水分處理，定期觀測研究農(nóng)作物需水規(guī)律，并確定農(nóng)作物的需水量。蒸滲儀群組是帶有觀測廊道的有底測坑，起到隔絕地下水的向上補給的作用[1]；而隔絕天然降水影響，必須設(shè)計防天然降水影響的防雨棚，降雨時通過降雨感應(yīng)傳感器自動（或人工）控制關(guān)閉防雨棚，以防止降水落入試驗區(qū)農(nóng)作物的測坑之內(nèi)，雨停后自動（或人工）控制移動防雨棚至測坑群5 m遠(yuǎn)之外的地方，以保證陽光對農(nóng)作物的自然作用。因此，出現(xiàn)了可移動式防雨棚，也稱旱棚，如圖1所示。

1 工程概況

新建可移動防雨棚建設(shè)場地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市沙爾沁牧草資源重點野外科學(xué)觀測試驗站，為半自動可移動防雨棚，其結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示?？缍葹?5.0 m，總長度為60 m；防雨棚建筑面積900 m2。室內(nèi)道路標(biāo)高 ±0.000，種植地面標(biāo)高-0.200，室外標(biāo)高-0.200，建筑總高度5.8 m。

主要承重結(jié)構(gòu)為輕鋼桁架結(jié)構(gòu)，覆蓋材料采用弧形彩色壓型鋼板。承重結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)，其中±0.000以下為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-1.80 m?！?.000以上為拱型鋼桁架結(jié)構(gòu)[2]。

桁架為拱型結(jié)構(gòu)，分為外拱和內(nèi)拱，拱的上下弦高度均為800 mm，其中外拱平面跨度16 200 mm，外徑為12 859 mm，內(nèi)徑為14 321 mm；內(nèi)拱平面跨度15 000 mm，外徑為14 003 mm，內(nèi)徑為18 229 mm；桁架所有材料均采用鋼管63.0 mm×3.000，主結(jié)構(gòu)鋼柱、鋼桁架材料為Q235B鋼。拱桿為鋼管焊接式結(jié)構(gòu)，布置間距3.0 m，上下兩端焊裝在基礎(chǔ)的預(yù)埋工字型鋼軌上，并用3～4道縱向聯(lián)系桿件連接，形成一體式空間結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)特點

可移動防雨棚地下基礎(chǔ)部分常見的多為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面預(yù)埋“工”字型鋼軌道，防雨棚基礎(chǔ)平面如圖3所示；軌道上面焊接輕鋼結(jié)構(gòu)骨架防雨棚基礎(chǔ)連接節(jié)點如圖4所示；鋼骨架上鋪設(shè)鋼檁條，外覆蓋彩鋼板，每側(cè)分為外、內(nèi)側(cè)2個軌道，外側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)防雨棚比內(nèi)側(cè)的防雨棚略高大一些，一般情況下內(nèi)側(cè)防雨棚可以收回到外側(cè)防雨棚下面，當(dāng)科學(xué)試驗需要干旱環(huán)境時，通過電機將防雨棚移動到試驗田上防止雨水降落到植物上[3]。為了減少用鋼量同時便于整體結(jié)構(gòu)的移動，承重結(jié)構(gòu)設(shè)計為輕型桁架結(jié)構(gòu)，如圖5、6所示。

3 結(jié)構(gòu)布置

3.1 屋面支撐布置

屋面支撐的作用主要有：保證結(jié)構(gòu)的空間整體作用；避免壓桿側(cè)向失穩(wěn)，防止拉桿產(chǎn)生過大的振動；承擔(dān)和傳遞水平荷載；保證結(jié)構(gòu)安裝時的穩(wěn)定和方便[4]。

防雨棚內(nèi)外結(jié)構(gòu)的橫向抗側(cè)體系均采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第9.2.12條屋蓋上弦橫向支撐在防雨棚兩端開間各設(shè)置一道，屋面縱向在跨中通長設(shè)置垂直支撐一道；兩側(cè)鋼柱頂面通長設(shè)置縱向聯(lián)系桿。外拱結(jié)構(gòu)屋架上弦支撐平面布置如圖7所示。

下弦橫向水平支撐在防雨棚兩端開間各設(shè)置一道，屋面縱向在跨中通長設(shè)置垂直支撐一道，每個水平支撐處均沿開間通長設(shè)置縱向聯(lián)系桿件一道[5]，具體如圖8所示。

3.2 柱間支撐

合理布置柱間支撐體系可有效優(yōu)化主要承重構(gòu)件內(nèi)力分布情況，改善整體剛度分布，加強結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，使結(jié)構(gòu)整體共同抵御水平荷載，提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定性。

為了保證防雨棚結(jié)構(gòu)的整體空間工作，共同承擔(dān)及傳遞水平力，包括風(fēng)荷載、溫度作用及地震作用等，防止因防雨棚移動使桿件產(chǎn)生過大的振動，導(dǎo)致壓桿的側(cè)向失穩(wěn)，在結(jié)構(gòu)兩端開間屋面水平支撐相對應(yīng)處設(shè)置柱間支撐。柱間支撐的布置應(yīng)盡可能與屋面橫向水平支撐布置相協(xié)調(diào)，并形成上下整體共同工作的空間桁架體系。柱間支撐布置如圖9所示。

3.3 屋面檁條布置

屋面檁條的設(shè)置主要是為了屋面鋼板的跨度過大會造成撓度很大而設(shè)置的。屋面沿弧長間距1 m布置檁條。

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 荷載取值

4.1.1 地震荷載。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）》，本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.2 g，地震分組為第1組；建筑場地類別為Ⅱ類。

4.1.2 恒載。屋面恒荷載為0.30 kN/m2，屋面采用連續(xù)C型檁條支撐，單層屋面輕型彩鋼板，計算屋面檁條后，取0.5 kN/m2。

4.1.3 活荷載。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.2.1條和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》3.2.2條的規(guī)定，活荷載可以取0.3 kN/m2；基本風(fēng)荷載為0.55 kN/m2，按20年一遇設(shè)計，風(fēng)荷載取值為0.40 kN/m2；基本雪荷載為0.40 kN/m2，按20年一遇設(shè)計，雪荷載取值為0.30 kN/m2。endprint

4.2 計算模型

防雨棚經(jīng)過結(jié)構(gòu)布置后，簡化為平面桁架結(jié)構(gòu)形式，各桿的軸線在同一平面內(nèi)，節(jié)點均為鉸結(jié)，所有外荷載作用在桁架平面內(nèi)，并集中作用于節(jié)點上[1]。設(shè)計施工應(yīng)使節(jié)點間距等分一致，盡量將外荷載作用于桁架節(jié)點上，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。桁架與鋼柱鉸連接，鋼柱與鋼軌上的滑軌剛接。結(jié)構(gòu)計算模型如圖10所示。

4.3 計算軟件

利用平面結(jié)構(gòu)計算軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算。本項目采用PKPM系列中的鋼結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計程序[5-6]。

4.4 計算結(jié)果

鋼桁架高度0.8 m，上、下弦選用鋼管Φ63 mm×3 mm，腹桿鋼管Φ32 mm×3 mm，利用PKPM計算結(jié)果滿足強度要求，計算結(jié)構(gòu)如圖11所示。

5 結(jié)論分析

可移動防雨棚主要用于農(nóng)業(yè)科研試驗設(shè)施中，建設(shè)面積小，投資少，目前設(shè)計施工主要參考國家民用建筑規(guī)范，存在安全隱患，同時造成投資不必要的浪費。

目前的PKPM計算桁架式防雨棚只有平面簡化計算，暫時不能用三維計算模型進(jìn)行計算，對于空間協(xié)調(diào)的作用只能簡化計算。

可移動防雨棚需要通信專業(yè)、機械專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)互相配合，以保證防雨棚在溫度傳感器的作用下準(zhǔn)確地在設(shè)定的軌道上運動，以實現(xiàn)下雨時開啟移動模式用來遮雨；天晴時自動移動收到試驗田以外的地方。目前的防雨棚多數(shù)都是半自動的，要實現(xiàn)全自動的模式，還需要相關(guān)設(shè)計人員在技術(shù)上不斷改進(jìn)。

可移動防雨棚在柱腳的設(shè)計上要求柱腳要和鋼軌一起運動，要考慮水平力對鋼柱的影響，設(shè)計柱腳為剛性鉸。相對于一般排架結(jié)構(gòu)柱這里的柱腳要加強構(gòu)造加勁肋鋼板，以保證有足夠的剛度抵抗水平運動力。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：CECS102：2002[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB50011-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB50017-2003[S].北京：[出版者不祥]，2003.

[5] 柴昶.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[6] 谷邛英.北京站無站臺柱雨棚主桁架設(shè)計研究[J].鐵道工程學(xué)報，2006（9）：77-81.endprint