基于“農(nóng)機(jī)-農(nóng)藝-設(shè)施”融合的宜機(jī)化塑料大棚抗風(fēng)性能分析*

張 升，徐 堅(jiān)，張根清，宋衛(wèi)堂,2，蘇世聞，陳先知，朱隆靜，王克磊，李 明,2**

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.溫州科技職業(yè)學(xué)院，浙江溫州 325014；4.浙江真合溫室科技有限公司，浙江溫州 325014）

塑料大棚是一種以鋼管為拱架、以塑料薄膜為覆蓋材料的輕型鋼結(jié)構(gòu)。由于建造成本低、施工速度快，應(yīng)用非常廣泛，是中國最重要的蔬菜生產(chǎn)設(shè)施類型，占中國溫室總面積的66.7%[1-2]。但塑料大棚對風(fēng)雪荷載的抵抗能力較弱，在強(qiáng)風(fēng)或臺風(fēng)來臨時容易出現(xiàn)拱架變形或從土中拔出等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致整個棚體喪失承載能力而損壞，對種植者造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。

為了提高塑料大棚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，專家學(xué)者開展了一系列研究。周長吉[5]提出了普遍適用于中國不同地區(qū)的溫室雪載荷計(jì)算方法；梁宗敏[6]對NJ-6溫室的風(fēng)壓分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，闡述了溫室抗風(fēng)的設(shè)計(jì)理論；丁敏[7]在考慮蒙皮效應(yīng)的前提下對溫室結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行分析研究，模擬了強(qiáng)載荷條件下溫室的破壞過程。上述研究的開展為改善塑料大棚抗風(fēng)性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

受近年來設(shè)施園藝“機(jī)器換人”發(fā)展的影響，塑料大棚機(jī)械化生產(chǎn)趨勢愈發(fā)明顯。但傳統(tǒng)塑料大棚內(nèi)部空間狹小，不利于農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)，嚴(yán)重限制了塑料大棚機(jī)械化水平的提高[8-9]。另外，針對該問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于“農(nóng)機(jī)-農(nóng)藝-設(shè)施”的宜機(jī)化塑料大棚（以下簡稱“宜機(jī)化大棚”），有效提高了塑料大棚的機(jī)械化水平。該大棚屋面形狀和構(gòu)造尺寸與傳統(tǒng)大棚有所差異，而且目前上沒有關(guān)于宜機(jī)化塑料大棚抗風(fēng)性能的研究，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺乏參考。本文的目的即是在上述研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS Workbench對宜機(jī)化塑料大棚的抗風(fēng)性能進(jìn)行分析，為該塑料大棚的推廣提供示范。

材料和方法

宜機(jī)化塑料大棚與有限元模型

宜機(jī)化塑料大棚跨度為9.5 m，脊高4.5 m，肩高2.35 m。側(cè)墻和屋面設(shè)置寬度為1.0 m的通風(fēng)口。通風(fēng)口上下邊緣設(shè)置有卡槽以固定塑料薄膜。另外，大棚共設(shè)置9道縱向拉桿，以增強(qiáng)大棚縱向穩(wěn)定性。根據(jù)使用需求，宜機(jī)化大棚結(jié)構(gòu)可劃分為普通型和抗風(fēng)型兩種構(gòu)造。普通型大棚主要由DN32彎曲鋼管構(gòu)成的單管拱架建造（圖1）?？癸L(fēng)型塑料大棚除單管拱架外，還配置了桁架拱架、鋼管斜撐以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（圖2）。桁架拱架由上下弦桿和壓桿組成，上弦桿為DN32鋼管，下弦桿為DN20鋼管，上下拱桿使用壁厚為1.8 mm、寬度為48 mm的雙拱卡連接。為了能安全有效地將側(cè)墻和肩部處上弦桿的荷載傳遞到下弦桿，側(cè)墻處和肩部雙拱卡分別按0.125 m和0.25 m的間距進(jìn)行布置，屋面雙拱卡則按0.50 m的間距布置。桁架拱架與單管拱架交叉布置，每隔兩榀單管拱架布置一榀桁架拱架。所有拱架底部插入地下500 mm以增強(qiáng)拱架穩(wěn)定性。

圖1 普通型宜機(jī)化塑料大棚與單管拱架模型

圖2 抗風(fēng)型宜機(jī)化塑料大棚與桁架拱架模型

宜機(jī)化塑料大棚山墻構(gòu)造如圖3所示。山墻是在桁架拱架的基礎(chǔ)上添加DN32鋼管構(gòu)建所形成框架結(jié)構(gòu)。另外，為了抵御風(fēng)壓，抗風(fēng)型宜機(jī)化塑料大棚還設(shè)置了鋼管斜撐。斜撐為DN32彎曲鋼管，一端與山墻頂部連接，另一端插入土中500 mm。

圖3 90°風(fēng)向條件下山墻受力分析單元

塑料大棚荷載計(jì)算

中國南方地區(qū)降雪較小，塑料大棚破壞主要發(fā)生在強(qiáng)風(fēng)天氣。為此，本文將風(fēng)荷載作為塑料大棚主導(dǎo)荷載，并據(jù)此確定宜機(jī)化塑料大棚的荷載組合為“恒荷載+風(fēng)荷載+作物荷載”。其中，恒荷載主要為拱架和塑料薄膜自重。塑料大棚使用期間主要栽培番茄。吊線布置方式為《GB/T 51183-2016農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》所規(guī)定的塑料大棚5點(diǎn)式吊掛模式（圖1b 和圖2b）[11]。

塑料大棚風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（wk）按下式計(jì)算：

式中：w0為基本風(fēng)壓，kN/m2；μs和μz分別為風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

塑料大棚所在地為浙江省溫州市，其設(shè)計(jì)壽命為10年。根據(jù)《GB/T 51183-2016 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，塑料大棚安全等級為3級，可取0.9。wk取0.77 kN/m2[11]?？紤]到塑料大棚脊高為4.5 m，屬于非高建筑，地面粗糙度類別取B類，μz取0.8；μs根據(jù)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)取值。

根據(jù)《GB/T 51183-2016 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[11]，通過一級吊線作用于拱架屋面的作物荷載為475 N，方向垂直向下。通過二級吊線作用域作用于拱架兩側(cè)肩部的水平方向分力（H）和垂直方向分力（N）分別按照下式計(jì)算：

式中：f為二級吊線的下垂度(m)，取0.08 m；l為二級吊線相鄰兩支撐點(diǎn)之間的距離/m，根據(jù)圖1，取2.375 m；q為塑料大棚作物荷載，取150 N/m。

根據(jù)計(jì)算，H和N分別為1336 N和178 N。其中H指向室內(nèi)，N垂直向下。

塑料大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行分析。考慮到本文主要考察塑料大棚在強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其主導(dǎo)可變荷載為風(fēng)荷載。因此，塑料大棚的結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)、荷載組合及其荷載的組合系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)為為荷載設(shè)計(jì)值=0.9×(1.0×恒荷載+1.0×風(fēng)荷載+1.2×0.7×作物吊重荷載)。另外，在對桁架拱架進(jìn)行分析時，假設(shè)單管拱架失效后，所有的荷載由桁架拱架承擔(dān)。桁架拱架的風(fēng)荷載和作物荷載按單管拱架的3倍計(jì)算。

計(jì)算條件

使用Ansys Workbench平臺Spaceclaim軟件建立塑料大棚的三維模型，使用Static Structural模塊進(jìn)行計(jì)算。鋼管和雙拱卡設(shè)置為beam梁單元，材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。另外，根據(jù)日本設(shè)施園藝協(xié)會所頒布的《地中押し込み式パイフハウス安全構(gòu)造指針》，當(dāng)大棚拱架埋入地下300 mm時，拱架底部可看做固結(jié)[10]。因此，將大棚底部固定條件設(shè)置為固定端約束。風(fēng)荷載通過線荷載方式直接添加到鋼拱架，作物荷載以集中力的形式通過吊線作用于吊線與拱架連接處。

為簡化分析過程，使用圖1b和圖2b模型研究0°風(fēng)條件下普通型塑料大棚單管拱架和桁架拱架的抗風(fēng)性能，使用圖3模型分析90°風(fēng)條件下塑料大棚抗風(fēng)性能。

結(jié)果與討論

單管拱架抗風(fēng)性能分析

參考日本園藝設(shè)施協(xié)會頒布的《地中押し込み式パイフハウス安全構(gòu)造指針》，塑料大棚拱架的最大變形應(yīng)低于h/35（h為肩高）。在本研究中，宜機(jī)化塑料大棚的最大容許位移可取65.7 mm。在0°風(fēng)條件下，拱架間距為1.0 m的單管拱架沿風(fēng)向變形，最大位移出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)屋面拱架上，為180.8 mm。迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)屋脊處的鋼管位移均超過了大棚容許位移。另外，拱架最大組合應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)拱架的底角處，為660.3 MPa，且拱架迎風(fēng)側(cè)肩部和底腳等多處鋼管的最大組合應(yīng)力超過了235 MPa，容易出現(xiàn)破壞（圖4）。

圖4 0°風(fēng)向條件下有作物荷載、拱架間距1.0 m時時單管拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

考慮到臺風(fēng)主要發(fā)生在8～9月，該期間塑料大棚一般閑置，或室內(nèi)作物較小，作物荷載可忽略。當(dāng)去除作物荷載之后，塑料大棚拱架的最大位移減小至150.7 mm，最大組合應(yīng)力降低至532.4 MPa（圖5）。但塑料大棚依然容易出現(xiàn)損壞。在此基礎(chǔ)上，將拱架間距由1.0 m縮小至0.4 m后，拱架最大變形和最大組合應(yīng)力分別降低至69.8 mm和219.9 MPa（圖6）。由此可見，作物荷載會對塑料大棚的抗風(fēng)性能產(chǎn)生不利影響，該情況下除了避免將作物荷載添加到拱架外，還應(yīng)盡可能縮短拱架間距。

圖5 0°風(fēng)向條件下無作物荷載、拱架間距1.0 m時單管拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

圖6 0°風(fēng)向條件下無作物荷載、拱架間距0.4 m時單管拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

桁架拱架抗風(fēng)性能分析

在上述風(fēng)向條件下，桁架拱架的整體位移方向與風(fēng)向相同。以最不利情況考慮，即單管拱架被破壞后，所有的荷載由桁架拱架承擔(dān)，也就是說桁架拱架所承擔(dān)的荷載是單管拱架的三倍。在此情況下，最大位移出現(xiàn)在側(cè)墻頂部和迎風(fēng)側(cè)屋頂，但大小僅為32.1 mm，僅為單管拱架的17.7%，滿足塑料大棚位移需求（圖7a）。拱架最大組合應(yīng)力為288.2 MPa，出現(xiàn)在大棚肩部的雙拱卡和橫拉桿上（圖7b）。為保證桁架拱架能有效承擔(dān)風(fēng)荷載和作物荷載，需要將拱架間距進(jìn)行適當(dāng)縮小，以降低拱架所承擔(dān)的載荷大小。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)拱架間距降低至0.8 m時，拱架橫拉桿的位移最大，達(dá)到了24.8 mm，而拱架內(nèi)外弦桿的最大位移則全部在15 mm以下（圖8a）。另外，桁架拱架背風(fēng)側(cè)肩部的雙拱卡和橫拉桿處的最大組合應(yīng)力最大，為231.7 MPa。其余鋼管部分的最大組合應(yīng)力低于200 MPa。此時，抗風(fēng)型宜機(jī)化塑料大棚具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠抵抗相應(yīng)的風(fēng)荷載（圖8b）。

圖7 0°風(fēng)向條件下有作物荷載、拱架間距1.0 m時桁架拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

圖8 0°風(fēng)向條件下有作物荷載時、拱架間距0.8 m時桁架拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

取消作用于拱架上的作物荷載同樣有助于減小桁架拱架最大變形和最大組合應(yīng)力。當(dāng)拱架間距為0.85 m時，相應(yīng)的桁架拱架最大位移和最大組合應(yīng)力分別為13.9 mm和227.3 MPa（圖9）。該結(jié)果表明強(qiáng)風(fēng)頻發(fā)季節(jié)作物荷載可忽略時，將拱架間距縮短至0.85 m后，抗風(fēng)型宜機(jī)化塑料大棚可滿足抗風(fēng)需求。上述結(jié)果同樣證明了在塑料大棚拱架上施加作物荷載不利于塑料大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖9 90°風(fēng)向條件下、無作物荷載且拱架間距0.85 m時的桁架拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

山墻抗風(fēng)性能分析

在90°風(fēng)條件下，塑料大棚在其縱向的水平拉桿兩端沒有固定，難以承擔(dān)山墻傳來的縱向荷載，山墻的風(fēng)荷載主要由其鋼管構(gòu)件承擔(dān)。根據(jù)模擬結(jié)果，在沒有鋼管斜撐的條件下，山墻最大位移為71.0 mm，出現(xiàn)在屋脊處。最大應(yīng)力則出現(xiàn)在拱架底角處，達(dá)到了269.51 MPa，容易造成山墻整體被吹到，并帶動其后的拱架傾倒（圖10）。增加鋼管斜撐之后，山墻變形得到很好的抑制，最大位移降低到了50.2 mm，最大組合應(yīng)力降低至173.9 MPa以下，主要集中在斜撐與拱架連接處和拱架底腳處（圖11）。

圖10 90°風(fēng)條件下無斜撐山墻拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

圖11 90°風(fēng)條件下有斜撐山墻拱架總變形與最大組合應(yīng)力云圖

結(jié)論

通過上述研究，在浙江省溫州市抗風(fēng)需求較高的地區(qū)，使用單管拱架難以滿足有作物荷載條件的抗風(fēng)需求。在不考慮作物荷載，同時將DN32鋼管拱架間距減小至0.4 m時，可基本滿足給定風(fēng)荷載條件下的鋼管承載條件。與此相比，桁架拱架具有更好的抗風(fēng)性能。使用間距為0.8 m和0.85 m時，可滿足有作物荷載和無作物荷載時的抗風(fēng)需求。此外，在山墻添加鋼管支撐有助于提高大棚對90°風(fēng)的抵御能力，避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。