吊袋栽培下水稻育秧大棚骨架受力性能分析

吳 瀟 張恩喆 趙梓瑞 李遠(yuǎn)松 王 鵬 史旖旎

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

水稻育秧大棚應(yīng)用廣泛，除春季水稻育秧需要，其他季節(jié)水稻育秧大棚均處于閑置狀態(tài)。為減少土地閑置浪費(fèi)，增加農(nóng)戶收入，各地著手開發(fā)育秧大棚二次利用的新生產(chǎn)模式[1-3]。在開發(fā)二次利用的多種舉措中，利用水稻育秧大棚吊袋栽培食用菌黑木耳是普遍選擇的策略。吊袋栽培黑木耳是在棚內(nèi)吊掛黑木耳菌包進(jìn)行栽培，無須棚內(nèi)土地，不影響棚內(nèi)土地平整度，比較利于第二年的育秧作業(yè)[4]。

目前，利用塑料大棚吊掛栽培木耳有兩種吊掛方式：第一種是在棚內(nèi)新增設(shè)立柱排架用于吊袋栽培；第二種是直接在原有大棚基礎(chǔ)骨架上吊掛栽培。第一種方式排架雖然結(jié)實(shí)耐用，但新建造價(jià)較高，排架會(huì)改變大棚原有基礎(chǔ)設(shè)施，排架立柱也會(huì)占用棚內(nèi)空間，影響水稻育秧機(jī)械化作業(yè)。二次利用的生產(chǎn)成本過高，農(nóng)戶的生產(chǎn)積極性會(huì)就降低。第二種方式是直接在大棚骨架上吊掛菌包，在大棚骨架的受力未知的情況下，如果將菌包直接吊掛在大棚骨架上，可能會(huì)損壞大棚骨架，造成損失[5]。為了提高水稻育秧大棚的利用率，解決土地閑置問題，計(jì)算并分析吊袋栽培下水稻育秧大棚使用階段的受力情況是十分必要的。目前對(duì)溫室大棚的受力性能分析多數(shù)集中在極限承載力研究上[6-9]，對(duì)溫室使用階段的研究較少[10]。溫室類型也多集中在連棟溫室、日光溫室，對(duì)水稻育秧大棚的受力分析研究較少[11-14]。受力分析的方法也多為有限元分析，通過三維有限元模型分析溫室的結(jié)構(gòu)受力性能[15-17]。

因此，本項(xiàng)目結(jié)合相關(guān)規(guī)范，研究水稻育秧大棚二次利用時(shí)在吊掛栽培作用下，大棚骨架可承受的風(fēng)荷載、雪荷載、吊掛荷載、作物所需的吊掛環(huán)境和方式，開展對(duì)水稻育秧大棚骨架使用階段的受力性能研究，通過ABAQUS 軟件對(duì)水稻育秧大棚骨架的三維模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定已有骨架的薄弱位置，對(duì)促進(jìn)節(jié)約土地資源和水稻育秧大棚二次利用的發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 水稻育秧大棚骨架處理

水稻育秧大棚的常見結(jié)構(gòu)為桁架拱塑料大棚，根據(jù)調(diào)研總結(jié)，大部分桁架拱水稻育秧大棚跨度為10 000 mm，矢高為3 600 mm，桁架高度為200 mm，桁架節(jié)點(diǎn)間距為1 200 mm，桁架拱水稻育秧大棚骨架如圖1所示。

圖1 桁架拱水稻育秧大棚骨架示意

1.2 荷載的確定與計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，水稻育秧大棚設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮永久荷載和可變荷載，綜合規(guī)范所規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限和實(shí)際塑料大棚的使用年限。本研究選用的桁架拱水稻育秧大棚骨架使用年限為15年。

1.2.1 永久荷載水稻育秧大棚的永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重和覆蓋材料自重[18-19]。桁架拱水稻育秧大棚上弦采用鋼管，腹桿和下弦采用鋼筋，鋼管及鋼筋材料參數(shù)如表1所示。覆蓋材料為PE塑料膜，自重為0.01 kN/m2。在受力分析中，永久荷載直接在ABAQUS 中以重力荷載形式加載計(jì)算，重力加速度為9 800 mm/s2。

表1 鋼管及鋼筋材料參數(shù)

1.2.2 風(fēng)荷載風(fēng)荷載是垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值[20-22]，計(jì)算主要受力結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按式（1）計(jì)算。

式（1）中，wk代表風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，單位為kN/m2；μs代表風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz代表風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0代表基本風(fēng)壓，單位為kN/m2。

重現(xiàn)期15年時(shí)基本風(fēng)壓w0=0.39 kN/m2。對(duì)于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別確定，建三江地區(qū)屬于田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬于B類地面粗糙度，拱形屋面的最高點(diǎn)離地3.6 m，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.0。μs根據(jù)單跨落地拱形屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)要求計(jì)算，f/l=0.36，按線性差值法計(jì)算得出風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=0.42。當(dāng)有左側(cè)風(fēng)吹向大棚時(shí)：迎風(fēng)面風(fēng)荷載為wk=βz μs μzw0=1.0×0.42×1.0×0.39/1 m=0.164 kN/m；背風(fēng)面風(fēng)荷載為wk=βz μs μzw0=1.0×（-0.5）×1.0×0.39/1 m=-0.195 kN/m。

1.2.3 雪荷載雪荷載是屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按式（2）計(jì)算。

式（2）中，Sk代表雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，單位為kN/m2；μr代表屋面積雪分布系數(shù)；Ct代表加熱影響系數(shù)；S0代表基本雪壓，單位為kN/m2。

塑料大棚結(jié)構(gòu)桿件截面小，整體計(jì)算需要考慮雪荷載均勻和不均勻分布兩種情況。

當(dāng)單跨拱形屋面雪荷載均勻分布情況時(shí)，利用公式（3）計(jì)算屋面積雪分布系數(shù)。

式（3）中，l代表跨度，單位為m；f代表矢高，單位為m。

10 m跨度的水稻育秧大棚60°坡度角在8.4 m跨度范圍內(nèi)，根據(jù)式（3）計(jì)算雪荷載均勻分布情況下屋面積雪分布系數(shù)μr=0.4。均勻分布情況下的雪荷載：

當(dāng)單跨拱形屋面雪荷載不均勻分布情況時(shí)，利用式（4）計(jì)算屋面積雪分布系數(shù)。

式（4）中：l代表跨度，單位為m；f代表矢高，單位為m。

考慮到極端天氣下雪荷載過大經(jīng)常會(huì)壓垮大棚的情況，適當(dāng)放大雪荷載，根據(jù)公式（4）計(jì)算雪荷載在不均勻分布情況下屋面積雪分布系數(shù)μr，m，取μr，m=2。計(jì)算不均勻分布情況下的雪荷載：

左半跨雪荷載：Sk=0.50×2.00×0.66/1 m=0.66 kN/m；

右半跨雪荷載：Sk=2.00×0.66/1 m =1.32 kN/m。

其中，雪荷載不均勻分布的荷載值遠(yuǎn)大于均勻分布的雪荷載，受力分析按不均勻雪荷載計(jì)算。

1.2.4 作物荷載作物荷載包括吊掛在溫室結(jié)構(gòu)上的作物、栽培容器及容器內(nèi)基質(zhì)等的重量，其中特殊種植的作物荷載應(yīng)按實(shí)際情況計(jì)算[23-25]。吊掛木耳菌包屬于特殊種植的作物荷載?？紤]到吊掛可能發(fā)生的實(shí)際情況，木耳菌包吊掛形式分為全跨吊掛和半跨吊掛。為了讓計(jì)算結(jié)果具有代表性和借鑒意義，按全高度掛滿菌包計(jì)算荷載。

木耳菌包的荷載即為自重，單個(gè)木耳菌包最大濕重1.4 kg，木耳菌包為圓柱形，底直徑15 cm，高33 cm，根據(jù)生產(chǎn)栽培需求，吊掛菌包每串間距50 cm，吊掛最低點(diǎn)要離地高大于30 cm。每根繩上的木耳菌包的數(shù)量如圖2所示。

圖2 木耳菌包吊掛形式和數(shù)量

2 結(jié)果與分析

2.1 荷載作用時(shí)骨架使用階段的安全性分析

在實(shí)際使用過程中，大棚可能常遇到單獨(dú)刮風(fēng)、下雪的情況；二次利用后，多數(shù)是吊掛荷載單獨(dú)存在的情況。因此需要計(jì)算單一荷載作用下大棚骨架的應(yīng)力與變形，判斷各項(xiàng)荷載單獨(dú)作用時(shí)骨架使用階段的安全性。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，按一階彈性計(jì)算分析使用階段的桁架拱塑料大棚骨架的應(yīng)力和變形，得到桁架拱塑料大棚骨架使用階段安全性要求。

（1）應(yīng)力：大棚骨架應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度。上弦應(yīng)力小于235 MPa，下弦及腹桿應(yīng)力小于335MPa。

（2）變形：豎向位移變形小于撓度容許值。永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值共同產(chǎn)生的撓度容許值[lT]=10 000/400=25 mm。水平方向位移小于水平位移容許值。在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，柱頂水平位移容許值[h]=3 600/150=24 mm。

2.2 應(yīng)力與變形模擬

水稻育秧大棚桁架骨架間距為1 m，選取其中一榀為研究對(duì)象，綜合水稻育秧大棚骨架荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)荷載分析，其計(jì)算單元具有代表性與可復(fù)制性。

利用ABAQUS軟件對(duì)水稻育秧大棚骨架進(jìn)行力學(xué)分析，并模擬出各種荷載情況下各個(gè)桿件的應(yīng)力與形變。以一榀大棚骨架為例，大棚的上弦、下弦、腹桿均采用三維線性梁?jiǎn)卧˙31）模擬，上弦截面為空心鋼管，下弦和腹桿截面為鋼筋[11]。僅分析使用階段大棚的受力情況分析，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，按一階彈性計(jì)算分析使用階段的桁架拱水稻育秧大棚骨架的應(yīng)力和變形。

在大棚骨架上弦加載模擬風(fēng)荷載、風(fēng)荷載作用情況，在大棚骨架下弦加載模擬全跨吊掛荷載、半跨吊掛荷載的受力情況，不同荷載位置及約束布置如圖3所示。

圖3 不同荷載位置及約束布置

2.3 不同荷載作用下的應(yīng)力與變形計(jì)算

風(fēng)荷載、雪荷載、全跨吊掛荷載、半跨吊掛荷載作用下各單元桿件的應(yīng)力如圖4所示。

圖4 不同荷載作用下單元桿件的應(yīng)力

雪荷載、全跨吊掛荷載、半跨吊掛荷載作用下各單元桿件的豎向位移如圖5所示。

2.4 綜合分析

從風(fēng)荷載應(yīng)力云圖可以看出，大棚骨架下弦區(qū)域最大應(yīng)力為263.9 MPa，此時(shí)等效塑性應(yīng)變等于0，說明桁架拱塑料大棚下弦未屈服。通過ABAQUS自帶的查詢工具，此時(shí)水平方向位移為15.99 mm，小于矢高的1/150，滿足安全要求。

從雪荷載應(yīng)力云圖可以看出，大棚骨架下弦區(qū)域最大應(yīng)力為335 MPa，此時(shí)等效塑性應(yīng)變大于0，說明桁架拱大棚下弦達(dá)到屈服狀態(tài)，此時(shí)大棚骨架最大豎向位移為48.32 mm，大于跨度的1/400，不滿足安全要求。

從全跨吊掛荷載應(yīng)力云圖可以看出，大棚骨架下弦區(qū)域最大應(yīng)力為335 MPa，此時(shí)等效塑性應(yīng)變大于0，說明大棚骨架下弦屈服，此時(shí)大棚骨架最大豎向位移為19.73 mm，大于跨度的1/400，不滿足安全要求。

從半跨吊掛荷載應(yīng)力云圖可以看出，大棚骨架下弦區(qū)域最大應(yīng)力為335 MPa，此時(shí)等效塑性應(yīng)變大于0，豎向位移為36.04 mm，大于跨度的1/400，不滿足安全要求。

總結(jié)不同荷載作用下單元桿件的應(yīng)力云圖和位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力屈服和位移超過限值的位置是在跨中、1/4 跨、3/4 跨處，說明大棚骨架常見的薄弱破壞位置是在跨中、1/4跨、3/4跨處。

3 結(jié)論與討論

根據(jù)新版規(guī)范計(jì)算水稻育秧大棚吊掛栽培二次利用時(shí)所受的風(fēng)荷載、雪荷載、作物荷載。在大棚實(shí)際使用過程中，可能常遇到單獨(dú)刮風(fēng)、下雪的情況，二次利用也是單獨(dú)使用的情況。因此需要計(jì)算單一荷載作用下大棚骨架的應(yīng)力與變形，判斷各項(xiàng)荷載單獨(dú)作用時(shí)骨架使用階段的安全性。

利用有限元ABAQUS軟件對(duì)水稻育秧大棚骨架單一荷載作用下大棚骨架使用階段的應(yīng)力分布與變形值進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載、雪荷載兩種形式的吊掛荷載單獨(dú)作用時(shí)會(huì)發(fā)生應(yīng)力屈服或變形均超過限值的情況，結(jié)構(gòu)不能安全使用。

根據(jù)受力分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄弱位置為跨中、1/4跨、3/4跨處，后續(xù)可以分別對(duì)薄弱位置進(jìn)行加固，加固的方式應(yīng)不影響棚內(nèi)使用空間，可以在下弦焊接鋼筋增大下弦截面積以滿足截面要求。