海南夏秋新型抗臺(tái)風(fēng)蔬菜生產(chǎn)大棚設(shè)計(jì)

劉建+龐真真

摘 要 根據(jù)海南夏秋蔬菜生產(chǎn)高溫、高濕及臺(tái)風(fēng)多發(fā)的熱帶氣候條件，通過結(jié)構(gòu)尺寸、力學(xué)分析、材料等研究，設(shè)計(jì)出一種新型的抗臺(tái)風(fēng)單棟中跨度塑料拱棚。通過構(gòu)件和基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著的提高了該拱棚的穩(wěn)定性，具有抗側(cè)傾、抗拔起的抗風(fēng)能力，且具有防暴雨、自然通風(fēng)良好、空間較大、造價(jià)相對較低的優(yōu)點(diǎn)，適合海南地區(qū)夏秋（常年）蔬菜生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 抗臺(tái)風(fēng)大棚 ；單棟拱棚 ；夏秋蔬菜大棚

中圖分類號(hào) S625.5

Design of a New Anti-typhoon Greenhouse for Hainan Vegetable Production in Summer and Autumn——Single and Medium Span Plastic Shed

LIU Jian PANG Zhenzhen

（College of Horticulture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract A new type of anti-typhoon greenhouse is introduced according to tropical climate in Hainan with the high temperature， high humidity and frequent typhoon during summer and autumn. The single and medium span plastic shed is designed based on the structural dimension， mechanics analysis and material. The stability of the medium span plastic shed is improved remarkably by optimizing components and foundation. It has the anti-wind ability of anti-roll and anti-lift， and has the advantages of anti-rainstorm， good natural ventilation， large space， and relatively low cost， which is adapt to the summer and autumn vegetable production （or annual） in Hainan.

Key words anti typhoon greenhouse ；single span plastic shed ；summer and autumn vegetable greenhouse

高溫高濕、臺(tái)風(fēng)、暴雨等問題是制約海南本地蔬菜夏秋淡季生產(chǎn)的主要因素，因此設(shè)施栽培成為保證周年蔬菜供應(yīng)的主要生產(chǎn)方式和手段。近年海南省設(shè)施栽培快速發(fā)展，但缺乏較為系統(tǒng)的研究，除管理方面的原因外，最大的問題就是缺乏針對海南地區(qū)夏秋極端氣候特點(diǎn)的規(guī)范化專用大棚類型，使得現(xiàn)有常年蔬菜大棚設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在海南夏秋蔬菜生產(chǎn)的適應(yīng)性欠佳，存在夏秋季熱害、抗風(fēng)能力差等問題，阻礙了蔬菜大棚的進(jìn)一步發(fā)展?；诤Ｄ系臍夂蚝褪卟朔N植特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的夏秋新型抗臺(tái)風(fēng)蔬菜大棚具備以下5個(gè)特點(diǎn)：（1）經(jīng)濟(jì)實(shí)用、后期維護(hù)操作簡便；（2）骨架設(shè)計(jì)抗風(fēng)級(jí)別可達(dá)12級(jí)；（3）棚內(nèi)自然通風(fēng)良好、溫度適宜；（4）屋頂防雨或能夠緩沖暴雨沖刷；（5）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)既能抗臺(tái)風(fēng)，又不破壞耕地。該單拱大棚在2016年10月份的臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”中經(jīng)受住考驗(yàn)，臺(tái)風(fēng)過后能夠保持正常生產(chǎn)。

1 單棟中跨度塑料拱棚的設(shè)計(jì)

單棟中跨度塑料拱棚如圖1所示。拱棚頂高2.5 m，跨度5.0 m，采用熱鍍鋅鋼管作為其結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件；在2個(gè)端部山墻面分別設(shè)置2根熱鍍鋅鋼管立柱，同時(shí)在長度方向每間距4.2 m、在柱腳位置兩側(cè)各設(shè)置1條鋼筋混凝土樁，用以增加主體結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)中的穩(wěn)定性；端部兩側(cè)沿著拱屋面設(shè)置縱向支撐桿；拱屋面肩部以下覆蓋防蟲網(wǎng)，形成通風(fēng)口；肩部以上覆蓋薄膜，并在薄膜外層覆蓋50 %的遮陽網(wǎng)，遮陽網(wǎng)外部設(shè)置壓膜線。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

恒荷載：0.05 kN/m2（含鋼骨架自重）；

活荷載：0.1 kN/m2（本大棚針對海南常年蔬菜生產(chǎn)，以葉菜為生產(chǎn)對象，不考慮作物吊重）；

風(fēng)荷載：0.75 kN/m2，?？诘貐^(qū)50年一遇，相當(dāng)于12級(jí)風(fēng)中間風(fēng)速。

1.2 幾何尺寸

拱棚跨度5.0 m，矢高2.5 m，拱間距0.7 m，長度可根據(jù)實(shí)際地形情況確定，但需滿足每6個(gè)拱（即4.2 m）設(shè)置一個(gè)主拱（圖2）；

拱棚之間預(yù)留0.6-0.8 m寬的間距作為操作通道及排水溝；

棚內(nèi)設(shè)置3個(gè)栽培壟，壟間設(shè)置0.3 m深排水溝，兼作操作走道。棚內(nèi)走道處實(shí)際操作高度可達(dá)到2.25 m以上，基本滿足小型園藝機(jī)械正常操作的需求；

棚型曲線是半徑2.5m的半圓拱。

1.3 力學(xué)分析計(jì)算

1.3.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)值分析計(jì)算

恒荷載q1、活荷載q2、風(fēng)荷載q3分別計(jì)算如下：

（1）恒荷載q1：0.05 kN/m2；

（2）活荷載q2：0.05 kN/m2；

（3）風(fēng)荷載q3：根據(jù)拱棚外覆蓋的形式（按四周開敞式），拱屋面薄膜覆蓋部分荷載體形系數(shù)按3段考慮：迎風(fēng)面us1=1.0、背風(fēng)面us2=-0.6、屋頂面us3=-1.0[1]；風(fēng)壓高度變化系數(shù)uz=1.0；基本風(fēng)壓w0按前述風(fēng)荷載值取0.75 kN/m2。則迎風(fēng)面（q31）、背風(fēng)面（q32）與屋頂面（q33）的風(fēng)荷載計(jì)算如下：

q31=w0uzus1=0.75×1.0×1=0.75（kN/m2）；

q32=w0uzus2=0.75×1.0×（-0.6）=-0.45（kN/m2）；

q33=w0uzus3=0.75×1.0×（-1.0）=-0.75（kN/m2）。

考慮2種不利組合：恒載+風(fēng)荷載與恒載+活荷載+風(fēng)荷載。風(fēng)荷載為主導(dǎo)荷載，由可變荷載控制效應(yīng)設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式Sd=γGjSGjk+γQ1γL1SQ1k+γQiγLiψciSQik[2]及相關(guān)的計(jì)算方法計(jì)算荷載設(shè)計(jì)值。公式中SGjk、SQ1k、SQik分別對應(yīng)恒荷載q1、風(fēng)荷載q3與活荷載q2，m=1，n=2。計(jì)算時(shí)，恒荷載對結(jié)構(gòu)有利，分項(xiàng)系數(shù)γGj取值為1；風(fēng)荷載和活荷載的分項(xiàng)系數(shù)γQ1、γQi取值為1.4；風(fēng)荷載與活荷載的設(shè)計(jì)使用年限調(diào)整系數(shù)γL1、γLi取值為1.0；可變荷載的組合值系數(shù)ψci取值為0.7；開間L=0.7 m（拱桿間距）。計(jì)算各荷載設(shè)計(jì)值如下（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)ε取值為0.95）：

（1）恒荷載設(shè)計(jì)值Q1：

Q1=εLγGjSGjk=0.95×0.7×1.0×q1

=0.033 25（kN/m）

（2）活荷載設(shè)計(jì)值Q2：

Q2=εLγQiγLiψciSQik=0.95×0.7×1.4×1.0×

0.7×q2=0.032 59（kN/m）

（3）風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值Q3（迎風(fēng)面Q31、背風(fēng)面Q32、屋頂面Q33）：

Q31=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q31

=0.698 25（kN/m）；

Q32=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q32

=-0.418 95（kN/m）；

Q33=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q33

=-0.698 25（kN/m）。

1.3.2 材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)

采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示，兩端柱腳與基礎(chǔ)連接為固定鉸支座（鉸接）。通過計(jì)算，在不同荷載組合作用下，最大內(nèi)力對應(yīng)的構(gòu)件為構(gòu)件3與構(gòu)件4，彎矩（Mx）和軸力（N）分別為：Mx=-0.88 kN/m，N=0.32 kN。拱桿試算選用Φ50×2.2 mm的熱鍍鋅圓管（Q235冷彎薄壁型鋼，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f]為205 N/mm2），則拱桿應(yīng)力（σ）值計(jì)算如下：

=0.96+202.44=203.4（N/mm2）

<[f]=205（N/mm2），滿足強(qiáng)度條件。

式中：Aen——拱桿的有效凈截面；γx——截面塑性發(fā)展系數(shù)，圓管取1.15；Wnx——凈截面模量。

1.4 材料參數(shù)

（1）基礎(chǔ)：基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)；條形基礎(chǔ)寬0.30 m，深0.5 m，下部0.15 m高范圍內(nèi)采用C20混凝土現(xiàn)澆、配φ6 mm的HRB400鋼筋2條（圈梁），上部采用原土回填夯實(shí)，如圖4所示。

（2）加固水泥樁：C20混凝土預(yù)制；水泥樁長度為0.9 m，截面為0.1 m×0.1 m，配φ8 mm的HRB400鋼筋2條；水泥樁端部居中預(yù)留半徑為50 mm的半凹槽，如圖5所示。

（3）主體鋼骨架：拱桿采用φ50×2.2 mm的熱鍍鋅圓管；沿著拱棚脊部、兩側(cè)肩部各設(shè)置1條縱向系桿，共計(jì)3條，采用φ32×1.5 mm的熱鍍鋅圓管；兩側(cè)加固水泥樁頂部各設(shè)置1條加固縱向系桿，共計(jì)2條，采用φ40×2 mm的熱鍍鋅圓管；端部屋面設(shè)置屋面斜撐，采用φ32×1.5 mm的熱鍍鋅圓管；主拱位置的拱桿和縱向系桿采用十字卡件（U型螺栓）連接，副拱位置的拱桿和系桿采用熱鍍鋅十字卡簧連接。

（4）覆蓋材料：頂部薄膜為0.08 mm薄膜，薄膜外層覆蓋遮陽率為50 %-60 %的遮陽網(wǎng)，并采用壓膜帶壓緊，壓膜帶固定于柱腳吊環(huán)上（圖6）；兩端山墻面及兩側(cè)覆蓋40目防蟲網(wǎng)，形成自然通風(fēng)口；在柱腳和肩部設(shè)置1.2 mm厚熱鍍鋅方卡槽（可雙卡），卡簧采用2 mm浸塑卡簧。

2 單棟中跨度塑料拱棚的材料清單

本計(jì)算實(shí)例所采用拱棚的單體長度為42 m，跨度5 m，計(jì)算面積為42 m×5 m=210 m2。計(jì)算結(jié)果如表1所示：

3 討論

（1）針對輕鋼結(jié)構(gòu)重量輕，不利于抵抗臺(tái)風(fēng)的特點(diǎn)，采用條形基礎(chǔ)（圈梁），顯著提高拱棚的穩(wěn)定性和抗拔起的能力；部分增加了加強(qiáng)水泥樁，拱棚抗側(cè)傾的能力也得到提升。

（2）條形基礎(chǔ)（圈梁）僅在下部15 cm處進(jìn)行混凝土澆筑，上部35 cm采用原土回填，不影響耕作，對種植地的影響較??；預(yù)制的水泥樁易清理。

（3）拱棚下部四周形成良好的自然通風(fēng)，加上頂部遮陽網(wǎng)的遮陽作用，能較大降低棚內(nèi)尤其是種植區(qū)的環(huán)境溫度。

（4）頂部薄膜能夠阻擋暴雨對蔬菜的襲擊，肩部防蟲網(wǎng)能緩沖暴雨的沖擊力，能夠保證臺(tái)風(fēng)暴雨季節(jié)的正常使用，實(shí)現(xiàn)海南地區(qū)蔬菜周年生產(chǎn)。

（5）室內(nèi)空間開敞，適合小型園藝機(jī)械操作。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈永新，張勇，李斌. 開敞式拱形波紋鋼屋蓋的風(fēng)壓分布及體型系數(shù)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010（S2）：159-164.

[2] 中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 中國建筑工業(yè)出版社，2012.