周博士考察拾零（一百零一）單管骨架日光溫室結構及其構造

桁架結構日光溫室骨架用鋼量大、焊接作業(yè)量大、焊接質量不易保證、構件表面防腐難度大（整體鍍鋅構件除外）、遠程運輸成本高（單位運輸空間的重量?。⒄加脺厥铱臻g大（事實上壓低了溫室的有效種植空間和操作空間）、安裝容易產生平面外扭曲，雖然因為其較強的承載能力在日光溫室結構中應用量很大，但在不斷追求溫室結構輕簡化、長壽命的過程中，這種結構的上述缺點也成為了制約其進一步發(fā)展的限制因子。

單管骨架結構是近年來在日光溫室結構輕簡化過程中興起的一種替代桁架結構的新型骨架結構形式。單管骨架，由于不存在構件焊接，采用熱浸鍍鋅的鋼構件表面防腐不會受到像桁架結構一樣的焊接破壞，而且骨架結構輕盈、安裝方便，有的溫室企業(yè)甚至在溫室建設現(xiàn)場加工骨架和安裝骨架同步進行，更節(jié)省了運輸和二次鍍鋅的費用。為此， 這種結構成為了當今輕簡化日光溫室結構中的一種新潮流。本文就這種形式骨架結構的用材、結構形式和安裝構造做一系統(tǒng)的梳理和介紹，供大家研究和設計參考。

單管骨架用材

從單管骨架的用材來看，主要有圓管、橢圓管和外卷邊C形鋼（圖1）。其中，圓管來源方便、價格低廉，在早期的日光溫室結構中被大量使用。但由于在相同用鋼量條件下圓管較橢圓管的承載能力小，所以近年來圓管骨架基本被橢圓骨架所替代。外卷邊C形鋼（俗稱“幾”字鋼）由于可以直接用鍍鋅帶鋼一次輥壓成型，無需焊接作業(yè)和二次鍍鋅，不僅降低了加工成本，而且也簡化了加工設備、方便了現(xiàn)場加工，因此，在輕簡化日光溫室結構中得到了大量推廣應用。但外卷邊C形鋼是開口截面，相比閉口截面的圓管或橢圓管，在相同截面模量的條件下其結構用材量最大，設計中應全面分析開口截面和閉口截面的優(yōu)劣，在充分保證結構強度的條件下，從材料取材方便、加工方便以及加工安裝成本等方面綜合考慮選擇經濟適用的結構用材。

單管骨架的結構形式

完全單管骨架結構

從單管骨架的結構形式來看，最輕簡的結構是用一根單管同時承載溫室前屋面和后屋面，室內無柱（圖2），這種結構稱為完全單管骨架結構。這種結構用材省、結構輕盈、室內無柱遮光少、對室內種植和作業(yè)影響小，是一種非常理想的輕簡化骨架結構。但由于單管的承載能力有限，這種結構主要用于小跨度輕型后屋面的日光溫室。如果溫室的跨度較大或要求承載的荷載較大，一般需在室內配置一排或多排立柱（圖1a）或采用閉口結構的橢圓形鋼管，但如果在室內設置多排立柱，也就失去了結構輕簡化的本意，并不是日光溫室結構未來的發(fā)展方向。

系桿式單管骨架結構

為了在不增加立柱的條件下盡可能增強單管骨架的承載能力，常用的做法是在溫室屋脊下前屋面骨架和后屋面骨架間增加一道加強系桿，稱為系桿式單管骨架結構。這種設置主要是考慮到屋脊處保溫被的集中荷載以及人員上屋面進行維修或更換塑料薄膜、保溫被等維修作業(yè)時荷載較大。根據(jù)加強系桿的設置位置和長短不同，系桿式單管骨架結構又分為短系桿、中系桿和長系桿3種結構（也可以稱為上系桿、中系桿和下系桿或高位系桿、中位系桿和低位系桿）;按照系桿與水平面的傾斜角度不同，又有斜拉系桿和水平系桿之分，如圖3。

短系桿在前屋面骨架的連接位置一般在屋脊通風口的上沿，在后屋面骨架的連接位置大致在靠近屋脊的后屋面三分之一長度位置;中系桿在前屋面骨架的連接位置一般在屋脊通風口的下沿，在后屋面骨架的連接位置大致在靠近溫室后墻的后屋面三分之一長度內;長系桿在后屋面骨架的連接位置一般在后屋面骨架的端部（亦即后屋面骨架與后墻的交接位置），在前屋面骨架的連接位置一般在溫室屋脊通風口下沿或以下。

不論是短系桿、中系桿或長系桿，其設置的傾斜角度還沒有一個統(tǒng)一、規(guī)范的要求和規(guī)定，設計者大都是根據(jù)不同的溫室結構尺寸自主選擇設置（有時可能也帶有隨意性或盲目性），建議在這方面的研究者們能針對這一問題進行系統(tǒng)研究，提出更合理的設計方法供業(yè)界同行設計參考。

從加強系桿的用材看，有的系桿用圓管，有的系桿用方管或矩形管，還有的采用圓管和方管交替設置（圓管或方管分別設置在不同的骨架上，圓管系桿骨架和方管系桿骨架相鄰布置），如圖4。從安裝和連接方便的角度看，方管（含矩形管）更好，強度也更大，但從材料來源和造價的角度分析，圓管更有優(yōu)勢。具體設計中可根據(jù)當?shù)氐牟牧瞎闆r以及結構的承力條件綜合分析，合理選材。

局部桁架式單管骨架結構

對于后屋面自重荷載（恒載）較大或溫室建設地區(qū)風雪荷載較大的溫室，為了進一步加強溫室結構的承載能力，有的溫室設計者將單管結構中的加強拉桿進一步升級。一種是在加強拉桿上再增加腹桿，與前、后屋面拱桿形成局部桁架結構。根據(jù)增加腹桿數(shù)量和布置形狀不同，加強腹桿包括單吊桿（圖5a）、V形腹桿（圖5b）、“之”字腹桿、W形腹桿等;另一種是將加強拉桿直接用一根變截面桁架來替代（圖5c），當然也可以是等截面桁架。和系桿式單管骨架結構中系桿的用材一樣，局部桁架結構中的這些腹桿用材也基本采用圓管或方管（矩形管）。

具體設計中，采用哪種形式的桁架結構，應根據(jù)溫室結構的荷載要求，本著節(jié)約用材的目標，合理選擇用材，優(yōu)化結構形式。實際上，過多地局部加強溫室骨架，對提高溫室結構的整體承力不一定都能達到預期的效果，往往溫室前屋面弧度急變部位是骨架的最薄弱位置，不能同時補強最薄弱環(huán)節(jié)，在溫室屋脊部位再多的補強也都是在畫蛇添足。具體設計中可進行多方案比較，以提高骨架整體承載能力為目標，盡量減少骨架的用材量，優(yōu)化結構、降低溫室造價。

單管骨架結構構件連接構造

單管骨架的連接主要包括骨架自身在屋脊部位大角度轉折處的連接（稱為骨架自身連接）和后屋面骨架在溫室后墻圈梁（梁墊）上的連接、前屋面骨架在溫室前墻基礎（圈梁）上的連接（稱為骨架與土建工程的連接）以及骨架與縱向系桿之間的連接、結構系桿與單管骨架之間的連接、結構系桿之間的連接。不同的連接部位，對連接節(jié)點的處理也有相應不同的特點。

骨架自身的連接

對于骨架自身的連接，閉口截面骨架（圓管、橢圓管）和開口截面骨架（外卷邊C形鋼）的連接方式有很大的不同。閉口截面的圓管和橢圓管骨架常采用焊接或內插管的方式連接，其中焊接連接方式更為常用，而開口截面的外卷邊C形鋼結構則基本都用內插管的方式連接（圖6）。其中的內插管要求焊接為一個整體，前后屋面骨架與內插管的連接至少應用兩副螺栓副連接，內插管與骨架之間的間隙不得大于1 mm。前屋面骨架和后屋面骨架盡量對縫連接（圖6a），避免分離連接（圖6b），以保證骨架截面不出現(xiàn)局部削弱。

采用6 m長國標管（圓管、方管或橢圓管）做溫室骨架時，如果日光溫室的跨度較大，前屋面弧長超過6 m時，前屋面骨架也需要自身連接。該部位的連接一般采用焊接連接。為了保證結構的安全性，一般要求全部骨架的連接焊口不要設置在同一位置，以避免由于焊接質量問題引起相鄰多根骨架在同一位置失效而導致溫室結構的整體失效。

骨架與土建工程的連接

骨架在溫室基礎和在后墻圈梁上的連接方式基本相同（圖7）。一種做法是在基礎或圈梁中預埋埋件（埋件的做法一般為在大小200 mm×200 mm，厚度5 mm以上的鋼板一側焊接4根長100～150 mm，直徑φ10～12 mm的鋼筋，鋼筋端頭最好帶勾），埋件鋼板表面與基礎（圈梁）表面齊平，沿基礎（圈梁）長度方向布置一道角鋼，將角鋼與預埋鋼板焊接牢固，形成溫室骨架的連接底座（這種做法不必要求預埋件與骨架一一對應，可節(jié)省埋件）。在連接底座上所有骨架基部所在位置焊接骨架連接管（方管、圓管或橢圓管，根據(jù)骨架的用材確定）。安裝骨架時直接將骨架外套在骨架連接件上，并用一套螺栓副連接骨架和骨架連接件，即形成理想的鉸接連接（圖7a）。如果設計中骨架與土建的連接采用固結連接，則骨架與骨架連接件之間的連接至少需用兩套螺栓副上下布置連接。用焊接的方式將骨架與骨架連接件焊接在一起（圖7c）也是一種可選的方案，但要求焊縫均勻，焊縫的長度至少要達到焊接連接件直徑（或方管的邊長）的4倍，結構計算模型按固結計算。

另一種做法是直接將骨架連接件預埋在基礎（圈梁）中，如圖7b（這種做法要求埋件與骨架一一對應，且位置要準確）。這種做法簡化了施工程序，節(jié)約了建筑用材，但對施工精度的要求較高，任何土建施工中的偏差都會給后續(xù)骨架的安裝帶來困難，施工安裝中經常出現(xiàn)基礎埋件和后墻上圈梁埋件的位置不準確造成骨架安裝扭曲或由于埋件自身在預埋施工中發(fā)生扭曲造成骨架要么扭曲安裝，要么無法安裝等問題。因此，在條件許可的情況下，設計和施工中建議盡量采用第一種連接方法。

骨架與結構系桿之間的連接

結構系桿是指與骨架在一個平面內的構件。本文指系桿式單管結構中的加強系桿和局部桁架式單管結構中的弦桿和各類腹桿，前者主要表現(xiàn)為系桿和骨架之間的連接;后者則包括了弦桿和骨架之間的連接以及腹桿與弦桿、腹桿與骨架之間的連接。

對外卷邊C形鋼單管骨架，弦桿（包括系桿式單管骨架結構中的系桿，下同）與骨架之間的連接基本采用弦桿插入C形鋼內腔后用螺栓橫穿C形鋼和弦桿，形成鉸接形式的螺栓連接（圖8），而腹桿與弦桿之間的連接多采用抱箍的連接方式，抱箍環(huán)抱弦桿，腹桿連接抱箍。根據(jù)腹桿和弦桿的形狀不同，有圓弧抱箍（適用于圓管弦桿）、方框抱箍（適用于方管弦桿）;根據(jù)弦桿每個節(jié)點上連接腹桿的多少，還有單腹桿連接抱箍和多腹桿連接抱箍（圖9），其中單腹桿連接抱箍上只有一組螺栓孔，而多腹桿連接抱箍上則有2組或2組以上的螺栓孔，分別對應不同的腹桿數(shù)。

腹桿與骨架之間的連接，由于腹桿可能是圓管，也可能是方管，往往腹桿的尺寸不能和外卷邊C形鋼骨架的截面尺寸完全配合，所以，在兩者連接時，必須有一個方管過渡連接件（圖10），方管過渡段的一端插入外卷邊C形鋼的內腔，另一端則外套腹桿的端頭，方管的兩端分別用螺栓副與外卷邊C形鋼和圓管連接，從而實現(xiàn)圓管腹桿與外卷邊C形鋼骨架的連接。對于方管腹桿，如果尺寸匹配可以采用上述弦桿與外卷邊C形鋼的連接方式，如果尺寸不匹配，也應采用過渡方管的連接方式，其中過渡方管與腹桿（不論是圓管還是方管）在尺寸匹配上可以不進行嚴格要求，結構強度計算中統(tǒng)一按照鉸接計算。

骨架與縱向系桿之間的連接

縱向系桿是指沿溫室長度方向布置在溫室結構上，連接所有骨架的構件。其作用是減小骨架在平面外的長細比，保證結構的平面外穩(wěn)定。同時將所有骨架連接起來，也提高了結構的整體性。一般縱向系桿的間距不超過2 m?？v向系桿多用圓管（因為來源豐富、價格便宜），圓管之間的連接可采用對接焊接、縮頸連接、內插管連接或外套管連接等多種形式?？v向系桿自身的連接節(jié)點最好避開與溫室骨架的連接節(jié)點。

縱向系桿與外卷邊C形鋼骨架之間的連接?？v向系桿與外卷邊C形鋼骨架之間的連接方式有多種形式，其中在外卷邊C形鋼內腔中內嵌方管是實踐中最常用的一種形式。根據(jù)縱向系桿與內嵌方管的連接位置不同，可分為側面連接、端部連接和中部穿孔連接等幾種形式（圖11）。方管連接件與外卷邊C形鋼的連接基本采用螺栓副連接，而與縱向系桿之間的連接除中部穿孔的方管外，均采用了U形螺栓副連接（1套或2套）。

除了用方管連接外，縱向系桿與外卷邊C形鋼骨架的連接形式還有用鋼板制作的專用連接件，包括外凸的Ω形連接板、內嵌的π形連接板和內嵌的盒形連接板等（圖12）。這些連接板與外卷邊C形鋼的連接基本都采用自攻自鉆螺釘或螺栓副連接，而與縱向系桿的連接則有多種形式，包括自攻自鉆螺釘（圖12a）、U形螺栓副連接（圖12b）和鍵銷固定（圖12c）等。

縱向系桿與橢圓管骨架的連接?？v向系桿與橢圓管骨架的連接基本都采用了中部穿孔的專用U形連接件連接（圖13）。U形連接件的開口兩側外抱橢圓管（抱箍的上沿距離橢圓管上表面不應超過橢圓管高度的1/3），并用自攻自鉆螺釘固定在橢圓管上（圖13a），也可以將U形連接件與橢圓骨架焊接在一起（圖13b），連接強度更高，但應做好焊口處的清潔和防腐，縱向系桿從U形連接件的底部預留孔中穿過后用鍵銷固定。

縱向系桿與圓管骨架的連接?？v向系桿與圓管骨架的連接，完全采用了裝配式塑料大棚鋼管骨架的連接方式。一種是用Ω形抱箍外抱圓拱桿后用U形螺栓將縱向系桿和圓管骨架連接在一起（圖14a）;另一種是用Ω形抱箍外抱系桿后用自攻自鉆螺釘將其固定在圓管骨架上（圖14b）。

由于骨架是單管結構，受單管結構截面高度的限制，直接在單管上連接縱向系桿會嚴重影響屋面塑料薄膜的壓緊深度。為此，在單管骨架上安裝的連接縱向系桿與骨架的連接構件（包括方鋼管、U形抱箍以及專用連接板等）連接后一般應與骨架上表面有足夠的距離，以加大縱向系桿與屋面塑料薄膜之間的間距，這實際上就是要求連接件一般要有足夠的高度。近年來興起了一種用在骨架上安裝卡槽固定塑料薄膜的方法來替代傳統(tǒng)的用壓膜線壓緊塑料薄膜的固膜方法。如果在生產中采用這種方法固定塑料薄膜，則縱向系桿與骨架之間的間距則可以盡量縮小，同時，溫室的有效空間高度也將得到相應提高。

[引用信息]周長吉.周博士考察拾零（一百零一）單管骨架日光溫室結構及其構造[J].農業(yè)工程技術，2020，40（04）：49-54.