不同目數(shù)防蟲網(wǎng)的風(fēng)荷載試驗(yàn)研究

閆冬梅 徐開亮 張秋生 李曉野

|摘要|文章針對(duì)5種常用目數(shù)的防蟲網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)荷載試驗(yàn)研究，通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究風(fēng)荷載與防蟲網(wǎng)孔隙率的關(guān)系，對(duì)實(shí)際工程中防蟲網(wǎng)室設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載取值提供一定依據(jù)。

前言

許多作物在生長(zhǎng)過程中會(huì)受到害蟲的侵?jǐn)_，如何減少農(nóng)藥的使用，實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)是未來發(fā)展的重要內(nèi)容[1-2]。覆蓋防蟲網(wǎng)是一種采用物理方法阻隔害蟲的有效措施，防蟲網(wǎng)目數(shù)的選擇以防蟲網(wǎng)室和溫室大棚內(nèi)種植作物需要防范的害蟲種類和大小為依據(jù)[3-5]。防蟲網(wǎng)的規(guī)格通常以目數(shù)表示，即每英寸的孔眼數(shù)量，目數(shù)越大，孔眼數(shù)量越多，孔眼尺寸也越小。

現(xiàn)有的溫室大棚，覆蓋物大多采用玻璃、塑料膜等不透風(fēng)材料，目前依據(jù)溫室荷載的取值范圍《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T51183-2016）[6]，但其主要用于溫室大棚覆蓋物不透風(fēng)且處于封閉狀態(tài)時(shí)的荷載選取，不包括覆蓋防蟲網(wǎng)時(shí)的荷載選取。防蟲網(wǎng)為透風(fēng)材料，不同目數(shù)防蟲網(wǎng)孔隙率有所不同，透風(fēng)程度也不同，與不透風(fēng)材料有所區(qū)別。如果防蟲網(wǎng)室設(shè)計(jì)時(shí)不考慮防蟲網(wǎng)的透風(fēng)影響，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果偏大，增加造價(jià)成本;如果設(shè)計(jì)時(shí)按全透風(fēng)考慮，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果偏小，結(jié)構(gòu)偏不安全。

目前國內(nèi)與防蟲網(wǎng)有關(guān)的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)：一是江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《大中型蔬菜鋼架防蟲網(wǎng)室建設(shè)規(guī)范》（DB32/T 1757-2011）[7]，但該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于防蟲網(wǎng)室荷載選取以及構(gòu)件規(guī)格多為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，未涉及防蟲網(wǎng)室風(fēng)荷載的計(jì)算方法;二是《溫室防蟲網(wǎng)設(shè)計(jì)安裝規(guī)范》（GB/T 19791-2005）[8]，該標(biāo)準(zhǔn)是從種植工藝和植保角度規(guī)范如何選擇防蟲網(wǎng)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均不能用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前對(duì)于防蟲網(wǎng)室的荷載研究相對(duì)較少[9]，而防蟲網(wǎng)室在設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載的取值大小，將影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的安全性和合理性。

文章針對(duì)5種常用目數(shù)的防蟲網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)荷載試驗(yàn)研究，通過選擇不同目數(shù)的防蟲網(wǎng)，利用風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生不同速度的氣流，模擬自然界不同等級(jí)的風(fēng)力，測(cè)量各種組合下的風(fēng)壓值，得到風(fēng)荷載與防蟲網(wǎng)孔隙率的關(guān)系，為實(shí)際工程中防蟲網(wǎng)室設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載取值提供一定依據(jù)。

試驗(yàn)設(shè)備及原理

風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室購置的農(nóng)業(yè)設(shè)施性能測(cè)試裝置，由美國International Air Technologic Inc公司生產(chǎn)。該裝置由輔助風(fēng)機(jī)、氣流場(chǎng)整流篩網(wǎng)、風(fēng)量噴嘴、壓力儀等組成，可檢測(cè)樣品在各種靜壓條件下的風(fēng)量。風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理示意見圖1[9]，測(cè)試流程為：通過調(diào)節(jié)輔助風(fēng)機(jī)提供不同速度的氣流-氣流經(jīng)過第一個(gè)氣流整流篩整流后速度基本均勻一致-通過調(diào)整風(fēng)量噴嘴數(shù)量再次調(diào)節(jié)氣流速度大小-氣流再經(jīng)過第二個(gè)氣流整流篩整流達(dá)到平穩(wěn)-氣流通過待檢測(cè)樣品，通過壓力儀記錄靜壓值和動(dòng)壓風(fēng)量。圖2為風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)的輔助風(fēng)機(jī)和風(fēng)量噴嘴。

試驗(yàn)前期準(zhǔn)備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

◆樣品準(zhǔn)備

本試驗(yàn)選用30、40、50、60、80目共5種防蟲網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，具體規(guī)格見表1。

◆樣品孔隙率測(cè)量

利用倒置式光學(xué)顯微鏡進(jìn)行孔隙測(cè)量，將每種防蟲網(wǎng)樣品分別裁取10 cm×10 cm的小塊進(jìn)行測(cè)量。倒置式光學(xué)顯微鏡見圖3，顯微鏡觀測(cè)系統(tǒng)主要包含置物臺(tái)、物鏡、目鏡，物鏡放大倍數(shù)為5×、10×，目鏡放大倍數(shù)為10×，倒置式光學(xué)顯微鏡可與計(jì)算機(jī)圖像分析軟件連接，將目鏡里觀察到的信息轉(zhuǎn)換到視頻接口和攝像頭，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)中圖像分析軟件，即可觀察到來自顯微鏡的實(shí)時(shí)的圖像。

將10 cm×10 cm的小塊防蟲網(wǎng)放置在顯微鏡置物臺(tái)上，隨機(jī)選取4個(gè)位置的孔眼進(jìn)行測(cè)量，取平均值，計(jì)算防蟲網(wǎng)孔隙率?？紫堵蕿閱挝幻娣e內(nèi)孔眼總面積占單位面積的百分比。試驗(yàn)測(cè)量了30、40、50、60、80目的防蟲網(wǎng)，5種防蟲網(wǎng)圖像分析系統(tǒng)微觀測(cè)量圖見圖4～8。

顯微鏡測(cè)量時(shí)選用目鏡放大倍數(shù)為10×，物鏡放大倍數(shù)為5×，依據(jù)防蟲網(wǎng)測(cè)量值，線徑單位為mm，可通過下式計(jì)算實(shí)際線徑：

實(shí)際線徑=測(cè)量線徑×103/（目鏡放大倍數(shù)×物鏡放大倍數(shù)）

現(xiàn)有防蟲網(wǎng)樣品孔眼均為矩形，依據(jù)5種目數(shù)防蟲網(wǎng)微觀測(cè)量結(jié)果，取每種目數(shù)防蟲網(wǎng)的兩個(gè)樣品數(shù)據(jù)的平均值，得到不同目數(shù)防蟲網(wǎng)的線徑、孔隙率等參數(shù)，見表2。

依據(jù)防蟲網(wǎng)微觀測(cè)量值及孔隙率分析表，可以得到以下結(jié)果：50目防蟲網(wǎng)孔隙率最小，為36.48%;30目防蟲網(wǎng)孔隙率最大，為63.90%，其余3種防蟲網(wǎng)孔隙率居中，且數(shù)據(jù)基本一致。

◆風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)開洞尺寸確定

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）附錄E可得風(fēng)壓-風(fēng)速的關(guān)系式公式（1）：

其中wp為風(fēng)壓，單位為kN/m2;ρo為空氣密度，單位為kg/m3;v為風(fēng)速，單位為m/s。

由于空氣密度（ρo）和重度（g）的關(guān)系為ρ=ρo×g，因此有ρo=ρ/g?？傻玫焦剑?）：

此式為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（氣壓為1013 kPa，溫度為15℃），密度ρ=0.01225 kN/m3。緯度為45°時(shí)重力加速度g=9.8 m/s2，得到公式（3），此式為用風(fēng)速估計(jì)風(fēng)壓的通用公式（3）。

目前國內(nèi)對(duì)防蟲網(wǎng)室設(shè)計(jì)使用年限尚無規(guī)定，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183-2016）對(duì)塑料大棚設(shè)計(jì)使用年限規(guī)定為10年。本研究按照防蟲網(wǎng)室設(shè)計(jì)使用年限按不高于塑料大棚考慮，通過模擬10級(jí)風(fēng)進(jìn)行風(fēng)荷載試驗(yàn)可基本滿足全國大部分地區(qū)實(shí)際使用要求。

風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)的最大風(fēng)量為60000 m3/h，10級(jí)風(fēng)風(fēng)速范圍為24.5～28.4 m/s，選取風(fēng)速中間值25 m/s計(jì)算，風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)對(duì)應(yīng)出風(fēng)口面積為：

A=60000/（25×3600）=0.67 m2

為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)出風(fēng)口尺寸定為0.8 m×0.8 m，即防蟲網(wǎng)有效測(cè)試面積為0.64 m2。

◆加工固定防蟲網(wǎng)用竹膠板

依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)安裝洞口實(shí)際尺寸和計(jì)算的本試驗(yàn)出風(fēng)口尺寸，將1.2 cm厚度的竹膠板切割為“回”字形，外形尺寸等于風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)安裝洞口實(shí)際尺寸，在中間切割出0.8 m×0.8 m洞口，用于安裝待測(cè)防蟲網(wǎng)，在竹膠板四周安裝卡扣，將其固定于風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上。

試驗(yàn)方法

◆安裝待測(cè)防蟲網(wǎng)

在竹膠板0.8 m×0.8 m洞口四周用卡槽卡簧固定待測(cè)防蟲網(wǎng)。要求防蟲網(wǎng)繃緊、平整，固定可靠。

◆試驗(yàn)開展

通過調(diào)節(jié)風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)的輔助風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)控氣流速度，對(duì)照不同風(fēng)速等級(jí)風(fēng)速進(jìn)行增加，從0 m/s直至達(dá)到最大25 m/s。在每一等級(jí)氣流速度下，待氣流穩(wěn)定后，通過試驗(yàn)臺(tái)兩個(gè)壓力儀分別測(cè)定不同氣流速度時(shí)的靜壓值及動(dòng)壓風(fēng)量，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

◆重復(fù)試驗(yàn)

更換其它目數(shù)防蟲網(wǎng)，重復(fù)以上試驗(yàn)步驟，每種樣品的防蟲網(wǎng)進(jìn)行兩組試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果

5種目數(shù)防蟲網(wǎng)風(fēng)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果見表3～7，數(shù)據(jù)記錄表中靜壓（Pa）即為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的風(fēng)荷載，動(dòng)壓風(fēng)量為通過待測(cè)防蟲網(wǎng)后的動(dòng)壓風(fēng)量。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算

根據(jù)公式1和公式3，總風(fēng)壓在遇到障礙物的阻擋時(shí)，被分為靜壓和動(dòng)壓，因此可得到公式（4）：

其中ω為總風(fēng)壓，單位為kN/m2，ω靜為靜壓，單位為kN/m?，ω動(dòng)為動(dòng)壓，單位為kN/m?。通過計(jì)算，不同目數(shù)防蟲網(wǎng)風(fēng)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8～17。

風(fēng)阻系數(shù)（γ），為靜壓與總壓的比值，見公式（5）。

依據(jù)不同目數(shù)防蟲網(wǎng)的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，可得到總風(fēng)速與靜壓的相關(guān)曲線圖。如圖9～13所示，橫坐標(biāo)為總風(fēng)速（m/s），縱坐標(biāo)為靜壓（Pa）。

依據(jù)以上5種目數(shù)防蟲網(wǎng)的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到不同目數(shù)防蟲網(wǎng)的靜壓值比較，圖14為不同目數(shù)防蟲網(wǎng)靜壓比較圖。

試驗(yàn)討論與結(jié)論

文章主要針對(duì)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的5種目數(shù)的防蟲網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)荷載試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)可得到以下結(jié)論：

（1）相同目數(shù)的防蟲網(wǎng)，靜壓值與風(fēng)速呈正相關(guān)，靜壓值隨著風(fēng)速增大而增大;

（2）通過測(cè)量試驗(yàn)選取的防蟲網(wǎng)的孔隙率，可知50目防蟲網(wǎng)孔隙率最小，30目防蟲網(wǎng)孔隙率最大。30目防蟲網(wǎng)風(fēng)阻系數(shù)為0.75，40目防蟲網(wǎng)風(fēng)阻系數(shù)為0.81，50目防蟲網(wǎng)風(fēng)阻系數(shù)為0.83，60目防蟲網(wǎng)風(fēng)阻系數(shù)為0.77，80目防蟲網(wǎng)風(fēng)阻系數(shù)為0.77，其中50目防蟲網(wǎng)風(fēng)阻系數(shù)最大。

本試驗(yàn)采用的是潔凈的新防蟲網(wǎng)，實(shí)際應(yīng)用中防蟲網(wǎng)易附著雜物，致使風(fēng)阻系數(shù)增大，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮。因防蟲網(wǎng)生產(chǎn)廠家多，生產(chǎn)材料、工藝等均有不同，試驗(yàn)僅針對(duì)部分廠家的防蟲網(wǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，因此試驗(yàn)結(jié)果還有一定局限性，下一步可擴(kuò)大樣品數(shù)量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用更廣泛的試驗(yàn)結(jié)果。

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作者簡(jiǎn)介：閆冬梅（1989-），女，北京人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)工程。

[引用信息]閆冬梅，徐開亮，張秋生，等.不同目數(shù)防蟲網(wǎng)的風(fēng)荷載試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（16）：57-63.