周博士考察拾零(一百一十九) 橢圓管骨架日光溫室結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造
——甘肅設施農(nóng)業(yè)考察紀實（三）

周長吉（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125）

長期以來中國日光溫室骨架以琴弦結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)為主流承力結(jié)構(gòu)[1]。近年來隨著日光溫室結(jié)構(gòu)向輕簡化、組裝式方向發(fā)展，單管結(jié)構(gòu)日光溫室逐步開始發(fā)展[2]，并有替代琴弦結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)的趨勢。橢圓管骨架是近年來推廣面積較大的一種日光溫室輕簡化單管骨架結(jié)構(gòu)形式，其構(gòu)件截面積小，骨架擋光少；室內(nèi)無立柱，便于機械化作業(yè)和種植布局；閉口截面，截面模量大，平面外穩(wěn)定性好，桿件承載能力強，因此在各地日光溫室發(fā)展區(qū)都有應用。

2020 年11月24～30日在甘肅省的設施農(nóng)業(yè)考察中，也看到大量橢圓管結(jié)構(gòu)日光溫室，而且還創(chuàng)新發(fā)展出多種變形，其中有非常合理的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，也有明顯不合理的結(jié)構(gòu)形式。本文就本次在甘肅設施農(nóng)業(yè)考察中看到的橢圓管日光溫室骨架及其各種變形和連接節(jié)點進行系統(tǒng)總結(jié)和梳理，供業(yè)界同仁們研究和改進。

橢圓管骨架的結(jié)構(gòu)形式

橢圓管骨架按照其結(jié)構(gòu)的承力范圍分可分為屋面承力骨架和整體承力骨架。屋面承力骨架只承載前屋面和后屋面的荷載（統(tǒng)稱為屋面荷載），并將屋面荷載傳遞到后墻和前基礎；整體承力骨架是在屋面承力骨架的基礎上增加了后墻立柱，形成溫室屋面梁和后墻柱一體化的承力體系，溫室后墻不再參與結(jié)構(gòu)承力。前者主要用于后墻為承重墻的溫室結(jié)構(gòu)；后者則主要用于后墻非承重的組裝結(jié)構(gòu)體系。

屋面承力骨架

屋面承力骨架按照前屋面骨架和后屋面骨架的連接方式不同可分為圓弧過渡連接（圖1）和折線直接連接（圖2）兩種方式。圓弧過渡連接方式，前屋面骨架和后屋面骨架為一根管通過輥壓彎曲而成，在前屋面骨架和后屋面骨架的連接點處（屋脊部位）基本沒有應力集中（或應力集中較小，視彎曲弧度大?。@種結(jié)構(gòu)更適合于柔性材料覆蓋的溫室后屋面，如果溫室為剛性材料后屋面，則后屋面在屋脊處的密封必須處理好。

前屋面和后屋面圓弧過渡連接的屋面承力骨架，根據(jù)前屋面和后屋面拱桿間是否設置拉結(jié)弦桿又分為無弦桿、短弦桿和長弦桿幾種結(jié)構(gòu)（圖1）。實際工程中，設置弦桿與否，以及弦桿設置多長、弦桿是水平設置還是傾斜設置主要取決于溫室后屋面的長短、溫室屋脊通風口的位置以及后屋面的荷載大小。柔性材料覆蓋的短后屋面，可不設弦桿，但設置弦桿確實能夠改善屋脊部位前后屋面拱桿的內(nèi)力分布，有利于提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖1 前屋面和后屋面圓弧過渡連接的屋面承力骨架及弦桿布置方式

對于前屋面和后屋面折線直接連接的屋面承力骨架，為了減小屋脊處前后屋面拱桿的應力集中，一般都在前后屋面拱桿間設置拉結(jié)弦桿。但在甘肅的考察中看到，為節(jié)約用材，很多溫室采用了帶弦桿骨架和不帶弦桿骨架間隔布置的多種布置形式，有帶弦桿與不帶弦桿骨架間隔設置的（圖2a），有帶弦桿骨架間設置2 根不帶弦桿骨架的（圖2b），還有連續(xù)2 根帶弦桿骨架間設置1 根不帶弦桿骨架的（圖2c）。為了方便標記和命名，以下將帶弦桿骨架標記為“1”，不帶弦桿骨架標記為“0”，則上述布置方式可分別標記為“10”型、“100”型和“110”型。按照這種規(guī)則，骨架全部帶弦桿布置的方式可標記為“11”型，骨架全部不帶弦桿的布置方式可標記為“00”型。在設計和施工中為簡化標記，一般“11”型和“00”型布置方式可認定為默認標記，不做標注，也不會引起安裝錯誤。

圖2 前屋面和后屋面折線直接連接的屋面承力骨架及弦桿布置方式

帶弦桿骨架和不帶弦桿骨架究竟以什么樣的布置形式更合理？這個問題似乎應該和主副梁結(jié)構(gòu)溫室一樣對待。將帶弦桿拱架視為主梁，不帶弦桿拱架視為副梁，在結(jié)構(gòu)強度計算中，應以一組主副梁結(jié)構(gòu)為一個計算單元進行強度校核。為簡化計算，設計中經(jīng)常將副梁的荷載全部等效附加在主梁上而只對主梁進行強度校核，副梁只起輔助承載作用可不做強度校核，因為按照結(jié)構(gòu)破壞“各個擊破”的原則，當副梁的承載超過極限承載能力發(fā)生變形或破壞后，其承受的荷載將全部轉(zhuǎn)移到主梁，因此保守的簡化設計方法是合理的。實際運行過程中，副梁確實能協(xié)助主梁承擔一定的荷載，因此只計算主梁而不計算副梁的簡化計算方法應該是一種更偏于安全的保守計算方法。在安裝施工中應嚴格按照設計計算的主副梁設置要求布置，絕不可以隨意取消骨架的弦桿，或在帶弦桿骨架間隨意增設不帶弦桿骨架。

帶弦桿骨架上弦桿究竟如何設置？一般弦桿在后屋面拱桿的連接位置多在屋面拱桿桿長的上部（靠近屋脊部位）1/3、中部、下部1/3 和基部；在前屋面拱桿的連接位置多在屋脊通風口的上沿和下沿。由于弦桿在前后屋面拱桿上的連接位置不同，從外形上看就出現(xiàn)了短弦桿、長弦桿、中長弦桿以及水平弦桿、傾斜弦桿等多種形式（圖1b、圖1c、圖2、圖3），其中傾斜弦桿基本以從后屋面向前屋面向上傾斜為主，幾乎沒有從后屋面向前屋面向下傾斜的布置形式?？傮w來講，弦桿的長度越長，在弦桿連接前后屋面拱桿的范圍內(nèi)拱架的應力分布越均勻，但結(jié)構(gòu)總體用材量也最多。

在甘肅設施農(nóng)業(yè)的考察中還看到了一種極短的弦桿（圖3c）并與中長弦桿的骨架間隔布置。這種極短弦桿的做法雖然較無弦桿骨架在屋脊部位對骨架的局部應力分布有所改進，但對結(jié)構(gòu)的整體承力影響不大，總體上和無弦桿的骨架承載能力相差無幾，設計和施工中也應按主副梁結(jié)構(gòu)進行強度驗算。

圖3 弦桿的長度

整體承力骨架

整體承力骨架是將前屋面拱桿、后屋面拱桿以及后墻立柱全部組裝設計在一根骨架上，也稱為“一體式”骨架。這種結(jié)構(gòu)基本室內(nèi)無立柱，因此，不會影響室內(nèi)的機械化作業(yè)和作物的種植布局。從承力的形式看，和非對稱屋面的塑料大棚基本相同，所不同的只是作用的荷載大小以及風荷載體形系數(shù)和雪荷載分布系數(shù)的差別。

和后墻承重的屋面承力骨架一樣，一體式骨架前屋面拱桿、后屋面拱桿和后墻立柱之間的連接也分為圓弧過渡連接（圖4a、圖4b，以下稱為圓拱形梁柱一體化結(jié)構(gòu)）和折線連接（圖4c，以下稱為折線形梁柱一體化結(jié)構(gòu)）兩種形式。當然，從理論上講也可能有前屋面拱桿、后屋面拱桿和后墻立柱相鄰桿件之間兩兩圓弧過渡連接或兩兩折線連接的組合形式。

為了增強結(jié)構(gòu)承載后屋面荷載的能力，一體化組裝結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中還出現(xiàn)了一些變形。一種是在后墻與后立柱之間架設一根水平橫梁（圖4b），將后墻作為承重墻部分承擔后屋面的荷載，一體化組裝結(jié)構(gòu)的立柱可以作為后墻立柱（后墻向后傾斜，柱腳設在后墻墻根），也可以作為室內(nèi)走道立柱（柱腳設置在后走道南側(cè)邊沿）。這種做法立柱基本不影響溫室室內(nèi)耕作和種植，但前提條件是后墻必須能夠承重。

圖4 梁柱一體結(jié)構(gòu)

對于后墻不能承重的裝配式結(jié)構(gòu)，為了增強結(jié)構(gòu)的后屋面承載能力，也便于操作人員上后屋面進行屋面設備的安裝和維修作業(yè)，設計者專門設計了一種雙立柱裝配結(jié)構(gòu)（圖5）。這種結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的梁柱一體化結(jié)構(gòu)的外側(cè)（北側(cè)）增加一根立柱，并在其柱頂設置水平橫梁與梁柱一體化結(jié)構(gòu)的立柱相連（圖5b），水平橫梁形成的平臺正好形成了溫室后屋面的操作平臺（圖5a），雙立柱之間的室內(nèi)空間正好可以設置室內(nèi)走道（圖5b）。這種結(jié)構(gòu)既增強了溫室結(jié)構(gòu)的承載能力，又不影響室內(nèi)種植和耕作（耕作區(qū)沒有立柱），實際上是一種增大溫室種植區(qū)面積的有效結(jié)構(gòu)形式（與同跨度一體化結(jié)構(gòu)相比，作業(yè)走道后移，相當于增加了作業(yè)走道寬度的種植面積）。

圖5 雙立柱一體化組裝結(jié)構(gòu)

橢圓管骨架構(gòu)件之間的連接構(gòu)造

橢圓管骨架作為一種排架結(jié)構(gòu)，自身連接主要以焊接連接為主，一般采用對接焊接。對接焊接后應對焊口進行除渣和防銹處理。除了主體骨架自身的連接外，作為一個整體承力體系，主體骨架尚需要在兩端分別與基礎或后墻頂面連接，骨架中部還要與縱向系桿連接，對于帶弦桿的骨架，弦桿也是主體骨架上重要的連接桿件。以下分別就上述連接節(jié)點的連接方法進行詳細介紹。

屋脊弦桿與屋面拱桿的連接

屋脊弦桿與前后屋面主體拱桿之間的連接形式主要有兩種形式：一種是焊接，另一種是用抱箍連接（圖6）。焊接連接可以在工廠焊接，也可以在現(xiàn)場焊接。為了延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，焊接連接的拱桿在焊接后應該對焊口進行除渣和做防銹處理。圖6a 不做防銹處理的做法非常不利于提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。建議在今后的日常運行中，注意觀察并及早涂刷防銹漆以對構(gòu)件形成長期的保護。

圖6 骨架與弦桿的連接方法

在不破壞構(gòu)件表面鍍鋅層的條件下，屋脊弦桿與主體拱桿之間建議盡可能采用抱箍連接。抱箍一般采用開口“凸形箍”。針對不同形狀的屋脊弦桿，抱箍的連接方式略有不同。對于方管（矩形管）弦桿，通常的連接方式是用抱箍環(huán)抱屋面拱桿后將弦桿的端頭插入凸形箍的開口，用螺栓貫穿凸形箍和弦桿，擰緊螺母即可（圖7a）。對于圓管弦桿，可先將圓管兩端壓平后開孔，用短螺栓副如同方管弦桿連接屋面拱桿一樣連接即可（圖7b）。

圖7 骨架與弦桿的抱箍連接法

屋面拱桿與縱向系桿的連接

縱向系桿是沿溫室長度方向通長布置連接相鄰溫室拱架的桿件，一般多用圓管。其主要作用是減小溫室主體骨架側(cè)向變形的長細比，保證溫室拱架不發(fā)生側(cè)向位移或變形。縱向系桿包括連接屋面拱桿的系桿和連接后墻立柱的系桿。兩種類型系桿的用材和連接方式基本相同，目前組裝結(jié)構(gòu)的橢圓管骨架基本都采用專用連接件連接。

由于拱桿（立柱）與縱向系桿是處于相互垂直的兩個平面內(nèi)的構(gòu)件，而且采用壓膜線壓緊塑料薄膜時，為了保證塑料薄膜有一定的下壓深度，以便能繃緊塑料薄膜，設計要求前屋面拱桿與縱向系桿之間要保持一定的距離，越是拱桿變形弧度大的地方，要求縱向系桿和拱桿之間的距離應越大。

按照上述要求，設計者專門設計了組裝結(jié)構(gòu)橢圓管拱架與縱向系桿的專用連接件，主要有兩種形式：一種稱為“鍵銷夾”（圖8），另一種稱為“鍵銷箍”（圖9）。

圖8 連接骨架與系桿的鍵銷夾

兩種連接件連接縱向系桿的方式基本相同，都采用“鍵銷”法緊固，即將縱向系桿插入連接件尾部的開口凹槽內(nèi)，用一根變截面的鍵銷插入連接件的尾部并封閉凹槽開口，錘擊鍵銷尾部（大頭端）可將縱向系桿鎖死在連接件的凹槽內(nèi)，反向錘擊鍵銷的頭部（小頭端）可拆卸出縱向系桿。因此，這種連接件完全是一種可拆卸的結(jié)構(gòu)組裝件。

連接件在連接屋面拱桿或立柱一側(cè)，鍵銷夾和鍵銷箍有一定的差異。鍵銷夾是用連接件的夾口從拱桿的下部（或立柱的室內(nèi)側(cè)）夾住拱桿（立柱），用自攻自鉆螺釘將連接件雙側(cè)鉚釘在拱桿（立柱）上（圖8a、圖8b）。有的溫室安裝連接件與拱桿（立柱）的連接沒有采用自攻自鉆螺釘連接的方式，而是采用了現(xiàn)場焊接連接的方式（圖8c）。這種焊接連接不僅破壞了承力構(gòu)件和連接件表面的鍍鋅層，而且也給未來結(jié)構(gòu)的拆裝帶來很大的困難。實際安裝中建議盡量采用自攻自鉆螺釘連接。

采用鍵銷箍連接屋面拱桿（立柱）時，連接件是采用抱扣拱桿（立柱）后用螺栓橫穿抱箍頸部，在鎖死抱箍與拱桿（立柱）的同時，將連接件的兩個開口邊也連接在了一起（圖9）。這種做法構(gòu)件無焊接、無鉆孔，完全不破壞拱桿（立柱）和連接件，拆裝方便，在可能的條件下應盡可能選用這種連接方式。惟一的缺點是抱箍在拱桿的上表面有局部凸起，在塑料薄膜壓緊后可能會使其形成局部應力，對塑料薄膜的使用壽命有一定影響。

為了解決塑料薄膜在屋面拱桿上壓緊的問題，屋面拱桿與縱向系桿的連接件也采用了不同的規(guī)格，對壓膜深度要求深的地方（拱桿弧度變化大的地方），采用“長尾”連接件（圖8a），在壓膜深度要求小或沒有壓膜深度要求（立柱）的地方，采用“短尾”連接件（圖8b、圖9）。這里所說的“長尾”或“短尾”，是根據(jù)連接件從固定拱桿（立柱）的下（內(nèi)）表面到固定縱向系桿的鍵銷之間的距離來劃分的，一般拱桿（立柱）與縱向系桿緊貼連接的連接件稱為“短尾”連接件，拱桿與縱向系桿保持一定距離的連接件稱為“長尾”連接件。

圖9 連接骨架與系桿的鍵銷箍

后屋面拱桿與后墻的連接

傳統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)和C 形鋼單管結(jié)構(gòu)，骨架在溫室后墻和在前墻基礎上的連接大都采用直接連接的形式，在基礎（圈梁）上預埋埋件，將骨架焊接或栓接到預埋件上[1-2]。理論上講，橢圓管骨架也可以采用這種方式連接。但在甘肅省設施農(nóng)業(yè)的調(diào)研中看到，橢圓管骨架與后墻的連接大都采用了“臥梁”的連接方式。這里所說的“臥梁”是指水平鋪設在墻體頂面的一根梁。采用“臥梁”連接的方法可有效保證骨架安裝位置的精準就位，也能保證骨架的整體性，徹底消除了因某個或某些拱桿的基礎局部沉降或變形而引起整個結(jié)構(gòu)體系的變形甚至垮塌。

實踐中所用的“臥梁”可以是傳統(tǒng)的鋼筋混凝土圈梁（圖10a），也可以是槽鋼或工字鋼（圖10b），還可以是與拱桿相同規(guī)格材料的橢圓管（圖10c）。其中用橢圓管做臥梁的做法根據(jù)墻體的承重特點又有不同的做法。對承重墻體，橢圓管臥梁可以和圈梁一樣平鋪在后墻的頂面，從墻體內(nèi)向上伸出預埋鋼筋，在臥梁鋪平定位后將預埋鋼筋折彎扣緊臥梁即可（圖10c），而對于非承重墻體，則可以在后墻立柱上伸出支撐桿，將橢圓管臥梁懸支在后墻的內(nèi)表面（圖11）。

圖10 骨架在后墻頂面連接的臥梁

圖11 橢圓管臥梁懸支在后墻上的固定方法

臥梁與橢圓管拱桿的連接有三種形式：一種是在臥梁上焊接U 形連接件，將橢圓管拱桿的端頭插入U 形連接件的槽口，兩側(cè)用自攻自鉆螺釘將U 形連接件與橢圓拱桿固定（圖12a）；第二種是采用L 形連接板，在橢圓管端頭的兩側(cè)分別安裝L 形連接板，并與下部臥梁用自攻自鉆螺釘固定（圖11b），這種做法沒有任何焊點，完全不破壞結(jié)構(gòu)件表面的鍍鋅層，是一種比較合理的組裝連接方法；第三種連接方式是在橢圓管骨架的端部焊接一塊底板，安裝時直接將該底板焊接到橢圓管臥梁上（圖11c），這是一種全焊接連接方式，對結(jié)構(gòu)件和連接件表面的鍍鋅層都有破壞，需要在日常運行中做好防護。

圖12 后屋面拱桿與橢圓管臥梁在后墻上的連接方式

后屋面拱桿在橢圓管臥梁上的連接方法也完全適用于其在槽鋼或工字鋼臥梁上的連接。至于后屋面拱桿在鋼筋混凝土圈梁上的連接可使用傳統(tǒng)的圈梁中預埋件的形式，也可以在圈梁預埋件上焊接一根角鋼，在角鋼上再連接屋面拱桿，諸多連接方法，不多贅述。

前屋面拱桿、山墻立柱與基礎的連接

前屋面拱桿和山墻立柱與基礎的連接方式有多種形式。最簡單的做法是像塑料大棚骨架一樣的“插地”模式，即將拱桿或立柱直接插入溫室地基中。這種做法沒有基礎，施工簡單，但由于拱桿和立柱的截面積小，一是要求插入足夠的深度才能保證在風荷載上拔力的作用下拱桿或立柱不會從地基中拔出（主要依靠插入地基橢圓管外表面的摩擦力來平衡風荷載作用在骨架基部的上拔力）；二是拱桿或立柱基部應鋪墊石塊、磚塊或水泥塊，以擴大拱桿（立柱）的斷面積，避免拱桿（立柱）在結(jié)構(gòu)自重、雪荷載、作物荷載等豎向荷載作用下向地基中下沉。

日光溫室建設中骨架與基礎連接常用的方法是采用鋼筋混凝土圈梁，并在圈梁中預埋埋件，通過埋件將拱桿（立柱）與基礎相連（圖13a）。這種做法連接牢固，承載能力強，在設計荷載范圍內(nèi)基本不會發(fā)生骨架基部移位的問題。這種做法的缺點是骨架基部埋藏在混凝土基礎或圈梁中，由于混凝土對鋼材有腐蝕作用，長期運行后可能使鋼構(gòu)件在與混凝土接觸的表面先期腐蝕，應注意觀察，定期維護。

圖13 前屋面拱桿與基礎的連接方式

在甘肅省設施農(nóng)業(yè)的調(diào)研中更多看到的還是用橢圓管臥梁來連接前屋面拱桿（圖13b、圖13c）和山墻立柱（圖14a）。橢圓管臥梁與基礎的連接形式有2 種：一種是平鋪在連續(xù)的條形基礎或圈梁上（圖13b）；另一種是架支在獨立基礎上（圖13c）。在圈梁或獨立基礎中預埋鋼筋，并將預埋鋼筋的端頭伸出基礎或圈梁表面，待橢圓管臥梁平鋪定位后，將伸出的鋼筋頭折彎扣壓在橢圓管臥梁的上表面（圖14），即可將臥梁牢固固定在基礎或圈梁頂面。基礎中的預埋鋼筋有的使用了雙根（圖14a、圖14c），有的則使用了單根（圖14b）。從安全的角度講，雙根固定肯定比單根固定更安全。

圖14 臥梁與基礎的固定

拱桿和立柱端部與橢圓管臥梁的連接方法，除了上述后屋面拱桿與后墻上橢圓管臥梁連接的角鋼連接件雙側(cè)栓接拱桿（圖15a）、拱桿底腳板焊接連接臥梁（圖15b）的連接方法外，考察中還發(fā)現(xiàn)一種用“放大腳”的連接方式（圖15c），即在立柱的基部焊接一段與立柱橢圓管外形尺寸緊配合的大直徑橢圓管稱為插管，直觀看就像磚基礎或鋼筋混凝土基礎的放大腳一樣。插管短柱上部與立柱端部焊接，下部與橢圓管臥梁焊接，從而實現(xiàn)立柱與臥梁的連接，也或許是插管短柱是事先插管到橢圓管臥梁上，對立柱進行精準定位，橢圓管立柱內(nèi)插進插管短柱中。緊配合的插管，如果插入深度足夠（取決于插管短柱的長度）可不做任何其他連接，如果插入深部不足，可用立柱雙側(cè)自攻自鉆螺釘連接、螺栓貫通連接或連接界面焊接等方式連接。用插接連接的方式不削弱構(gòu)件截面，也不會造成構(gòu)件表面鍍鋅層破壞，應該說是一種理想的連接方式。在插接連接的基礎上再附加上述栓接或焊接將更加保險。

圖15 立柱或拱桿與橢圓管臥梁的連接