宜機(jī)化塑料大棚管材選型與局部加固分析＊

馬薔薇，徐 堅(jiān)，張根清，宋衛(wèi)堂,2，蘇世聞，陳先知，朱隆靜，王克磊，李 明,2**

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江溫州 325014；4.浙江真合溫室科技有限公司，浙江溫州 325014）

塑料大棚多采用鍍鋅鋼管裝配而成，屬于輕型鋼結(jié)構(gòu)，成本較低，適宜于大規(guī)模示范推廣。但另一方面，塑料大棚本身構(gòu)造簡(jiǎn)單，對(duì)風(fēng)荷載的抵抗性能較差，遭遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)容易出現(xiàn)棚體結(jié)構(gòu)變形或垮塌，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，作為塑料大棚最主要的受力構(gòu)件，鋼管選型就成為塑料大棚設(shè)計(jì)建造過程中最重要的內(nèi)容之一。截面面積較大的鋼管具有較好的受力性能，對(duì)風(fēng)荷載抵抗能力強(qiáng)，但用鋼量和建造成本較高，降低了塑料大棚的應(yīng)用可行性；另一方面，使用截面面積較小的鋼管雖然建造成本低，但其受力性能較差，無法保證塑料大棚在強(qiáng)風(fēng)條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

針對(duì)上述問題，已有學(xué)者展開相關(guān)研究。如解恒燕等[1]利用Ansys 從幾何非線性和材料非線性兩個(gè)方面，分析了鋼拱單棟塑料大棚的極限承載力，提出拱頂、1/4 跨及柱腳位置為破壞集中的位置。雷嘵暉等[2]采用有限元分析法，對(duì)3 種塑料大棚GP-C622、GP-C82 及GP-C832 骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)載和雪載作用下的非線性應(yīng)力仿真，結(jié)果表明，在風(fēng)荷載作用下，3 種大棚最大可依次承受20、16、20 m/s 的風(fēng)速，拱管直徑越大的大棚可承受的風(fēng)速越大。解恒燕等[3]對(duì)單桿圓拱型塑料大棚無邊立柱和帶邊立柱兩種形式下的非線性屈曲性能進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，單桿圓拱型塑料大棚骨架的極限承載力隨矢跨比的增加而增大，隨桿件長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小，帶邊立柱結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的幾何非線性。

近年來設(shè)施園藝輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)快速發(fā)展，塑料大棚栽培對(duì)農(nóng)機(jī)化作業(yè)的需求越來越高。但傳統(tǒng)6.0～8.0 m 跨塑料大棚內(nèi)部空間狹小，不利于農(nóng)機(jī)作業(yè)和農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，已經(jīng)嚴(yán)重限制了塑料大棚農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高。為此，宋衛(wèi)堂和李明[4]基于“農(nóng)機(jī)-農(nóng)藝-設(shè)施”融合理念設(shè)計(jì)了新型宜機(jī)化塑料大棚，以更有效適應(yīng)設(shè)施蔬菜輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)，消除結(jié)構(gòu)對(duì)農(nóng)機(jī)應(yīng)用的空間限制。但在設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，有關(guān)鋼管型號(hào)和局部加固措施對(duì)宜機(jī)化塑料大棚抗風(fēng)性能的而影響還不清晰，宜機(jī)化塑料大棚的設(shè)計(jì)與應(yīng)用缺乏科學(xué)指導(dǎo)。

國家標(biāo)準(zhǔn)《種植塑料大棚工程技術(shù)規(guī)范》GB/T 51057-2015 規(guī)定塑料大棚所能承受的風(fēng)壓不小于0.20kN/m2，即20m/s。本文的目的即是采用Ansys workbench 軟件的Statistic structural analysis 模塊對(duì)宜機(jī)化塑料大棚在20 m/s 強(qiáng)風(fēng)下的變形和受力性能進(jìn)行分析，研究不同型號(hào)鋼管構(gòu)成的單管骨架的抗風(fēng)性能，并據(jù)此研究局部加固措施對(duì)結(jié)構(gòu)整體性的影響進(jìn)行初步研究，進(jìn)而為優(yōu)化骨架結(jié)構(gòu)、降低成本提供參考。

材料和方法

研究對(duì)象

宜機(jī)化塑料大棚的構(gòu)造參數(shù)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。該大棚由8.0 m 長(zhǎng)鋼管彎曲裝配，規(guī)格為D15、D20、D25 和D32。骨架間距為1.0 m。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《種植塑料大棚工程技術(shù)規(guī)范》GB/T 51057-2015，內(nèi)部吊線采用5 點(diǎn)式布置模式（圖2）。大棚屋面和底腳處局部加固措施如圖3 所示。

圖1 宜機(jī)化塑料大棚結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖/mm

圖2 宜機(jī)化塑料大棚骨架及吊線布置模式

圖3 宜機(jī)化塑料大棚局部加固措施

荷載分析

塑料大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析所涉及到的荷載包括骨架自重、作物荷載、風(fēng)荷載等[5]?？紤]到塑料大棚不會(huì)同時(shí)承受風(fēng)荷載和雪荷載的最大值，且塑料大棚破壞多發(fā)生在強(qiáng)風(fēng)天氣，確定塑料大棚的荷載組合為“恒荷載+風(fēng)荷載+作物荷載”。

塑料大棚風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（wk）按下式計(jì)算：

式中：w0為基本風(fēng)壓，kN/m2；μs和μz分別為風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

設(shè)置塑料大棚所承受的風(fēng)速為20 m/s，并按式（1）計(jì)算：

式中：v為風(fēng)速，取20 m/s；

根據(jù)《GB/T 51183-2016 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]，作用于骨架兩側(cè)肩部的作物荷載水平方向分力（H）和垂直方向分力（N）分別按照下式計(jì)算：

式中：f為吊線的下垂度(m)，取0.106 m；l為吊線相鄰兩支撐點(diǎn)之間的距離(m)，根據(jù)圖1，取3.17 m；q為塑料大棚作物荷載，取150 N/m。

宜機(jī)化塑料大棚的抗風(fēng)性能按承載能力極限狀態(tài)分析，其主導(dǎo)可變荷載為風(fēng)荷載，荷載組合為：荷載設(shè)計(jì)值=0.9×(1.0× 恒荷載+1.0× 風(fēng)荷載+1.2×0.7× 作物吊重荷載)。風(fēng)荷載按上述要求通過線荷載的形式添加到骨架[12]。作用于塑料大棚兩側(cè)肩部的H和N分別為1777.5 N 和237.8 N，作用于塑料大棚兩側(cè)屋面的作物荷載方向垂直向下，均為712.5 N。

有限元模型

宜機(jī)化塑料大棚鋼管骨架的抗風(fēng)性能使用Ansys Workbench 分析，仿真對(duì)象為宜機(jī)化大棚骨架。骨架設(shè)置為beam181 梁?jiǎn)卧?，材料為Q235 結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3[7]。

根據(jù)日本設(shè)施園藝協(xié)會(huì)所頒布的《地中押し込み式パイフハウス安全構(gòu)造指針》，當(dāng)大棚骨架埋入地下300 mm 時(shí)，骨架底部可看作固結(jié)[8]。考慮到宜機(jī)化大棚骨架底埋入地下500 mm，其底部約束設(shè)置為固結(jié)。另外，用于局部加固鋼管則是在賦予截面屬性后，通過綁定接觸的方式與原有骨架大棚進(jìn)行連接。底腳處短鋼管同樣埋入地下500 mm，其底部連接方式同樣設(shè)置為固結(jié)。

結(jié)果與討論

鋼管型號(hào)對(duì)宜機(jī)化塑料大棚骨架抗風(fēng)性能的影響

在風(fēng)速20 m/s 條件下，DN15 鋼管骨架整體隨風(fēng)向變形。其中，迎風(fēng)側(cè)鋼管在正壓作用下向室內(nèi)方向變形，最大位移出現(xiàn)在肩部，達(dá)到了1289 mm。背風(fēng)側(cè)屋脊處的鋼管則在負(fù)壓和迎風(fēng)側(cè)鋼管變形作用下沿風(fēng)向的斜上方變形，大部鋼管的位移都超過了65 mm（圖4a）。另一方面，骨架最大組合應(yīng)力為2053.3 MPa，出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)底腳處（圖4b）。此外，屋脊、肩部、背風(fēng)面底腳處等多處鋼管彎曲應(yīng)力超過了許用應(yīng)力。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，骨架的最大剪力為1120 N，出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)鋼管底腳處，相應(yīng)的剪應(yīng)力為13.7 MPa，遠(yuǎn)低于鋼管的容許應(yīng)力（圖4c）。骨架的最大彎矩達(dá)到了2076.6 N.m，相應(yīng)的最大彎曲正應(yīng)力高達(dá)2050 MPa，遠(yuǎn)超鋼管的許用應(yīng)力，使得該處鋼管被拉斷破壞（圖4d）。

圖4 20 m/s 風(fēng)速下DN15 骨架變形、最大組合應(yīng)力、剪力和彎矩云圖

在上述條件下，將骨架所用鋼管更改為DN20 之后，骨架變形云圖和位移云圖與DN15相似，但整體變形有了一定程度限制。骨架迎風(fēng)側(cè)肩部位移最大，為526 mm。除迎風(fēng)側(cè)底腳和背風(fēng)側(cè)側(cè)墻鋼管外，其余部分位移均超過了65 mm（圖5a）。另一方面，骨架的最大組合應(yīng)力為1140 MPa。根據(jù)剪力和彎矩云圖分析，最大應(yīng)力依然發(fā)生在鋼管底腳處，以彎曲應(yīng)力為主（圖5b）。同樣，將骨架鋼管改為DN25 之后，骨架最大位移和最大組合應(yīng)力進(jìn)一步降低至204.5 mm 和562.1 MPa。最大位移由迎風(fēng)側(cè)肩部轉(zhuǎn)移至屋脊，最大組合應(yīng)力分布與上述結(jié)果相似。在該條件下，迎風(fēng)側(cè)管底腳處、肩部、屋脊，以及背風(fēng)側(cè)肩部的鋼管容許應(yīng)力的部分依然較大，超過了鋼管的容許應(yīng)力（圖6）。

圖5 20 m/s 風(fēng)速下DN20 骨架變形、最大組合應(yīng)力、剪力和彎矩云圖

圖6 20 m/s 風(fēng)速下DN25 骨架變形、最大組合應(yīng)力、剪力和彎矩云圖

采用DN32 鋼管建造的骨架位移云圖和最大組合應(yīng)力云圖與DN25 鋼管骨架相似，但骨架最大位移進(jìn)一步降低，為89.4 mm。根據(jù)日本設(shè)施園藝協(xié)會(huì)所頒布的《地中押し込み式パイフハウス安全構(gòu)造指針》要求，骨架的最大變形應(yīng)低于h/35（h 為肩高）。本研究中，宜機(jī)化塑料大棚的最大容許位移為65.7 mm。因此，該條件下DN32 骨架位移加大，高于塑料大棚容許最大位移。最大組合應(yīng)力為316.8 MPa，但是除迎風(fēng)側(cè)底腳處附近的鋼管外，其他部分鋼管的最大組合應(yīng)力都低于235 MPa（圖7）。因此，可以推測(cè)在該條件下繼續(xù)提高鋼管截面能夠進(jìn)一步降低鋼管最大位移和最大組合應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但大部分鋼管難以發(fā)揮其抗彎性能，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，造價(jià)升高。

采用DN32 鋼管建造的骨架位移云圖和最大組合應(yīng)力云圖與DN25 鋼管骨架相似，但骨架最大位移進(jìn)一步降低，為89.4 mm。根據(jù)日本設(shè)施園藝協(xié)會(huì)所頒布的《地中押し込み式パイフハウス安全構(gòu)造指針》要求，骨架的最大變形應(yīng)低于h/35（h為肩高）。本研究中，宜機(jī)化塑料大棚的最大容許位移為65.7 mm。因此，該條件下DN32 骨架位移加大，高于塑料大棚容許最大位移。最大組合應(yīng)力為316.8 MPa，但是除迎風(fēng)側(cè)底腳處附近的鋼管外，其他部分鋼管的最大組合應(yīng)力都低于235 MPa（圖7）。因此，可以推測(cè)在該條件下繼續(xù)提高鋼管截面能夠進(jìn)一步降低鋼管最大位移和最大組合應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但大部分鋼管難以發(fā)揮其抗彎性能，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，造價(jià)升高。

圖7 20 m/s 風(fēng)速下DN32 骨架變形、最大組合應(yīng)力、剪力和彎矩云圖

作物荷載對(duì)宜機(jī)化塑料大棚骨架抗風(fēng)性能的影響

作物荷載是影響骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和應(yīng)力分布的重要因素之一。撤除作物荷載后，DN25 骨架在同樣的風(fēng)荷載下，最大位移和最大組合應(yīng)力分別為141.9 mm 和367.0 MPa，分別較上述作物荷載和風(fēng)荷載共同作用條件下降低了55.7% 和56.1%(圖8)。骨架最大組合應(yīng)力超出鋼管容許應(yīng)力的范圍集中到了迎風(fēng)側(cè)底腳處。與此相比，在不考慮作物荷載條件下，DN32 鋼管骨架的最大位移和最大容許應(yīng)力分別為69.9 mm 和215.3 MPa。因此，DN32 骨架需要進(jìn)一步采取構(gòu)造措施抑制屋脊處變形，才能抵抗20 m/s 的風(fēng)荷載（圖9）。

圖8 20 m/s 風(fēng)速下無作物荷載時(shí)DN25 骨架變形與最大組合應(yīng)力云圖

圖9 20 m/s 風(fēng)速下無作物荷載時(shí)DN32 骨架變形與最大組合應(yīng)力云圖

局部加固對(duì)宜機(jī)化塑料大棚抗風(fēng)性能的影響

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，DN25 鋼管骨架變形和應(yīng)力超過容許要求的部位分別集中在屋面和底腳處。局部加固該區(qū)域即可改善骨架的整體穩(wěn)定性，同時(shí)有效減少材料，節(jié)約成本。對(duì)于在“恒荷載+風(fēng)荷載+作物吊重荷載”組合條件下的DN25 鋼管骨架，通過局部加固后，骨架鋼管的最大位移和最大組合應(yīng)力分別為57.0 mm 和173.8 MPa（圖10）。該骨架用鋼量?jī)H比DN32骨架高4%，但骨架抗風(fēng)性能得到大幅提升，可滿足宜機(jī)化塑料大棚對(duì)20 m/s 風(fēng)荷載的抗風(fēng)需求。

圖10 20 m/s 風(fēng)速下局部加固后的DN25 骨架變形與最大組合應(yīng)力云圖

結(jié)論

本文研究了不同型號(hào)鋼管建造的9.5 m 跨宜機(jī)化塑料大棚的抗風(fēng)性能，在20 m/s 風(fēng)荷載作用下，鋼管骨架沿風(fēng)向變形，大棚迎風(fēng)面肩部和屋脊處變形較大，最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在骨架鋼管底腳處、肩部和屋脊處。通過提高鋼管截面或取消作物荷載可有效減小骨架變形和最大組合應(yīng)力。根據(jù)仿真結(jié)果，DN15、DN20、DN25 和DN32 鋼管彎曲而成的單管骨架不足以抵抗風(fēng)速20 m/s 的強(qiáng)風(fēng)。除去作物荷載之后，DN32 鋼管骨架基本能滿足上述抗風(fēng)需求。另一方面，使用0.5 m DN20短鋼管對(duì)DN25 骨架底腳部進(jìn)行加固后，DN25 鋼管骨架在上述風(fēng)速條件下的變形和應(yīng)力大幅減小，能滿足無作物荷載下的抗風(fēng)需求。