烤煙育苗預(yù)制砼架中棚設(shè)計及應(yīng)用

田仁進(jìn)，喻麗華，曹興兵，蘇 文，紀(jì) 杰，燕鵬程，熊 偉

(1. 黔西南州煙草公司普安縣分公司，貴州 普安 561500；2.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

我國塑料中棚種類很多，有竹木結(jié)構(gòu)中棚、鋼管中棚、鋼筋-竹子混合結(jié)構(gòu)中棚、鍍鋅鋼管結(jié)構(gòu)中棚、其他棚架結(jié)構(gòu)中棚等[1]。現(xiàn)階段在黔西南烤煙育苗棚主要有：插地小棚、焊接鋼結(jié)構(gòu)中棚、鍍鋅鋼管中棚，三種育苗棚各有優(yōu)缺點。插地小棚：跨度1.15～1.20 m，長度6～8 m，高度0.6～0.7 m，每個棚育苗40張育苗盤。優(yōu)點是建造簡單、取材方便，造價低廉，對地理條件要求低；缺點是規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化育苗過程中，管理難度極大，必須投入大量勞動力，壽命短，抗風(fēng)雪荷載性能差[2]。焊接鋼結(jié)構(gòu)中棚：跨度4～6 m，脊高2.6～3.0 m，長15～30 m，拱架是用鋼筋、鋼管或兩種結(jié)合焊接而成的平面桁架，縱向各拱架間用拉桿或斜交式拉桿連接固定形成整體，拱架上覆蓋薄膜。其優(yōu)點是骨架堅固，沒有中柱，棚內(nèi)空間大，透光性好，作業(yè)方便；缺點是骨架需要涂刷油漆防銹，1～2年需涂刷1次，造價高昂，對地理條件要求高，使用壽命6～7年[3]。鍍鋅鋼管中棚：跨度8 m，脊高2.5～3.2 m，長30 m，這種結(jié)構(gòu)的中棚骨架、拱桿、縱向拉桿、端頭立柱均采用熱鍍鋅防銹處理，并采用焊接的工藝進(jìn)行連接，使用壽命一般為8年[3]。優(yōu)點是棚內(nèi)空間大，遮光少，作業(yè)方便，抗腐蝕；缺點是承受風(fēng)雪荷載能力很低，當(dāng)積雪超過4 cm厚時就可將其壓塌。

本文設(shè)計了一種既能滿足烤煙育苗的小氣候環(huán)境要求，又能適當(dāng)降低建造成本，提高空間利用率的中棚，即利用預(yù)制的水泥桿作為育苗棚的骨架(以下簡稱“砼架”)，使所建造的中棚具有成本低、安裝方便、使用壽命長等優(yōu)勢。

1 烤煙育苗預(yù)制砼架中棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 中棚總體尺寸確定

1.1.1 長度設(shè)計

常見的烤煙育苗鋼架中棚的規(guī)格一般為30.0 m×8.0 m×2.8 m，結(jié)合育苗地塊條件、烤煙育苗的小氣候環(huán)境需求及砼架結(jié)構(gòu)中棚的承載力等因素，預(yù)制砼架中棚的總長設(shè)計為15 m。

1.1.2 跨度設(shè)計

跨度設(shè)計直接關(guān)系到中棚的使用功能和安全性[4-5]。常見塑料中棚跨度一般在4～8 m，小跨度的塑料中棚優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、有較強的抗風(fēng)、抗水能力，缺點是易受到外界環(huán)境溫差變化造成的影響[6]。預(yù)制砼架中棚的跨度初步選定4.0 m、4.5 m、5.0 m三種。

1.1.3 高度設(shè)計

中棚的高度設(shè)計要盡量通過降低高度來降低風(fēng)阻和風(fēng)壓，以及降低成本預(yù)算和減少散熱面積，以此來獲得更好的保溫能力[7]。在黔西南州調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一般的中棚總高在2～3 m左右，考慮到中棚高度尺寸太小，不便于育苗的日常管理，因此，中棚高度設(shè)計為2.5 m。

1.1.4 總體尺寸確定

為了獲得經(jīng)濟(jì)適用的砼架中棚，初步設(shè)計了3種中棚結(jié)構(gòu)方案。方案Ⅰ，15.0 m×4.0 m×2.5 m；方案Ⅱ，15.0 m×4.5 m×2.5 m；方案Ⅲ，15.0 m×5.0 m×2.5 m。將三種結(jié)構(gòu)中棚從占地面積、育苗盤數(shù)、單位面積盤數(shù)、操作性等方面進(jìn)行對比分析，選出最優(yōu)設(shè)計，三種結(jié)構(gòu)中棚對比分析情況如表1所示。

表1 三種結(jié)構(gòu)中棚對比分析

由表1可知：從空間利用率考慮，方案Ⅲ的單位面積育苗數(shù)最大，空間利用率最優(yōu)，方案Ⅱ次之。但從抗風(fēng)雪壓因素考慮，方案Ⅰ最優(yōu)，方案Ⅱ次之。綜合考慮空間利用率及抗風(fēng)雪壓因素，砼架中棚結(jié)構(gòu)選取方案Ⅱ，即中棚總體尺寸設(shè)計為15.0 m×4.5 m×2.5 m。

1.2 中棚詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 中棚結(jié)構(gòu)類型確定

為了獲得最優(yōu)的中棚頂，研究了1/2圓形、1/4圓形以及“人”字形三種不同結(jié)構(gòu)以及各銜接部件組裝設(shè)計方法，以找到一種安裝和拆卸方便、又不易損毀部件的組裝設(shè)計和方法。如圖1所示，圖中“⊕”代表銜接點。

圖1 中棚結(jié)構(gòu)類型示意

由圖1可知：1/2圓形需要2個銜接點，1/4圓形和“人”字形均只需1個銜接點，所以從安裝便捷性方面看，后兩者有優(yōu)勢；從穩(wěn)定性看，“人”字形棚優(yōu)于1/4圓形棚，但“人”字形棚的棚內(nèi)操作空間過小、通風(fēng)差，難以滿足烤煙育苗的實際需要。綜合分析，砼架中棚設(shè)計為1/4圓形頂。

1.2.2 砼架桿布置

中棚砼架布置如圖2所示，其中，每兩根砼架的縱向間距為1 m。

圖2 砼架中棚結(jié)構(gòu)示意

1.2.3 砼架桿設(shè)計

為了獲得經(jīng)濟(jì)適用的砼架桿，初步設(shè)計了三種規(guī)格的砼架桿結(jié)構(gòu)：規(guī)格一，4 cm×5 cm；規(guī)格二，5 cm×5 cm；規(guī)格三，5 cm×8 cm。為了提高中棚的抗風(fēng)雪荷載能力，砼架桿內(nèi)采用如圖3所示的6#鐵絲編織的正三角形鐵絲網(wǎng)作為其內(nèi)骨架。將三種規(guī)格的砼架桿從制作成本、承載力、抗裂性進(jìn)行試驗對比，最終確定砼架桿的規(guī)格為4 cm×5 cm，砼架桿三維模型如圖4所示。

圖3 砼架桿內(nèi)的骨架鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

圖4 砼架桿三維模型示意

1.3 育苗池設(shè)計

棚內(nèi)設(shè)計兩個縱向?qū)ΨQ布置的育苗池，池周圍用預(yù)制磚砌制。棚內(nèi)育苗池結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 育苗池結(jié)構(gòu)示意

圖5中，苗池內(nèi)長14.60 m，內(nèi)寬1.85 m，苗池外埂寬0.20 m，內(nèi)埂寬0.40 m。每池可育苗125盤，一個中棚共育苗250盤，其中，育苗盤規(guī)格：長57.00 cm、寬36.00 cm。

2 中棚荷載計算及靜荷載試驗

影響中棚使用壽命的自然因素有以下幾類：地震、風(fēng)載、雪載、雨載等，由于該砼架是在貴州省黔西南境內(nèi)推行使用，貴州省地震發(fā)生概率非常小，本設(shè)計主要考慮雪載、風(fēng)載、雪載+風(fēng)載。

2.1 雪荷載計算

雪荷載就是作用在溫室屋面上的雪壓[8]。雪降落在中棚上表面，以重力形式展現(xiàn)出來，對砼架烤煙育苗棚施加荷載。雪載值的大小為[9]

Sk=S0×μr

(1)

Sk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；S0為基本雪壓(kN/m2)，在該國標(biāo)規(guī)范中可得貴州地區(qū)基本雪壓值S0=0.4 kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)。

屋面積雪分布系數(shù)計算公式為[9]

(0.4≤μr≤1.0)(2)

l為大棚跨度(m)；f為大棚弧形部分的高度(m)。則有

雪載

Sk=S0×μr=0.4×0.511 4=0.204 5 kN/m2

F總=Sk×S棚面積=0.204 5×4.5×15=13.806 8 kN

轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，則有

每一個大棚16根砼架，則分配到每一根砼架雪荷載約為86.3 kg。

2.2 風(fēng)載分析

風(fēng)力是指風(fēng)吹到物體上所表現(xiàn)出力量的大小。一般分為13個等級，即0～13級。0～5級的風(fēng)沒有破壞力，對人們的生活影響很小。查閱相關(guān)資料，普安縣近十年風(fēng)力統(tǒng)計：風(fēng)力小于三級有1 921天、三級風(fēng)力有219天、四級風(fēng)力58天、五級風(fēng)力11天、六級風(fēng)力1天。四級稱為和風(fēng)，對應(yīng)風(fēng)速約5.5～7.9 m/s，特征是能夠吹起塵土；五級稱為勁風(fēng)，風(fēng)速約8.0～10. 7 m/s，特征是能夠使小樹搖擺；六級稱為強風(fēng)，風(fēng)速約10.8～13.8 m/s，特征是能夠使電線有聲，撐傘困難。

根據(jù)上述風(fēng)力氣象數(shù)據(jù)可知，普安縣風(fēng)力對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞力很小，幾乎可以忽略不計。為此，本砼架烤煙育苗棚設(shè)計忽略風(fēng)荷載。

2.3 靜荷載試驗

2.3.1 試驗?zāi)康募霸囼炂骶?/p>

中棚靜載荷試驗?zāi)康模簷z測中棚抗雪載能力，以確保其使用的安全性。試驗器具主要包括：尼龍繩、加載框、標(biāo)準(zhǔn)空心磚(磚的質(zhì)量為20 kg)、秤。

2.3.2 試驗流程

試驗主要有以下幾個步驟：

(1)在中棚內(nèi)任選一根砼架進(jìn)行承載力試驗，為了使砼架均勻受力，在砼架上對稱布置兩個加載筐。

(2)依次向加載筐里放入空心磚模擬靜荷載，直到每框靜荷載大小為44 kg。

(3)中棚所加靜荷載保持一周，觀察砼架中棚的完好性。

2.3.3 結(jié)果及分析

靜荷載試驗現(xiàn)場如圖6所示，靜荷載在中棚上施加一周后，發(fā)現(xiàn)砼架完好無損，無斷裂和明顯裂紋，試驗結(jié)果表明，砼架中棚結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

圖6 砼架育苗中棚靜荷載試驗現(xiàn)場

3 中棚成本分析

為了分析砼架中棚的成本優(yōu)勢，現(xiàn)將其與常見的鍍鋅鋼管中棚、插地小棚進(jìn)行對比分析，三種育苗棚成本對比情況如表2所示。

表2 三種育苗棚成本比較

由表2可知：從建造成本來看，砼架中棚造價低于鋼架中棚、高于插地小棚；從使用年限來看，砼架中棚與鍍鋅鋼管中棚均為8年，明顯長于使用年限為1年的插地小棚；從每盤折算造價來看，砼架中棚為1.07 元/(盤·年)，明顯低于鍍鋅鋼管中棚和插地小棚。綜合以上分析可知，砼架中棚成本優(yōu)勢明顯。

4 砼架中棚推廣示范

砼架中棚示范點位于普安縣新店鎮(zhèn)爛木橋村，且滿足地勢偏高、土質(zhì)肥沃、平坦、交通方便、距水源近、用電方便等基本要求，同時周圍無污染源對煙苗產(chǎn)生影響。試驗點東、南、西三個方向為開闊地，北邊有小山丘可作為天然屏障，中棚安裝方向為南北朝向，棚間距不低于80 cm，以利于棚內(nèi)采光[10]。

通過項目實施，截至2021年4月已完成28個育苗棚建造。每棚實際育苗250盤，一個砼架中棚完成80 500株烤煙苗的育苗工作；以每畝栽1 100株煙計，通過本項目實施建造的中棚，可滿足2 044畝的煙地育苗需要。

5 結(jié)語

設(shè)計并建造了一種烤煙育苗砼架中棚，中棚總體尺寸15.0 m×4.5 m×2.5 m，棚內(nèi)對稱布置兩個育苗池，每棚可育苗250盤，共計80 500株烤煙苗，可供移栽面積73畝。

中棚整體結(jié)構(gòu)緊湊，采用“混泥土+鐵絲骨架”的方法預(yù)制砼架，安裝便捷、對地塊大小要求不高、成本低，比較優(yōu)勢明顯。

已建成的28個砼架中棚可供苗2 044畝，以使用年限8年計，較鍍鋅鋼管中棚節(jié)省8.3萬元，較當(dāng)?shù)夭宓匦∨锕?jié)省7.6萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。