海南夏秋新型抗台风蔬菜生产大棚设计单栋中跨度塑料拱棚.pdf

高 温高湿 、 台风 、 暴雨等问题是制约海南本地蔬菜夏秋淡季生产的主要因素 ， 因此设施栽培成为保证周年蔬菜供应的主要生产方式和手段 。 近年海南省设施栽培快速发展 ， 但缺乏较为系统的研究 ，除管理方面的原因外 ， 最大的问题就是缺乏针对海南地区夏秋极端气候特点的规范化专用大棚类型 ，使得现有常年蔬菜大棚设计标准在海南夏秋蔬菜生产的适应性欠佳 ， 存在夏秋季热害 、 抗风能力差等问题 ， 阻碍了蔬菜大棚的进一步发展 。 基于海南的气候和蔬菜种植特点 ， 本文设计的夏秋新型抗台风蔬菜大棚具备以下 5 个特点 ： (1) 经济实用 、 后期维护操作简便 ； (2) 骨架设计抗风级别可达 12 级 ； (3)棚内自然通风良好 、 温度适宜 ； (4) 屋顶防雨或能够缓冲暴雨冲刷 ； (5) 基础设计既能抗台风 ， 又不破坏耕地 。 该单拱大棚在 2016 年 10 月份的台风 “莎莉嘉 ”中经受住考验 ， 台风过后能够保持正常生产 。1 单栋中跨度塑料拱棚的设计单栋中跨度塑料拱棚如图 1 所示 。 拱棚顶高 2.5m ，跨度 5.0 m ， 采用热镀锌钢管作为其结构的主要构 基金项目 ： 海南省自然科学基金项目资助 (No. 20153058) 。收稿日期 ： 2016-12-21 责任编辑 / 黄 艳 E-mail ： rngcrngc3gmail.com 。 刘 建 (1982-) ， 男 ， 副教授 ； 研究方向为设施农业工程结构与规划 、 设计研究 。 通讯作者 。2 017 年 1 月TROPICAL AGRICULTURAL ENGINEERING Vol41, No1热 带 农 业 工 程第 41 卷第 1 期Feb 2017海南夏秋新型抗台风蔬菜生产大棚设计单栋中跨度塑料拱棚刘 建庞真真(海南大学园艺学院 海南海口 570228)摘 要 根据海南夏秋蔬菜生产高温 、 高湿及台风多发的热带气候条件 ， 通过结构尺寸 、 力学分析 、 材料等研究 ， 设计出一种新型的抗台风单栋中跨度塑料拱棚 。 通过构件和基础优化设计 ， 显著的提高了该拱棚的稳定性 ，具有抗侧倾 、 抗拔起的抗风能力 ， 且具有防暴雨 、 自然通风良好 、 空间较大 、 造价相对较低的优点 ， 适合海南地区夏秋 ( 常年 ) 蔬菜生产 。关键词 抗台风大棚 ； 单栋拱棚 ； 夏秋蔬菜大棚中图分类号 S625.5Design of a New Anti-typhoon Greenhouse for Hainan Vegetable Production in Summerand AutumnSingle and Medium Span Plastic ShedLIU Jian PANG Zhenzhen(College of Horticulture, Hainan University, Haikou, Hainan 570228)Abstract A new type of anti-typhoon greenhouse is introduced according to tropical climate in Hainanwith the high temperature, high humidity and frequent typhoon during summer and autumn. The single andmedium span plastic shed is designed based on the structural dimension, mechanics analysis and material.The stability of the medium span plastic shed is improved remarkably by optimizing components andfoundation. It has the anti-wind ability of anti-roll and anti-lift, and has the advantages of anti-rainstorm,good natural ventilation, large space, and relatively low cost, which is adapt to the summer and autumnvegetable production (or annual) in Hainan.Key words anti typhoon greenhouse ； single span plastic shed ； summer and autumn vegetable greenhouse21- -2 017 年 1 月 第 41 卷第 1 期热带农业工程件 ； 在 2 个端部山墙面分别设置 2 根热镀锌钢管立柱 ， 同时在长度方向每间距 4.2 m 、 在柱脚位置两侧各设置 1 条钢筋混凝土桩 ， 用以增加主体结构在台风中的稳定性 ； 端部两侧沿着拱屋面设置纵向支撑杆 ； 拱屋面肩部以下覆盖防虫网 ， 形成通风口 ；肩部以上覆盖薄膜 ， 并在薄膜外层覆盖 50 % 的遮阳网 ， 遮阳网外部设置压膜线 。1.1 设计参数恒荷载 ： 0.05 kN/m2( 含钢骨架自重 ) ；活荷载 ： 0.1 kN/m2( 本大棚针对海南常年蔬菜生产 ，以叶菜为生产对象 ， 不考虑作物吊重 ) ；风荷载 ： 0.75 kN/m2， 海口地区 50 年一遇 ， 相当于 12 级风中间风速 。1.2 几何尺寸拱棚跨度 5.0 m ， 矢高 2.5 m ， 拱间距 0.7 m ， 长度可根据实际地形情况确定 ， 但需满足每 6 个拱 ( 即4.2 m) 设置一个主拱 ( 图 2) ；拱棚之间预留 0.6-0.8 m 宽的间距作为操作通道及排水沟 ；棚内设置 3 个栽培垄 ， 垄间设置 0.3m 深排水沟 ， 兼作操作走道 。 棚内走道处实际操作高度可达到 2.25m 以上 ， 基本满足小型园艺机械正常操作的需求 ；棚型曲线是半径 2.5m 的半圆拱 。图 1 单栋中跨度塑料拱棚示意图40 ×2 mm拱杆50 ×2.2 mm纵向系杆32 ×1.5 mm推拉门吊轨25 ×1.5 mm2.5m0.5m5.0 m门立柱32 ×1.5 mm基础圈梁0.3 m ×0.15 m(h)加固水泥桩0.1 m ×0.1 m ×0.9 m上层 50 % 遮阳网覆盖下层 0.08 mm 薄膜覆盖薄膜边预留 0.15 m 宽1.2 mm 方形卡槽40 目防虫网覆盖屋面斜撑杆32 ×1.5 mm0.7 m ×6=4.2 m加固纵向系杆图 2 单栋中跨度塑料拱棚平面示意图 /mm增设加固水泥桩700 ×6=4 200150150150150150150700 ×6=4 2005000150015002000四周圈梁h=150 ， 2- 6主拱基础 ， 余同副拱基础 ， 余同22- -刘 建 等 海南夏秋新型抗台风蔬菜生产大棚设计 - 单栋中跨度塑料拱棚1.3 力学分析计算1.3.1 荷载标准值分析计算恒荷载 q1、 活荷载 q2、 风荷载 q3分别计算如下 ：(1) 恒荷载 q1： 0.05 kN/m2；(2) 活荷载 q2： 0.05 kN/m2；(3) 风荷载 q3： 根据拱棚外覆盖的形式 ( 按四周开敞式 ) ， 拱屋面薄膜覆盖部分荷载体形系数按 3 段考虑 ： 迎风面 us1=1.0 、 背风 面 us2=-0.6 、 屋顶面us3=-1.01； 风压高度变化系数 uz=1.0 ； 基本风压 w0按前述风荷载值取 0.75 kN/m2。 则迎风面 ( q31) 、 背风面 ( q32) 与屋顶面 ( q33) 的风荷载计算如下 ：q31= w0uzus1=0.75 ×1.0 ×1=0.75(kN/m2) ；q32= w0uzus2=0.75 ×1.0 ×(-0.6)=-0.45(kN/m2) ；q33= w0uzus3=0.75 ×1.0 ×(-1.0)=-0.75(kN/m2) 。考虑 2 种不利组合 ： 恒载 + 风荷载与恒载 + 活荷载 + 风荷载 。 风荷载为主导荷载 ， 由可变荷载控制效应设计值的计算公式 Sd=mj = 1GjSGjk+Q1L1SQ1k+ni = 1QiLiciSQik2及相关的计算方法计算荷载设计值 。公式中 SGjk、SQ1k、 SQik分别对应恒荷载 q1、 风荷载 q3与活荷载 q2， m=1 ， n=2 。计算时 ， 恒荷载对结构有利 ， 分项系数Gj取值为 1 ； 风荷载和活荷载的分项系数Q1、Qi取值为 1.4 ； 风荷载与活荷载的设计使用年限调整系数L1、Li取值为 1.0 ； 可变荷载的组合值系数 ci取值为 0.7 ； 开间 L=0.7 m ( 拱杆间距 ) 。 计算各荷载设计值如下 ( 结构重要性系数 取值为 0.95) ：(1) 恒荷载设计值 Q1：Q1= Lmj = 1GjSGjk=0.95 ×0.7 ×1.0 ×q1=0.033 25(kN/m)(2) 活荷载设计值 Q2：Q2=Lni = 2QiLiciSQik=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1.0 ×0.7 ×q2=0.03259(kN/m)(3) 风荷载设计值 Q3( 迎风面 Q31、 背风面 Q32、 屋顶面 Q33) ：Q31= LQ1L1SQ1k=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1 ×q31=0.698 25(kN/m) ；Q32= LQ1L1SQ1k=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1 ×q32=-0.418 95(kN/m) ；Q33= LQ1L1SQ1k=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1 ×q33=-0.698 25(kN/m) 。1.3.2 材料强度设计采用结构计算软件进行计算 ， 计算模型如图 3所示 ， 两端柱脚与基础连接为固定铰支座 ( 铰接 ) 。通过计算 ， 在不同荷载组合作用下 ， 最大内力对应的构件为构件 3 与构件 4 ， 弯矩 ( Mx) 和轴力 ( N) 分别为 ： Mx=-0.88 kN/m ， N=0.32 kN 。 拱 杆 试 算 选 用50 ×2.2 mm 的热镀锌圆管 ( Q235 冷弯薄壁型钢 ， 强度设计值 f 为 205 N/mm2) ， 则拱杆应力 ( ) 值计算如下 ：=NAen±MxxWnx=0.32 ×1033.3 ×102+0.88 ×1061.15 ×3.78 ×103=0.96+202.44=203.4(N/mm2) f=205(N/mm2) ， 满足强度条件 。式中 ： Aen拱杆的有效净截面 ；x截面塑性发展系数 ， 圆管取 1.15 ； Wnx净截面模量 。1.4 材料参数(1) 基础 ： 基础采用条形基础 ； 条形基础宽0.30 m ， 深 0.5 m ， 下部 0.15 m 高范围内采用 C20 混凝土现浇 、 配 6 mm 的 HRB400 钢筋 2 条 ( 圈梁 ) ， 上部采用原土回填夯实 ， 如图 4 所示 。(2) 加固水泥桩 ： C20 混凝土预制 ； 水泥桩长度为 0.9 m ， 截面为 0.1 m ×0.1 m ， 配 8 mm 的 HRB400钢筋 2 条 ； 水泥桩端部居中预留半径为 50 mm 的半凹槽 ， 如图 5 所示 。(3) 主体钢骨架 ： 拱杆采用 50 ×2.2 mm 的热镀锌圆管 ； 沿着拱棚脊部 、 两侧肩部各设置 1 条纵向系杆 ， 共计 3 条 ， 采用 32 ×1.5 mm 的热镀锌圆管 ； 两侧加固水泥桩顶部各设置 1 条加固纵向系杆 ，共计 2 条 ， 采用 40 ×2 mm 的热镀锌圆管 ； 端部屋面设置屋面斜撑 ， 采用 32 ×1.5 mm 的热镀锌圆管 ； 主拱位置的拱杆和纵向系杆采用十字卡件 (U 型螺栓 ) 连接 ， 副拱位置的拱杆和系杆采用热镀锌十23- -2 017 年 1 月 第 41 卷第 1 期热带农业工程图 6 压膜带安装节点图 /mm压膜带下部卡槽镀锌吊环螺栓 M103535拱杆与拱杆焊接牢固自然地面图 3 拱棚结构计算模型图 /mm( 杆件编号 ， 余同 )8525039751860314750025005 0001357911131424681012水泥桩支撑 水泥桩支撑字卡簧连接 。(4) 覆盖材料 ： 顶部薄膜为 0.08 mm 薄膜 ， 薄膜外层覆盖遮阳率为 50 %-60 % 的遮阳网 ， 并采用压膜带压紧 ， 压膜带固定于柱脚吊环上 ( 图 6) ； 两端山墙面及两侧覆盖 40 目防虫网 ， 形成自然通风口 ； 在柱脚和肩部设置 1.2 mm 厚热镀锌方卡槽 ( 可双卡 ) ，卡簧采用 2 mm 浸塑卡簧 。图 4 基础安装节点图 /mm350拱杆原土夯实回填C20 混凝土2- 6300 长 8 钢筋与管焊牢150 15011040150图 5 水泥桩安装节点图 /mm300 长8 钢筋十字卡簧 ， 3热镀锌拱杆预制水泥桩St5.5 ×20 自攻钉 ， 余同8#(4 mm) 热镀锌铁丝双股扎紧 ， 接口在内侧原土回填夯实5010050035050与管焊牢15015040150350R502- 6C20 混凝土 ( 圈梁 )24- -刘 建 等 海南夏秋新型抗台风蔬菜生产大棚设计 - 单栋中跨度塑料拱棚2 单栋中跨度塑料拱棚的材料清单本计算实例所采用拱棚的单体长度为 42 m ， 跨度5m ， 计算面积为 42m ×5m=210m2。 计算结果如表 1 所示 ：表 1 拱棚的材料清单表序号 名称 规格 单位 数量1 0.9 m 预制水泥桩 0.1 m ×0.1 m ×0.9 m 根 22.002 挖基础土方 开挖截面 0.3 m ×0.5 m m314.103 基础现浇混凝土 C20 m36.584 基础回填土方 原土回填 m37.525 基础钢筋 6 mm HRB400 钢筋 kg 127.916 拱杆 50 ×2.2 mm ×8.8 m 根 61.007 水泥柱顶纵梁 40 ×2 mm m 84.008 拱面纵拉杆 32 ×1.5 mm m 126.009 门柱 32 ×1.5 mm m 9.2010 山墙横梁 25 ×1.5 mm m 6.0011 屋面撑杆 32 ×1.5 mm m 28.8012 卡槽 1.2 mm 方卡槽 m 196.0013 卡簧 涂塑 m 280.0014 十字卡件 32 ×50 mm 个 33.0015 十字卡件 40 ×50 mm 个 22.0016 十字卡簧 3 ， 32 ×50 mm 个 150.0017 十字卡簧 3 ， 40 ×50 mm 个 100.0018 环形抱箍 42 ×3 mm 个 16.0019 镀锌铁丝 4 mm m 44.0020 防虫网 40 目 ， 幅宽 2 m m2205.0021 薄膜 0.08 mm ， 幅宽 6 m m2255.0022 遮阳网 60 % ， 幅宽 6 m m2255.0023 门 ( 含导轨 ) 2 m ×2 m m24.0024 压膜带 白色 m 340.0025 吊环螺栓 M10 个 42.003 讨论(1) 针对轻钢结构重量轻 ， 不利于抵抗台风的特点 ， 采用条形基础 ( 圈梁 ) ， 显著提高拱棚的稳定性和抗拔起的能力 ； 部分增加了加强水泥桩 ， 拱棚抗侧倾的能力也得到提升 。(2) 条形基础 ( 圈梁 ) 仅在下部 15 cm 处进行混凝土浇筑 ， 上部 35 cm 采用原土回填 ， 不影响耕作 ，对种植地的影响较小 ； 预制的水泥桩易清理 。(3) 拱棚下部四周形成良好的自然通风 ， 加上顶部遮阳网的遮阳作用 ， 能较大降低棚内尤其是种植区的环境温度 。(4) 顶部薄膜能够阻挡暴雨对蔬菜的袭击 ， 肩部防虫网能缓冲暴雨的冲击力 ， 能够保证台风暴雨季节的正常使用 ， 实现海南地区蔬菜周年生产 。(5) 室内空间开敞 ， 适合小型园艺机械操作 。参考文献1 贾永新 ， 张勇 ， 李斌 . 开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究 J. 建筑结构学报 ， 2010(S2) ：159-164.2 中国人民共和国住房和城乡建设部 . GB 50009-2001 ，建筑结构荷载规范 S. 中国建筑工业出版社 ， 2012.25- -