竹-PVA纤维再生混凝土组合结构大棚棚架的性能研究

夏玉峰，王海超，高 超

(1.青岛工学院建筑工程学院，山东青岛266300；2.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266300；3.中国华冶科工集团有限公司，北京100176)

我国北方寒区蔬菜种植大棚在形式上普遍采用单栋塑料大棚，在材料选择上主要有竹木、钢架及复合材料等。竹木结构大棚安装简单、造价较低，但使用期限短，且立柱较多，遮光较严重，棚内生产受影响[1]。钢结构大棚，棚内空间大、通风好、无立柱、便于操作和机械化作业，但造价较高。竹材具有生长速度快、高强高弹且性能稳定、密度较小的特点[2]，其物理力学性能良好[3-4]，可广泛应用于土木工程中。文献[5]经试验确定竹帘胶合板的顺纹、横纹及厚度方向抗压强度，其顺纹抗压弹模为混凝土的1/3～1/2。采用正交组胚方式胶结而成的竹帘胶合板，顺纹和横纹方向均具有较高的强度且比较接近，可视为各向同性，可用于制作承弯和承剪构件。聚乙烯醇(PVA)纤维具有高强高弹的特点，掺入混凝土中可提高混凝土的力学性能。如增加混凝土的变形能力，有利于延缓裂缝的展开从而达到抗裂的作用[6-7]；可提高再生混凝土的抗压和劈拉强度[8]，各种纤维以单一或混杂掺入混凝土中，可在不同程度上改善混凝土的抗弯、抗剪性能及耐久性[9-10]。在综合考虑造价、使用性能等因素的基础上，采用竹-PVA混凝土组合结构作为种植大棚的结构骨架。大棚骨架采用竹帘胶合板T型拱架，支承在PVA纤维混凝土边桁架上。按照文献[11]推荐的规格参数，综合考虑大棚棚架结构所受的恒载、活载及山东寿光地区的风荷载和雪荷载情况，确定组合结构大棚骨架跨度及高度。

1 试验准备

1.1 荷载情况

大棚的主要荷载有雪荷载、风荷载、作物重量等活载以及保温层重量、棚架自重等恒载。

1.1.1 雪荷载

其中：S 为雪荷载计算标准值，kN/m2；S0为基本雪压，山东潍坊基本雪压S0=0.25 kN/m2[12]；Ct为加热影响系数，单层塑料薄膜，加温温室取0.6，其他温室取1.0；μr为屋面积雪分布系数，其与屋面形状有关，对单跨拱形屋面，其计算如式(2)，f为拱高，l为拱跨度。

1.1.2 风荷载

其中：wk为风荷载标准值，kN/m2；w0为基本风压，不小于0.25 kN/m2，山东潍坊重现期10 a 的基本风压取0.43 kN/m2；us为风荷载体型系数，单跨落地拱形屋面，迎风面1/4拱us=0.33，中间半拱为0.8，背风面1/4拱为-0.5；uz为风压高度变化系数，B类地面，离地高度不超过3 m可取0.7。

1.1.3 作物荷载[12]

作物荷载为农作物挂载，取决于农作物种类及吊挂方式，种植作物未定时，可按0.15 kN/m2的均布荷载考虑。

1.1.4 自重

竹胶板容重取7.4 kN/m3，竹拱架重0.015 5 kN/m，塑料薄膜(1 mm厚)重0.011 kN/m2。固定设备按永久荷载考虑，按0.07 kN/m2竖向均布荷载采用。保温覆盖帘按草苫保温被考虑，50 mm厚干燥状态为0.020 k/m2，潮湿状态为0.050 kN/m2。

1.1.5 其他可变荷载

屋面均布活荷载标准值，水平投影面积≥30 m2时，应取0.1 kN/m2。屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，取较大值。屋面构件计算时，施工检修集中荷载标准值可取1.0 kN，且作用在结构最不利位置上。不考虑地震作用及温度作用。

1.2 试验方案

根据拱架荷载水平，按拱距1 m考虑经过试算确定竖向及水平荷载加载量和加载级重。对两个相同尺寸的竹胶板拱架进行对比试验，通过对竹胶板T型拱架的分级加载试验，采用应变仪自动测量并记录拱架不同截面不同位置的应变数值，利用两台电子位移计自动测量拱架顶部最大竖向位移及肩部水平位移，试验过程密切观察拱架的受力变形状态，直至构件失去稳定。

1.3 大棚骨架材料

T型梁采用竹帘胶合板制作，竹胶板型号为ZP·2T2440×1220×9。竹帘胶合板在组坯方式上，采用双向竹片垂直铺装胶结压缩而成，其除用于建筑装修装饰材料外，还常用于水泥模板等方面[3-4]。竹材属于各项异性材料，由双向竹片胶结而成的竹胶板两个方向的弹性模量差异较小，在进行压弯试验分析时，可将竹胶板视为各向同性材料[5,13]。

田间存在的大量水气及农药、化肥等化学品有一定的腐蚀性，PVA 纤维混凝土通过纤维的变形消耗能量，可延缓裂缝的展开，从而保护内部的钢筋不遭到环境的侵蚀。本试验采用的混凝土配合比按C30设计，其中：水泥采用32.5号的普通硅酸盐水泥；石子粒径为5～10 mm，沙子为中细砂，粒径不超过5 mm；PVA纤维采用某国产的高强高模聚乙烯醇纤维，其性能指标见表1；减水剂采用日照海景建材有限公司生产的液态聚羧酸高效减水剂，含固量38%，减水效率在25%以上。PVA 再生纤维混凝土配合比m(水泥)∶m(砂)∶m(石)∶m(水)∶m(粉煤灰)∶m(PVA 纤维)∶m(减水剂)=1∶2.1∶2.571∶0.607∶0.25∶0.0157∶0.025，水胶比=水质量/(水泥质量+粉煤灰质量)=0.486，砂率=砂用量/(砂用量+石用量)=0.45，减水剂掺量=减水剂用量/胶凝材料质量=2%。

表1 PVA 纤维的主要性能指标Tab.1 Main performance indexes of PVA fiber

2 试验过程

2.1 试件制作

PVA纤维再生混凝土边桁架受力主筋采用直径为4 mm的8号钢筋，箍筋采用2φ2@100，钢筋混凝土保护层厚度为10 mm。钢筋骨架如图1所示。边桁架混凝土采用C30，并掺入适量的PVA纤维及减水剂和粉煤灰，浇筑完成的混凝土边桁架如图2所示。

图1 钢筋骨架Fig.1 Steel skeleton

图2 边桁架Fig.2 Side truss

竹拱架竹帘胶合板切割尺寸及组合方式如图3所示，两板材之间采用环氧树脂粘接，环氧树脂硬结期间用U型卡进行固定。制作好的拱架截面如图4所示。竹拱架与边桁架采用卡槽连接，并用钢筋绑扎固定，连接节点如图5所示。

2.2 试验对象

试验对象为新型竹-PVA纤维再生混凝土组合结构大棚，竹胶板跨度为8 m，高1.2 m，加上PVA纤维再生混凝土边桁架总跨度为10.2 m，高3.1 m。为测定其受载过程中的位移量与应力应变量，进行全尺度载荷试验。试验进行2次，试验装置如图6～7所示。

图3 T型拱架板材尺寸及组合方式(单位：mm)Fig.3 Sizes and combinations of T-type arch frames(unit：mm)

图4 T型拱架截面Fig.4 Section of T-arch

图5 卡槽连接节点Fig.5 Card slot connection node

图6 试验装置示意图Fig.6 Schematic diagram of test device

图7 大棚棚架试验装置布置图Fig.7 Layout of test equipment for greenhouse

试验材料：8 m 跨的竹-PVA 大棚骨架、PVA 纤维再生混凝土边桁架、应变片、支撑框架、挂线及重物吊重。试验仪器由1台16通道应变仪、2个位移计、1台称重器组成。大棚骨架竖向采用8个挂载点，挂载点间距1 m，在顶点两边对称布置，水平采用3个挂载点，均匀布置在拱架一侧；应变片分布在7个位置，两边竹拱架支座附近各1个，其他位置5个，具体布置见图7。

2.3 试验加载

第1次试验为试加载，定出最大加载量并为后面试验确定加载步提供参考。第2次试验为参照试验，提供更详细的数据并与第1次的试验结果进行比对。

第1次加载试验中，荷载分7级进行，8个加载点共加重(6+64)kg。全部挂载点初始竖向加重为6 kg，分散到8个加载点上。前四级每个加载点的梯度加载量为1 kg，后两级每个加载点的梯度加载量为2 kg。每次加载待拱架稳定后测取温室拱顶处竖向位移量及拱架肩部(4号、5号加载点间即整体包括边桁架在内的4/6)的水平位移量。第2 次试验，从第2 级加载开始，每次加完竖向荷载，一次加上水平荷载45 kg(平均分布在3个加载点上)，拱架稳定读取位移值后进行下一级加载。从荷载与位移的变化关系可分析出各阶段的结构受载特性。

第1次加载过程中，在最大加载量荷载作用下拱架翼缘竹胶板搭接位置离加载点比较近的地方出现开裂翘曲，这是试验过程中唯一可以看到的损坏情况。在最大加载量作用下，拱架出现平面晃动，停止加载，加固后进行第2次加载。第2次加载施加水平荷载之后在同样的竖向荷载作用下，拱架没有出现明显晃动，表现更平稳。对第2根试件进行对比试验，在竖向和水平荷载共同作用下梁更稳定。

3 试验结果与分析

3.1 跨中挠度及水平位移

图8 为跨中竖向挠度与加载重物的关系曲线，加载重物分为竖向加载和水平加载，水平加载量保持不变。对比图8 可看出，水平加载使竖向位移小幅度增加，撤掉水平加载后，竖向位移可回复到原来的水平。图9为拱架肩部水平位移与加载量的关系曲线。从图9 可看出：竖向加载对水平位移影响不大，随着竖向加载的进行，竖向总加载为24 kg时，水平位移达到最大值0.4 mm，然后呈现逐渐下降的趋势，但基本保持平稳；水平加载伊始肩部水平位移达到最大值4.44 mm，后随着竖向加载量逐渐加大水平位移呈逐渐减小趋势。整个加载期间，拱架在弹性状态下工作，水平荷载的施加使得水平位移激增，但随着水平荷载的撤走，水平位移回到初始状态。

图8 跨中竖向挠度Fig.8 Vertical deflection in midspan

图9 肩部水平位移Fig.9 Shoulder horizontal displacement

3.2 强度校核

图10 为各测点应变与加载重物的关系曲线。计算及试验表明，在竖向均布荷载及水平均布荷载作用下，整个拱跨范围内，最大压应力出现在拱架施加水平荷载侧的肩部腹板处。对于截面正应力，考虑拉压与弯曲的组合变形，忽略扭转，从图10 可看出，试验最大压应变为254×10-6，取抗压弹性模量为6 760 MPa，按计算可得最大压应力为2 MPa，不大于容许应力50 MPa[5]，可满足正常使用要求。

图10 各测点应变Fig.10 Strain of each measuring point

4 结 论

对于竹胶板T 型拱架，充分利用竹材良好的拉压性能，结合田间腐蚀性的环境在拱脚处采用抗裂性能良好的PVA纤维再生混凝土边桁架支承，刚强的边桁架可提供较大的抗侧向力能力，有利抗风。

分析组合棚架加载试验结果可知，在试验荷载作用下，拱架考虑压弯的应力明显小于容许应力水平，整个加载过程中，拱架在弹性状态下工作。按拱间距1 m考虑，竹-PVA纤维再生混凝土大棚拱架可满足一般的蔬菜种植荷重要求。试验加载后期，拱架晃动较明显，实际应用中应加大平面外约束。