周博士考察拾零（一百零一）单管骨架日光温室结构及其构造

桁架结构日光温室骨架用钢量大、焊接作业量大、焊接质量不易保证、构件表面防腐难度大（整体镀锌构件除外）、远程运输成本高（单位运输空间的重量小）、占用温室空间大（事实上压低了温室的有效种植空间和操作空间）、安装容易产生平面外扭曲，虽然因为其较强的承载能力在日光温室结构中应用量很大，但在不断追求温室结构轻简化、长寿命的过程中，这种结构的上述缺点也成为了制约其进一步发展的限制因子。

单管骨架结构是近年来在日光温室结构轻简化过程中兴起的一种替代桁架结构的新型骨架结构形式。单管骨架，由于不存在构件焊接，采用热浸镀锌的钢构件表面防腐不会受到像桁架结构一样的焊接破坏，而且骨架结构轻盈、安装方便，有的温室企业甚至在温室建设现场加工骨架和安装骨架同步进行，更节省了运输和二次镀锌的费用。为此， 这种结构成为了当今轻简化日光温室结构中的一种新潮流。本文就这种形式骨架结构的用材、结构形式和安装构造做一系统的梳理和介绍，供大家研究和设计参考。

单管骨架用材

从单管骨架的用材来看，主要有圆管、椭圆管和外卷边C形钢（图1）。其中，圆管来源方便、价格低廉，在早期的日光温室结构中被大量使用。但由于在相同用钢量条件下圆管较椭圆管的承载能力小，所以近年来圆管骨架基本被椭圆骨架所替代。外卷边C形钢（俗称“几”字钢）由于可以直接用镀锌带钢一次辊压成型，无需焊接作业和二次镀锌，不仅降低了加工成本，而且也简化了加工设备、方便了现场加工，因此，在轻简化日光温室结构中得到了大量推广应用。但外卷边C形钢是开口截面，相比闭口截面的圆管或椭圆管，在相同截面模量的条件下其结构用材量最大，设计中应全面分析开口截面和闭口截面的优劣，在充分保证结构强度的条件下，从材料取材方便、加工方便以及加工安装成本等方面综合考虑选择经济适用的结构用材。

单管骨架的结构形式

完全单管骨架结构

从单管骨架的结构形式来看，最轻简的结构是用一根单管同时承载温室前屋面和后屋面，室内无柱（图2），这种结构称为完全单管骨架结构。这种结构用材省、结构轻盈、室内无柱遮光少、对室内种植和作业影响小，是一种非常理想的轻简化骨架结构。但由于单管的承载能力有限，这种结构主要用于小跨度轻型后屋面的日光温室。如果温室的跨度较大或要求承载的荷载较大，一般需在室内配置一排或多排立柱（图1a）或采用闭口结构的椭圆形钢管，但如果在室内设置多排立柱，也就失去了结构轻简化的本意，并不是日光温室结构未来的发展方向。

系杆式单管骨架结构

为了在不增加立柱的条件下尽可能增强单管骨架的承载能力，常用的做法是在温室屋脊下前屋面骨架和后屋面骨架间增加一道加强系杆，称为系杆式单管骨架结构。这种设置主要是考虑到屋脊处保温被的集中荷载以及人员上屋面进行维修或更换塑料薄膜、保温被等维修作业时荷载较大。根据加强系杆的设置位置和长短不同，系杆式单管骨架结构又分为短系杆、中系杆和长系杆3种结构（也可以称为上系杆、中系杆和下系杆或高位系杆、中位系杆和低位系杆）;按照系杆与水平面的倾斜角度不同，又有斜拉系杆和水平系杆之分，如图3。

短系杆在前屋面骨架的连接位置一般在屋脊通风口的上沿，在后屋面骨架的连接位置大致在靠近屋脊的后屋面三分之一长度位置;中系杆在前屋面骨架的连接位置一般在屋脊通风口的下沿，在后屋面骨架的连接位置大致在靠近温室后墙的后屋面三分之一长度内;长系杆在后屋面骨架的连接位置一般在后屋面骨架的端部（亦即后屋面骨架与后墙的交接位置），在前屋面骨架的连接位置一般在温室屋脊通风口下沿或以下。

不论是短系杆、中系杆或长系杆，其设置的倾斜角度还没有一个统一、规范的要求和规定，设计者大都是根据不同的温室结构尺寸自主选择设置（有时可能也带有随意性或盲目性），建议在这方面的研究者们能针对这一问题进行系统研究，提出更合理的设计方法供业界同行设计参考。

从加强系杆的用材看，有的系杆用圆管，有的系杆用方管或矩形管，还有的采用圆管和方管交替设置（圆管或方管分别设置在不同的骨架上，圆管系杆骨架和方管系杆骨架相邻布置），如图4。从安装和连接方便的角度看，方管（含矩形管）更好，強度也更大，但从材料来源和造价的角度分析，圆管更有优势。具体设计中可根据当地的材料供应情况以及结构的承力条件综合分析，合理选材。

局部桁架式单管骨架结构

对于后屋面自重荷载（恒载）较大或温室建设地区风雪荷载较大的温室，为了进一步加强温室结构的承载能力，有的温室设计者将单管结构中的加强拉杆进一步升级。一种是在加强拉杆上再增加腹杆，与前、后屋面拱杆形成局部桁架结构。根据增加腹杆数量和布置形状不同，加强腹杆包括单吊杆（图5a）、V形腹杆（图5b）、“之”字腹杆、W形腹杆等;另一种是将加强拉杆直接用一根变截面桁架来替代（图5c），当然也可以是等截面桁架。和系杆式单管骨架结构中系杆的用材一样，局部桁架结构中的这些腹杆用材也基本采用圆管或方管（矩形管）。

具体设计中，采用哪种形式的桁架结构，应根据温室结构的荷载要求，本着节约用材的目标，合理选择用材，优化结构形式。实际上，过多地局部加强温室骨架，对提高温室结构的整体承力不一定都能达到预期的效果，往往温室前屋面弧度急变部位是骨架的最薄弱位置，不能同时补强最薄弱环节，在温室屋脊部位再多的补强也都是在画蛇添足。具体设计中可进行多方案比较，以提高骨架整体承载能力为目标，尽量减少骨架的用材量，优化结构、降低温室造价。

单管骨架结构构件连接构造

单管骨架的连接主要包括骨架自身在屋脊部位大角度转折处的连接（称为骨架自身连接）和后屋面骨架在温室后墙圈梁（梁垫）上的连接、前屋面骨架在温室前墙基础（圈梁）上的连接（称为骨架与土建工程的连接）以及骨架与纵向系杆之间的连接、结构系杆与单管骨架之间的连接、结构系杆之间的连接。不同的连接部位，对连接节点的处理也有相应不同的特点。

骨架自身的连接

对于骨架自身的连接，闭口截面骨架（圆管、椭圆管）和开口截面骨架（外卷边C形钢）的连接方式有很大的不同。闭口截面的圆管和椭圆管骨架常采用焊接或内插管的方式连接，其中焊接连接方式更为常用，而开口截面的外卷边C形钢结构则基本都用内插管的方式连接（图6）。其中的内插管要求焊接为一个整体，前后屋面骨架与内插管的连接至少应用两副螺栓副连接，内插管与骨架之间的间隙不得大于1 mm。前屋面骨架和后屋面骨架尽量对缝连接（图6a），避免分离连接（图6b），以保证骨架截面不出现局部削弱。

采用6 m长国标管（圆管、方管或椭圆管）做温室骨架时，如果日光温室的跨度较大，前屋面弧长超过6 m时，前屋面骨架也需要自身连接。该部位的连接一般采用焊接连接。为了保证结构的安全性，一般要求全部骨架的连接焊口不要设置在同一位置，以避免由于焊接质量问题引起相邻多根骨架在同一位置失效而导致温室结构的整体失效。

骨架与土建工程的连接

骨架在温室基础和在后墙圈梁上的连接方式基本相同（图7）。一种做法是在基础或圈梁中预埋埋件（埋件的做法一般为在大小200 mm×200 mm，厚度5 mm以上的钢板一侧焊接4根长100～150 mm，直径φ10～12 mm的钢筋，钢筋端头最好带勾），埋件钢板表面与基础（圈梁）表面齐平，沿基础（圈梁）长度方向布置一道角钢，将角钢与预埋钢板焊接牢固，形成温室骨架的连接底座（这种做法不必要求预埋件与骨架一一对应，可节省埋件）。在连接底座上所有骨架基部所在位置焊接骨架连接管（方管、圆管或椭圆管，根据骨架的用材确定）。安装骨架时直接将骨架外套在骨架连接件上，并用一套螺栓副连接骨架和骨架连接件，即形成理想的铰接连接（图7a）。如果设计中骨架与土建的连接采用固结连接，则骨架与骨架连接件之间的连接至少需用两套螺栓副上下布置连接。用焊接的方式将骨架与骨架连接件焊接在一起（图7c）也是一种可选的方案，但要求焊缝均匀，焊缝的长度至少要达到焊接连接件直径（或方管的边长）的4倍，结构计算模型按固结计算。

另一种做法是直接将骨架连接件预埋在基础（圈梁）中，如图7b（这种做法要求埋件与骨架一一对应，且位置要准确）。这种做法简化了施工程序，节约了建筑用材，但对施工精度的要求较高，任何土建施工中的偏差都会给后续骨架的安装带来困难，施工安装中经常出现基础埋件和后墙上圈梁埋件的位置不准确造成骨架安装扭曲或由于埋件自身在预埋施工中发生扭曲造成骨架要么扭曲安装，要么无法安装等问题。因此，在条件许可的情况下，设计和施工中建议尽量采用第一种连接方法。

骨架与结构系杆之间的连接

结构系杆是指与骨架在一个平面内的构件。本文指系杆式单管结构中的加强系杆和局部桁架式单管结构中的弦杆和各类腹杆，前者主要表现为系杆和骨架之间的连接;后者则包括了弦杆和骨架之间的连接以及腹杆与弦杆、腹杆与骨架之间的连接。

对外卷边C形钢单管骨架，弦杆（包括系杆式单管骨架结构中的系杆，下同）与骨架之间的连接基本采用弦杆插入C形钢内腔后用螺栓横穿C形钢和弦杆，形成铰接形式的螺栓连接（图8），而腹杆与弦杆之间的连接多采用抱箍的连接方式，抱箍环抱弦杆，腹杆连接抱箍。根据腹杆和弦杆的形状不同，有圆弧抱箍（适用于圆管弦杆）、方框抱箍（适用于方管弦杆）;根据弦杆每个节点上连接腹杆的多少，还有单腹杆连接抱箍和多腹杆连接抱箍（图9），其中单腹杆连接抱箍上只有一组螺栓孔，而多腹杆连接抱箍上则有2组或2组以上的螺栓孔，分别对应不同的腹杆数。

腹杆与骨架之间的连接，由于腹杆可能是圆管，也可能是方管，往往腹杆的尺寸不能和外卷边C形钢骨架的截面尺寸完全配合，所以，在两者连接时，必须有一个方管过渡连接件（图10），方管过渡段的一端插入外卷边C形钢的内腔，另一端则外套腹杆的端头，方管的两端分别用螺栓副与外卷边C形钢和圆管连接，从而实现圆管腹杆与外卷边C形钢骨架的连接。对于方管腹杆，如果尺寸匹配可以采用上述弦杆与外卷边C形钢的连接方式，如果尺寸不匹配，也应采用过渡方管的连接方式，其中过渡方管与腹杆（不论是圆管还是方管）在尺寸匹配上可以不进行严格要求，结构强度计算中统一按照铰接计算。

骨架与纵向系杆之间的连接

纵向系杆是指沿温室长度方向布置在温室结构上，连接所有骨架的构件。其作用是减小骨架在平面外的长细比，保证结构的平面外稳定。同时将所有骨架连接起来，也提高了结构的整体性。一般纵向系杆的间距不超过2 m。纵向系杆多用圆管（因为来源丰富、价格便宜），圆管之间的连接可采用对接焊接、缩颈连接、内插管连接或外套管连接等多种形式。纵向系杆自身的連接节点最好避开与温室骨架的连接节点。

纵向系杆与外卷边C形钢骨架之间的连接。纵向系杆与外卷边C形钢骨架之间的连接方式有多种形式，其中在外卷边C形钢内腔中内嵌方管是实践中最常用的一种形式。根据纵向系杆与内嵌方管的连接位置不同，可分为侧面连接、端部连接和中部穿孔连接等几种形式（图11）。方管连接件与外卷边C形钢的连接基本采用螺栓副连接，而与纵向系杆之间的连接除中部穿孔的方管外，均采用了U形螺栓副连接（1套或2套）。

除了用方管连接外，纵向系杆与外卷边C形钢骨架的连接形式还有用钢板制作的专用连接件，包括外凸的Ω形连接板、内嵌的π形连接板和内嵌的盒形连接板等（图12）。这些连接板与外卷边C形钢的连接基本都采用自攻自钻螺钉或螺栓副连接，而与纵向系杆的连接则有多种形式，包括自攻自钻螺钉（图12a）、U形螺栓副连接（图12b）和键销固定（图12c）等。

纵向系杆与椭圆管骨架的连接。纵向系杆与椭圆管骨架的连接基本都采用了中部穿孔的专用U形连接件连接（图13）。U形连接件的开口两侧外抱椭圆管（抱箍的上沿距离椭圆管上表面不应超过椭圆管高度的1/3），并用自攻自钻螺钉固定在椭圆管上（图13a），也可以将U形连接件与椭圆骨架焊接在一起（图13b），连接强度更高，但应做好焊口处的清洁和防腐，纵向系杆从U形连接件的底部预留孔中穿过后用键销固定。

纵向系杆与圆管骨架的连接。纵向系杆与圆管骨架的连接，完全采用了装配式塑料大棚钢管骨架的连接方式。一种是用Ω形抱箍外抱圆拱杆后用U形螺栓将纵向系杆和圆管骨架连接在一起（图14a）;另一种是用Ω形抱箍外抱系杆后用自攻自钻螺钉将其固定在圆管骨架上（图14b）。

由于骨架是单管结构，受单管结构截面高度的限制，直接在单管上连接纵向系杆会严重影响屋面塑料薄膜的压紧深度。为此，在单管骨架上安装的连接纵向系杆与骨架的连接构件（包括方钢管、U形抱箍以及专用连接板等）连接后一般应与骨架上表面有足够的距离，以加大纵向系杆与屋面塑料薄膜之间的间距，这实际上就是要求连接件一般要有足够的高度。近年来兴起了一种用在骨架上安装卡槽固定塑料薄膜的方法来替代传统的用压膜线压紧塑料薄膜的固膜方法。如果在生产中采用这种方法固定塑料薄膜，则纵向系杆与骨架之间的间距则可以尽量缩小，同时，温室的有效空间高度也将得到相应提高。

[引用信息]周长吉.周博士考察拾零（一百零一）单管骨架日光温室结构及其构造[J].农业工程技术，2020，40（04）：49-54.