圆拱顶连栋塑料薄膜温室屋面拱架结构形式

圆拱顶屋面是单栋塑料大棚和连栋塑料薄膜温室最常用的一种屋面形式。为了增大屋面坡度，尤其是屋脊部位的坡度（标准的圆拱顶屋面屋脊部位坡度为0°），以减少或避免屋脊部位室内结露水滴的滞留量（由于坡度小，即使使用流滴膜，这一区域的结露水滴也难以自流）、增强屋面排除雨水和积雪的能力，也有圆拱顶屋面塑料大棚和塑料薄膜温室采用对称或非对称半屋面结构在屋脊处形成对接或局部延伸加大屋脊处屋面坡度的做法，作为一种变形结构，此类温室屋面也可一并归类到本文的圆拱顶屋面中。

支撑屋面透光覆盖材料并将屋面荷载传递到天沟或立柱上的结构构件总称为温室屋面拱架结构，简称拱架。由于温室跨度和屋面承载能力的不同，圆拱屋面温室的拱架结构有多种形式，归纳起来大体可分为5种类型：①仅有屋面拱杆没有其他任何腹杆的单拱杆拱架（无腹杆但带弦杆的结构也划归在这类结构中）;②腹杆为竖向彼此平行（或虽不完全平行但在拱架内不交汇）的吊杆拱架;③竖向吊杆和倾斜腹杆间隔布置的吊杆加强拱架;④腹杆全部倾斜布置的腹杆拱架;⑤在以上4种拱架基础上的局部变形或衍生拱架1。本文汇集了笔者在走访考察中所看到过的各种类型拱架形式以及在温室结构中的布置方式和节点连接构造，可供温室设计人员结构选型和温室结构研究人员进行温室结构标准化研究时参考。

单拱杆拱架

单拱杆拱架，根据拱杆的截面尺寸和布置间距不同可分为小截面密布和大截面疏布两种形式;根据拱杆两端的固定连接位置不同可分为天沟侧板连接、天沟下柱顶横梁连接和天沟托架连接3种形式（图1）。

小截面密布的拱杆可直接采用相应跨度塑料大棚的拱杆，拱杆直径Ф22～32 mm、间距0.75～1.0 m，两端可直接固定在承重天沟的侧板上（图1a），但也有的温室天沟采用非承重构件（天沟只承担屋面排水和固定屋面塑料薄膜的功能），这种情况下需要在天沟下沿天沟方向设置一道连接温室立柱柱顶的纵向水平承重连系梁，屋面拱杆也将自然地连接到该承重连系梁上（图1b），该承重连系梁可以是圆管、方管、槽钢等不同规格的型材，可根据结构的承载要求确定。小截面密布的拱杆布置位置，一种是立柱位置处的拱杆与立柱对应，其他拱杆均匀布置于温室开间内;另一种是全部拱杆均匀布置，与立柱没有对应关系。这种结构温室屋面荷载完全通过天沟或柱顶纵向承重连系梁传递到温室立柱。

大截面疏布的拱杆，由于拱杆端部传递荷载大，直接固定在承力天沟的侧板上可能会造成天沟的局部变形甚至过载，所以屋面拱杆直接固定在天沟托架上并通过天沟托架将拱杆端部的内力传递到温室立柱（图1c）。这种屋面拱杆的布置位置有两种方式：一种是拱杆与立柱一一对应，拱杆间距即是温室开间的距离;另一种是拱杆间距为开间距离的一半或1/3，在立柱位置拱杆通过天沟托架与立柱相连，不在立柱位置的拱杆也用与立柱处同样的天沟托架将拱杆通过天沟托架连接到天沟上。这种连接方式虽然也是将拱杆直接连接在天沟上，但与直接连接在天沟侧板的小截面密布拱杆的情况相比，其向天沟传力的承力面大，一般不会造成天沟侧板局部变形或过载。

为了减小拱杆两端对承力天沟侧壁和温室立柱柱顶的推力，增强温室结构的整体承载能力，单拱杆拱架可在拱杆上设置水平拉杆或在柱顶设置水平弦杆（图2）。前者是在屋面拱杆上距离屋脊1/3左右拱杆矢高位置（图2a）或靠近拱杆端部设置水平拉杆，可直接减小拱杆自身的内力以及两端对天沟侧板或柱顶的推力;后者在温室天沟下靠近柱顶位置设置沿温室跨度方向的水平拉杆（图2b），可直接平衡屋面拱杆对温室立柱柱顶的推力，其作用的效果以及对温室结构承载能力的提升都要比在温室屋面拱杆上设置水平拉杆的作用效果更强，而且该水平弦杆还可用于室内种植作物和设备的吊挂以及室内遮阳/保温幕拉幕系统的固定，更拓展了其功能和用途。严格讲，这种水平拉杆因为不是直接连接在屋面拱杆上，所以不应划归为屋面拱架的构件，但为方便表述，本文也将这种水平构件统一划归到温室屋面拱架的构件中。在屋面拱架上同时设置拱杆水平拉杆和柱顶水平弦杆也是工程设计中的一种选择，不仅能够减小屋面拱杆自身的内力，提高拱架的整体承载能力，而且还能为作物和设备吊挂以及遮阳/拉幕系统提供有效的支撑结构。

单拱杆拱架结构构件少、安装速度快、屋面构件遮光少、室内空间开阔，但没有柱顶水平弦杆的单拱杆拱架不方便室内作物吊挂，室内遮阳/保温幕安装也没有依靠的结构，栽培高秧作物和安装室内遮阳/保温幕的温室还需要另外配置支撑结构（图3），因此，这种温室结构更适合于种植非吊挂的盆栽作物以及非吊蔓的低矮作物。当然，作物的吊挂若采用直接支撑在地面的支架支撑[1]，则这种形式的结构将不受種植作物的限制。

上述单拱杆拱架都是基于标准的单立柱温室而言的，实践中还有一种互插双立柱结构温室形式（图4a）。从形式上看，这种温室好似两栋独立的塑料大棚通过相邻侧墙立柱的交叉固定并附加天沟后形成的连栋温室;从承力结构看，这种连栋温室的拱架也正是将塑料大棚的单管结构完全移植而来，自然形成了本文中的单拱杆拱架结构（图4b）。这种结构拱杆与立柱为一体结构，因此，拱杆与立柱自然也将是一一对应关系，天沟可以是非承重构件。为了增强温室的整体承载能力，有的设计还在其中的一些温室屋面拱杆上增设了水平拉杆和吊杆（图4c），形成了主副拱架布置形式，增设的拱杆水平拉杆自然也可成为温室作物吊挂或安装遮阳/保温幕系统的支撑构件。

吊杆拱架

吊杆拱架的特征是在屋面拱杆和拱架弦杆（柱顶拉杆）之间设置竖直的拱架腹杆（称为吊杆），以增加屋面拱杆的支撑点，缩短构件净跨间距，减小其平面内的计算长细比，提高屋面拱架的承载能力。

根据每跨拱架设置吊杆数的多少，吊杆拱架分为单吊杆拱架、双吊杆拱架和三吊杆拱架（圆拱屋面连栋塑料薄膜温室中几乎没有采用3根以上吊杆的拱架）;根据吊杆与弦杆的垂直度不同或者吊杆之间的平行度不同又区分为平行吊杆和非平行吊杆两种拱架形式（图5～6）。

单吊杆一般设置在拱架的跨中，上端连接到屋面拱杆的脊部，下端连接到拱架弦杆的跨中，形成垂直弦杆的中心吊杆。

双吊杆拱架，吊杆与屋面拱杆的连接端一般设置在屋面拱杆半跨的中部或尽量与屋面拱杆上纵向系杆所在位置以及屋面窗口的上沿（天沟侧卷膜通风开窗系统）或下沿（屋脊齿条开窗系统）支撑杆相结合;与拱架弦杆的连接部位平行吊杆拱架和非平行吊杆拱架则有所不同，前者位于距离天沟1/4弦杆长度的位置，后者则在超过距离天沟1/4弦杆长度的位置（尽量使弦杆3等分），两根吊杆形成向上开口的“八字”结构（图6a）。

三吊杆拱架，实际上是单吊杆拱架和双吊杆拱架的结合，中吊杆设置位置同单吊杆，而中吊杆两侧的两根侧吊杆设置位置基本与双吊杆拱架吊杆的设置方法相同，也有平行吊杆（3根吊杆全部平行，如图5c）和非平行吊杆（中心吊杆两侧吊杆相互呈“倒八字”结构，图6b）之分。

吊杆加强拱架

吊杆加强型拱架，就是在单吊杆、双吊杆或三吊杆拱架的基础上，增加倾斜布置的腹杆而形成的屋面拱架。对应单吊杆、双吊杆和三吊杆拱架，其加强型拱架分别称为单吊杆加强拱架、双吊杆加强拱架和三吊杆加强拱架。

单吊杆加强拱架，根据倾斜腹杆的数量和布置形式，可进一步分为V形腹杆加强拱架、倒W形腹杆加强拱架和以中心吊杆为对称的“双之字”腹杆加强拱架（图7）。单吊杆加强拱架的吊杆与单吊杆拱架相同，也是布置在拱架的中部，而倾斜腹杆则对称布置于吊杆的两侧，其中V形腹杆和倒W形腹杆布置是将屋面拱杆分为4等分（与屋面拱杆纵向连系梁或屋面开窗支撑梁相结合时可以不完全等分，下同），而倒W形腹杆和“双之字”腹杆布置则是将拱架弦杆分为4等分，“双之字”腹杆布置对屋面拱杆则分为了6等分。

双吊杆加强拱架，在具体生产中应用较少，变形也不多。笔者曾见到过一种在双吊杆之间增设W形腹杆的双吊杆加强拱架（图8）。这种结构将屋面拱杆分为了4等分，将拱架弦杆分为了5等分，使弦杆的内力分布更均匀。

三吊杆加强拱架，倾斜腹杆的布置形式主要有正V形和倒V形两种（图9a、图9b），其共同的特点是两倾斜腹杆的两端与相邻竖直吊杆的一端（上端或下端）都交汇连接。这种结构传力清晰，屋面拱杆内部产生的弯矩最小，基本不会出现次应力，是生产应用中普遍采用的一种结构形式。

但如果温室屋面上纵向系杆和屋面开窗的窗框支撑梁数量较多时（屋面双侧开窗），为了能将纵向系杆或窗框支撑梁的荷载直接传递到屋面拱架中，避免在屋面拱杆上形成局部集中荷载，有的设计采用了一种变形的V形腹杆布置方式，即减小V形的开口，将倾斜腹杆和竖直吊杆在屋面拱杆上分别连接到屋面系杆或窗框支撑梁与屋面拱杆的交汇点上，倾斜腹杆和竖直吊杆不再交汇连接在一点（图9c）。这种连接方法减小了屋面拱杆的净跨，也避免了屋面拱杆上的集中荷载，对提高屋面拱杆的承载能力具有积极的作用。

腹杆拱架

腹杆拱架，就是拱架内所有的腹杆与拱架弦杆都形成一定的角度，也就是说所有腹杆都倾斜布置且首尾相连。

按照腹杆布置的数量和形式，腹杆拱架可分为V形腹杆拱架、W形腹杆拱架、对称“双之字”腹杆拱架和对称倒“双之字”腹杆拱架，如图10。腹杆与弦杆之间的倾斜角度一般为45°，但根据拱架跨度和矢高不同，倾斜角可在30°～60°之间变化。

从屋脊节点看，腹杆拱架有两种形式：一种是腹杆在屋脊处有交汇点;另一种是腹杆在屋脊处没有交汇点。腹杆与屋脊交汇，还可进一步与屋脊梁相连，更有利于温室屋脊窗的设置。拱架跨度大，屋面拱杆上布置的纵向系杆或窗框支撑梁多时，多采用“双之字”腹杆结构。

两种特殊变异结构

以上述4种典型的拱架结构为基础，实践中还发展出一些衍生的变异结构。

弦杆移位结构  一种变异结构是将传统安装在温室柱顶的拱架弦杆上移（高度在拱架矢高的一半左右位置），直接连接到屋面拱杆上（图11）。这种结构对消除屋面拱杆对温室柱顶的推力具有非常积极的效果，也能明显提高温室的室内净空高度，但会给室内遮阳/保温幕的安装带来一定的困难。也有的设计将拱架弦杆下移，安装在距离温室柱顶一定距离的立柱上（图2b），这种设计主要出现在单拱杆拱架结构中，立柱与弦杆实际上形成了门式刚架承力结构，为屋面拱杆形成了不动基础支座。

立柱斜撑结构  另一种变异结构是在立柱与拱架弦杆间增设短斜撑，称为立柱斜撑。根据立柱斜撑在拱架弦杆上的连接部位不同以及拱架弦杆在拱架或立柱上的安装位置差异，立柱斜撑也有不同的连接方式（图12）。对于弦杆连接在柱顶的标准型拱架，立柱斜撑应尽量与拱架最外側腹杆（包括吊杆或倾斜腹杆）连接在同一位置（图12a），避免二者错位连接，以便拱架内力能直接传递到温室立柱。对弦杆上移的拱架，立柱斜撑应连接到弦杆的端部，尽量减小弦杆对屋面拱杆的局部内力（图12c）;对弦杆下移的拱架，立柱斜撑的作用主要是连接立柱与弦杆使其形成力学计算模型中的固结连接，所以不论与立柱的连接节点还是与弦杆的连接节点都应该做成固结连接构造（图12b）。

平面拱架的空间布置与连接

平面拱架的空间布置  平面拱架在温室屋面上有2种布置方式：一种是屋面拱架全部采用同一规格型号，等间距均匀布置;另一种是屋面拱架采用两种不同规格的拱架，在立柱对应位置安装承载能力较强的拱架（称为主拱），在相邻立柱（主拱）间布置承载能力较弱的拱架（称为副拱），整体上形成主副拱结构体系（图13a）。主拱之间可以布置1道副拱，也可以布置2道或3道副拱，主要根据温室开间尺寸和副拱的承载能力确定。平面结构力学计算模型中一般不考虑副拱的承力，而只验算主拱的承载强度，副拱主要起支撑塑料薄膜的作用，其结构强度可按单拱结构进行局部强度验算。空间结构力学计算模型中应将副拱作为重要的承重构件参与结构整体承载。实践中也有屋面拱架结构完全相同，但立柱斜撑间隔布置的情况（图13c），严格意义上讲也是一种主副拱结构。

平面拱架的空间连接  平面拱架只有相互连接在一起形成空间体系才能承载来自温室内部和外部各个方向和各种形式的外力。从平面拱架的空间连接形式看，不同位置的拱架有不同的连接要求。所有的温室屋面拱架都必须用屋面拱杆纵向系杆连接;温室边跨拱架（一般要延伸到边跨若干拱架）除了屋面拱杆纵向系杆连接外尚应增加屋面拱杆斜撑连接，包括屋面拱杆斜撑和拱架间空间斜撑;在大风地区的温室，内部拱架还需附加平面拱架间的空间斜撑连接。

屋面拱杆纵向系杆连接的方法是在温室屋面拱杆上设置沿温室开间方向通长的纵向系杆，将全部屋面拱架串联在一起，系杆之间相互平行不交叉。为取材方便和便于连接，纵向系杆多为圆管。为不影响屋面塑料薄膜的铺设和压紧、不阻挡温室屋面顺畅排水，一般屋面纵向系杆总是布置在屋面拱桿的下部，而且最好能在塑料薄膜压深较深的位置将纵向系杆离开屋面拱杆一定距离通过连杆与屋面拱杆相连接[2-3]。纵向系杆的布置位置应根据温室的跨度确定，间距一般不大于2 m，并尽量与拱架腹杆在屋面拱杆上的连接点以及屋面开窗窗口的上沿或下沿窗框位置相结合。需要指出的是结构设计中不能用屋面拱杆上的固膜卡槽代替屋面拱杆纵向系杆，因为卡槽的连接和自身强度远较以圆管为代表的纵向系杆的强度低。

边跨拱架屋面拱杆斜撑一般设置2道，从边跨拱架屋脊部位（或离开屋脊一定距离）开始向温室屋面两侧紧邻边跨的3～5个开间拱架的屋面拱杆倾斜延伸，形成温室屋面上的“八字”形布局，保证排架结构的屋面拱架不发生侧向倾覆。

对于风荷载比较大的地区，为加强屋面拱架之间的连接和传力，除了设置上述屋面拱杆纵向系杆和边跨屋面拱杆斜撑连接外，还应在相邻平面拱架间设置从一榀拱架屋面拱杆到另一榀拱架弦杆之间的空间斜撑（图14）。根据空间斜撑在每跨拱架内布置的排数，可分为单排斜撑、双排斜撑和三排斜撑，一般单排斜撑位于拱架的跨中（图14a），双排斜撑位于距离天沟1/4拱架跨度的布置（图14b），三排斜撑则是单排斜撑和双排斜撑的结合。根据空间斜撑在温室开间方向与屋面拱杆的连接方式不同，空间斜撑又分为连接到屋面拱杆和不连接屋面拱杆（连接到支撑屋面拱杆的纵向系杆上，图14c）两种情况，其中连接到屋面拱杆的斜撑又分为相邻斜撑相互交汇（图14a）和相邻斜撑在屋面拱杆不交汇（图14b）两种情况。

温室边跨拱架与温室内部紧邻边跨拱架若干拱架（多为紧邻的第1跨，也有延伸到第3～5跨的案例）之间空间斜撑的设置，笔者曾做过专题总结[4-5]，这里不多赘述。

杆件连接节点

拱架上各杆件的连接节点包括屋面拱杆与腹杆的连接、弦杆与腹杆的连接、屋面拱杆与天沟侧板的连接、屋面拱杆与纵向系杆的连接以及天沟托架与天沟、屋面拱杆、立柱及弦杆之间的连接。

屋面拱杆与腹杆的连接  屋面拱杆与腹杆（包括吊杆和倾斜腹杆）的连接方式大体可以分为抱箍连接、抱盒连接和套管连接3类，如图15。每个连接点可以只连接一根腹杆，也可以连接多根腹杆。

抱箍连接是将一条钢带板制成一个底部为圆环的“长嘴”开口卡，底部圆环的内径与拱杆外径相匹配，底部圆环套在拱杆上，形成对拱杆的连接，伸出的“长嘴”夹住腹杆端头后用螺栓固定，即形成拱杆与腹杆的牢固连接。这种连接方式的最大特点是一个连接件可以连接多根腹杆（图15a2），结构简单、用材省、通用性强;但这种连接需要将腹杆的端头压平，在腹杆加工程序上需要增加一道工序，相应也增加了腹杆的制造成本。为此，后续改进的无论是抱盒连接还是套管连接都在努力减少或完全省去对腹杆端头压平的工序。

抱盒连接是将抱盒套到拱杆上，将腹杆端头直接插入抱盒的凹槽中，用螺栓将抱盒和腹杆连接固定即实现对拱杆与腹杆的牢固连接，无论连接单根腹杆还是多根腹杆，都完全消除了对腹杆端头加工的要求（图15b），而且在套盒背部附加“耳环”（图15b2），还可将屋面拱杆的纵向连接系杆（屋脊梁）也一同连接在一个节点，更节省了屋面拱杆连接构件。在一个节点连接多根腹杆，只要改变套管的长度和在套管上开设螺栓孔的数量即可适应不同数量的腹杆连接。

套管连接，如果连接多根腹杆时全部用套管连接，则连接件的加工工序多，制造成本高，而且连接件的体积也大，为此，对连接多根腹杆的套管连接件只保留了一根腹杆用套管连接，其他腹杆仍然采用了端部压平后与套管“耳朵”对接再用螺栓固定的办法连接（图15c2）。

弦杆与腹杆的连接  弦杆与腹杆的连接形式基本和屋面拱杆与腹杆的连接形式相同，实践中主要采用抱箍和抱盒的连接方式（图16），不仅适用于单根腹杆的连接，而且也适用于多根腹杆的连接。

屋面拱杆与天沟侧板的连接  屋面拱杆与天沟侧板直接连接大体有3种方法：一是用Ω抱箍;二是用U形螺栓;三是用套管。其中Ω抱箍是最常用，也最经济的一种连接方式。

Ω抱箍实际是上述连接拱杆与腹杆的“长嘴”开口卡抱箍的一种变形，只要将其“长嘴”的两个边向外折90°即可，加工方便，用材节省。抱箍的圆环部位紧抱屋面拱杆，两边侧翼紧贴天沟侧板并通过螺栓连接。为保证屋面拱杆在抱箍中不出现滑动，一种做法是在抱箍的圆环背部附加一个自攻自钻螺钉，将抱箍与屋面拱杆牢固固定;另一种做法是在天沟的侧板加工一个折弯，屋面拱杆的端头正好对位到天沟侧板的折弯边，形成对屋面拱杆的支点或端头封堵（图17a）。

U形螺栓固定天沟侧板与拱杆端头的方法是用U形螺栓紧抱拱杆后穿过天沟侧板，在天沟槽（天沟板的外侧）内配套垫片和螺母，拧紧螺母即实现二者的牢固固定。为了增强连接的牢固和可靠性，每个连接节点采用2套U形螺栓固定（图17b）。

插管连接是一种专用的连接件（图17c）。屋面拱杆插入圆管插座内，用自攻螺钉固定。圆管插座的两侧伸出两翼与天沟侧板紧贴，并用螺栓将其与天沟侧板相连。这种连接方法，连接牢固、连接件专用。

弦杆与立柱的连接  弦杆与立柱单独的连接方式大都采用抱箍的连接方法（图17）。根据立柱的截面形状，抱箍可以是圆环抱箍（图17a），也可以是折板抱箍（图17b）。根据连接点弦杆端头是否压平，也分为压平连接（主要配套圆环抱箍）和不压平连接（主要配套折板抱箍）两种方式。折板抱箍连接，节省加工成本，可以保持弦杆的截面特性不变，但抱箍的加工成本较圆环抱箍高，而且通用性差。

拱杆与纵向系杆的连接  拱杆与纵向系杆的连接方式从两者的空间位置分有紧贴交叉连接和分离交叉连接两种方式。前者大都采用塑料大棚拱杆与纵向系杆连接的标准连接件，包括弹簧卡丝连接件（图18a）和抱箍与U形螺栓结合的组合连接件（图18b）;后者则设计了一种立体连接卡[3]，将两个方向相互垂直的卡扣通过连杆连接在一起，两个不同方向的卡扣分别抱卡屋面拱杆和纵向系杆，将两者固定在一起（图18c），并通过更换不同连杆长度连接扣的卡件或用螺杆作连杆，通过调节螺杆上丝扣的距离来调节两卡扣之间的间距，从而实现拱杆和纵向系杆不同位置两者之间距离的控制。

上述屋面拱架各构件之间的连接都是两种类型构件之间的连接（拱杆与腹杆、弦杆与腹杆、拱杆与天沟、弦杆与立柱），但在具体实践中为增强连接节点的强度和连接的可靠性，经常采用天沟托架连接件，将天沟、屋面拱杆、弦杆和立柱集中連接在一个节点。关于天沟托架的形式及与各构件之间的连接方式将另文叙述。

参考文献

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[2] 周长吉.周博士考察拾零（三十）走进宝岛的温室（1）张紧塑料棚膜的一种新方法[J].农业工程技术（温室园艺），2014，34（1）：30-31.

[3] 周长吉.周博士考察拾零（九十二）面对问题，抓细节、求创新、图提升——记成都佳佩科技发展有限公司在连栋温室结构构造和开窗拉幕系统上的技术创新[J].农业工程技术（温室园艺），2019，39（13）：44-50.

[4] 周长吉.周博士考察拾零（三十三）走进宝岛的温室（4）抗风温室的斜撑设置[J].农业工程技术（温室园艺），2014，34（5）：36-37.

[5] 周长吉.周博士考察拾零（一百）从引进到自主创新——记兴邦（漳州）温室制造有限公司的创新之路[J].农业工程技术（温室园艺），2020，40（1）：48-55.

[引用信息]周长吉.周博士考察拾零（一百零七）圆拱顶连栋塑料薄膜温室屋面拱架结构形式[J].农业工程技术，2020，40（22）：40-48.