基于“农机-农艺-设施”融合的宜机化塑料大棚抗风性能分析*

张 升，徐 坚，张根清，宋卫堂,2，苏世闻，陈先知，朱隆静，王克磊，李 明,2**

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；3.温州科技职业学院，浙江温州 325014；4.浙江真合温室科技有限公司，浙江温州 325014）

塑料大棚是一种以钢管为拱架、以塑料薄膜为覆盖材料的轻型钢结构。由于建造成本低、施工速度快，应用非常广泛，是中国最重要的蔬菜生产设施类型，占中国温室总面积的66.7%[1-2]。但塑料大棚对风雪荷载的抵抗能力较弱，在强风或台风来临时容易出现拱架变形或从土中拔出等现象，最终导致整个棚体丧失承载能力而损坏，对种植者造成严重的经济损失[3-4]。

为了提高塑料大棚的结构稳定性，专家学者开展了一系列研究。周长吉[5]提出了普遍适用于中国不同地区的温室雪载荷计算方法；梁宗敏[6]对NJ-6温室的风压分布进行了数值模拟，阐述了温室抗风的设计理论；丁敏[7]在考虑蒙皮效应的前提下对温室结构的承载能力进行分析研究，模拟了强载荷条件下温室的破坏过程。上述研究的开展为改善塑料大棚抗风性能奠定了坚实的基础。

受近年来设施园艺“机器换人”发展的影响，塑料大棚机械化生产趋势愈发明显。但传统塑料大棚内部空间狭小，不利于农机装备作业，严重限制了塑料大棚机械化水平的提高[8-9]。另外，针对该问题，项目团队开发了一种基于“农机-农艺-设施”的宜机化塑料大棚（以下简称“宜机化大棚”），有效提高了塑料大棚的机械化水平。该大棚屋面形状和构造尺寸与传统大棚有所差异，而且目前上没有关于宜机化塑料大棚抗风性能的研究，其结构优化缺乏参考。本文的目的即是在上述研究的基础上，利用ANSYS Workbench对宜机化塑料大棚的抗风性能进行分析，为该塑料大棚的推广提供示范。

材料和方法

宜机化塑料大棚与有限元模型

宜机化塑料大棚跨度为9.5 m，脊高4.5 m，肩高2.35 m。侧墙和屋面设置宽度为1.0 m的通风口。通风口上下边缘设置有卡槽以固定塑料薄膜。另外，大棚共设置9道纵向拉杆，以增强大棚纵向稳定性。根据使用需求，宜机化大棚结构可划分为普通型和抗风型两种构造。普通型大棚主要由DN32弯曲钢管构成的单管拱架建造（图1）。抗风型塑料大棚除单管拱架外，还配置了桁架拱架、钢管斜撑以增强结构的稳定性（图2）。桁架拱架由上下弦杆和压杆组成，上弦杆为DN32钢管，下弦杆为DN20钢管，上下拱杆使用壁厚为1.8 mm、宽度为48 mm的双拱卡连接。为了能安全有效地将侧墙和肩部处上弦杆的荷载传递到下弦杆，侧墙处和肩部双拱卡分别按0.125 m和0.25 m的间距进行布置，屋面双拱卡则按0.50 m的间距布置。桁架拱架与单管拱架交叉布置，每隔两榀单管拱架布置一榀桁架拱架。所有拱架底部插入地下500 mm以增强拱架稳定性。

图1 普通型宜机化塑料大棚与单管拱架模型

图2 抗风型宜机化塑料大棚与桁架拱架模型

宜机化塑料大棚山墙构造如图3所示。山墙是在桁架拱架的基础上添加DN32钢管构建所形成框架结构。另外，为了抵御风压，抗风型宜机化塑料大棚还设置了钢管斜撑。斜撑为DN32弯曲钢管，一端与山墙顶部连接，另一端插入土中500 mm。

图3 90°风向条件下山墙受力分析单元

塑料大棚荷载计算

中国南方地区降雪较小，塑料大棚破坏主要发生在强风天气。为此，本文将风荷载作为塑料大棚主导荷载，并据此确定宜机化塑料大棚的荷载组合为“恒荷载+风荷载+作物荷载”。其中，恒荷载主要为拱架和塑料薄膜自重。塑料大棚使用期间主要栽培番茄。吊线布置方式为《GB/T 51183-2016农业温室结构荷载规范》所规定的塑料大棚5点式吊挂模式（图1b 和图2b）[11]。

塑料大棚风荷载标准值（wk）按下式计算：

式中：w0为基本风压，kN/m2；μs和μz分别为风荷载体型系数和风压高度变化系数。

塑料大棚所在地为浙江省温州市，其设计寿命为10年。根据《GB/T 51183-2016 农业温室结构荷载规范》，塑料大棚安全等级为3级，可取0.9。wk取0.77 kN/m2[11]。考虑到塑料大棚脊高为4.5 m，属于非高建筑，地面粗糙度类别取B类，μz取0.8；μs根据规范进行相应取值。

根据《GB/T 51183-2016 农业温室结构荷载规范》[11]，通过一级吊线作用于拱架屋面的作物荷载为475 N，方向垂直向下。通过二级吊线作用域作用于拱架两侧肩部的水平方向分力（H）和垂直方向分力（N）分别按照下式计算：

式中：f为二级吊线的下垂度(m)，取0.08 m；l为二级吊线相邻两支撑点之间的距离/m，根据图1，取2.375 m；q为塑料大棚作物荷载，取150 N/m。

根据计算，H和N分别为1336 N和178 N。其中H指向室内，N垂直向下。

塑料大棚结构稳定性按承载能力极限状态进行分析。考虑到本文主要考察塑料大棚在强风作用下的结构稳定性，其主导可变荷载为风荷载。因此，塑料大棚的结构安全性系数、荷载组合及其荷载的组合系数和分项系数为为荷载设计值=0.9×(1.0×恒荷载+1.0×风荷载+1.2×0.7×作物吊重荷载)。另外，在对桁架拱架进行分析时，假设单管拱架失效后，所有的荷载由桁架拱架承担。桁架拱架的风荷载和作物荷载按单管拱架的3倍计算。

计算条件

使用Ansys Workbench平台Spaceclaim软件建立塑料大棚的三维模型，使用Static Structural模块进行计算。钢管和双拱卡设置为beam梁单元，材料为Q235结构钢，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3。另外，根据日本设施园艺协会所颁布的《地中押し込み式パイフハウス安全構造指針》，当大棚拱架埋入地下300 mm时，拱架底部可看做固结[10]。因此，将大棚底部固定条件设置为固定端约束。风荷载通过线荷载方式直接添加到钢拱架，作物荷载以集中力的形式通过吊线作用于吊线与拱架连接处。

为简化分析过程，使用图1b和图2b模型研究0°风条件下普通型塑料大棚单管拱架和桁架拱架的抗风性能，使用图3模型分析90°风条件下塑料大棚抗风性能。

结果与讨论

单管拱架抗风性能分析

参考日本园艺设施协会颁布的《地中押し込み式パイフハウス安全構造指針》，塑料大棚拱架的最大变形应低于h/35（h为肩高）。在本研究中，宜机化塑料大棚的最大容许位移可取65.7 mm。在0°风条件下，拱架间距为1.0 m的单管拱架沿风向变形，最大位移出现在背风侧屋面拱架上，为180.8 mm。迎风侧和背风侧屋脊处的钢管位移均超过了大棚容许位移。另外，拱架最大组合应力的最大值出现在迎风侧拱架的底角处，为660.3 MPa，且拱架迎风侧肩部和底脚等多处钢管的最大组合应力超过了235 MPa，容易出现破坏（图4）。

图4 0°风向条件下有作物荷载、拱架间距1.0 m时时单管拱架总变形与最大组合应力云图

考虑到台风主要发生在8～9月，该期间塑料大棚一般闲置，或室内作物较小，作物荷载可忽略。当去除作物荷载之后，塑料大棚拱架的最大位移减小至150.7 mm，最大组合应力降低至532.4 MPa（图5）。但塑料大棚依然容易出现损坏。在此基础上，将拱架间距由1.0 m缩小至0.4 m后，拱架最大变形和最大组合应力分别降低至69.8 mm和219.9 MPa（图6）。由此可见，作物荷载会对塑料大棚的抗风性能产生不利影响，该情况下除了避免将作物荷载添加到拱架外，还应尽可能缩短拱架间距。

图5 0°风向条件下无作物荷载、拱架间距1.0 m时单管拱架总变形与最大组合应力云图

图6 0°风向条件下无作物荷载、拱架间距0.4 m时单管拱架总变形与最大组合应力云图

桁架拱架抗风性能分析

在上述风向条件下，桁架拱架的整体位移方向与风向相同。以最不利情况考虑，即单管拱架被破坏后，所有的荷载由桁架拱架承担，也就是说桁架拱架所承担的荷载是单管拱架的三倍。在此情况下，最大位移出现在侧墙顶部和迎风侧屋顶，但大小仅为32.1 mm，仅为单管拱架的17.7%，满足塑料大棚位移需求（图7a）。拱架最大组合应力为288.2 MPa，出现在大棚肩部的双拱卡和横拉杆上（图7b）。为保证桁架拱架能有效承担风荷载和作物荷载，需要将拱架间距进行适当缩小，以降低拱架所承担的载荷大小。根据计算，当拱架间距降低至0.8 m时，拱架横拉杆的位移最大，达到了24.8 mm，而拱架内外弦杆的最大位移则全部在15 mm以下（图8a）。另外，桁架拱架背风侧肩部的双拱卡和横拉杆处的最大组合应力最大，为231.7 MPa。其余钢管部分的最大组合应力低于200 MPa。此时，抗风型宜机化塑料大棚具有较好的结构稳定性，能够抵抗相应的风荷载（图8b）。

图7 0°风向条件下有作物荷载、拱架间距1.0 m时桁架拱架总变形与最大组合应力云图

图8 0°风向条件下有作物荷载时、拱架间距0.8 m时桁架拱架总变形与最大组合应力云图

取消作用于拱架上的作物荷载同样有助于减小桁架拱架最大变形和最大组合应力。当拱架间距为0.85 m时，相应的桁架拱架最大位移和最大组合应力分别为13.9 mm和227.3 MPa（图9）。该结果表明强风频发季节作物荷载可忽略时，将拱架间距缩短至0.85 m后，抗风型宜机化塑料大棚可满足抗风需求。上述结果同样证明了在塑料大棚拱架上施加作物荷载不利于塑料大棚结构稳定性。

图9 90°风向条件下、无作物荷载且拱架间距0.85 m时的桁架拱架总变形与最大组合应力云图

山墙抗风性能分析

在90°风条件下，塑料大棚在其纵向的水平拉杆两端没有固定，难以承担山墙传来的纵向荷载，山墙的风荷载主要由其钢管构件承担。根据模拟结果，在没有钢管斜撑的条件下，山墙最大位移为71.0 mm，出现在屋脊处。最大应力则出现在拱架底角处，达到了269.51 MPa，容易造成山墙整体被吹到，并带动其后的拱架倾倒（图10）。增加钢管斜撑之后，山墙变形得到很好的抑制，最大位移降低到了50.2 mm，最大组合应力降低至173.9 MPa以下，主要集中在斜撑与拱架连接处和拱架底脚处（图11）。

图10 90°风条件下无斜撑山墙拱架总变形与最大组合应力云图

图11 90°风条件下有斜撑山墙拱架总变形与最大组合应力云图

结论

通过上述研究，在浙江省温州市抗风需求较高的地区，使用单管拱架难以满足有作物荷载条件的抗风需求。在不考虑作物荷载，同时将DN32钢管拱架间距减小至0.4 m时，可基本满足给定风荷载条件下的钢管承载条件。与此相比，桁架拱架具有更好的抗风性能。使用间距为0.8 m和0.85 m时，可满足有作物荷载和无作物荷载时的抗风需求。此外，在山墙添加钢管支撑有助于提高大棚对90°风的抵御能力，避免结构失稳。