宜机化塑料大棚管材选型与局部加固分析＊

马蔷薇，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.温州市农业科学研究院，浙江温州 325014；4.浙江真合温室科技有限公司，浙江温州 325014）

塑料大棚多采用镀锌钢管装配而成，属于轻型钢结构，成本较低，适宜于大规模示范推广。但另一方面，塑料大棚本身构造简单，对风荷载的抵抗性能较差，遭遇强风时容易出现棚体结构变形或垮塌，造成严重的经济损失。因此，作为塑料大棚最主要的受力构件，钢管选型就成为塑料大棚设计建造过程中最重要的内容之一。截面面积较大的钢管具有较好的受力性能，对风荷载抵抗能力强，但用钢量和建造成本较高，降低了塑料大棚的应用可行性；另一方面，使用截面面积较小的钢管虽然建造成本低，但其受力性能较差，无法保证塑料大棚在强风条件下的结构稳定性。

针对上述问题，已有学者展开相关研究。如解恒燕等[1]利用Ansys 从几何非线性和材料非线性两个方面，分析了钢拱单栋塑料大棚的极限承载力，提出拱顶、1/4 跨及柱脚位置为破坏集中的位置。雷哓晖等[2]采用有限元分析法，对3 种塑料大棚GP-C622、GP-C82 及GP-C832 骨架结构进行了风载和雪载作用下的非线性应力仿真，结果表明，在风荷载作用下，3 种大棚最大可依次承受20、16、20 m/s 的风速，拱管直径越大的大棚可承受的风速越大。解恒燕等[3]对单杆圆拱型塑料大棚无边立柱和带边立柱两种形式下的非线性屈曲性能进行了仿真研究，结果表明，单杆圆拱型塑料大棚骨架的极限承载力随矢跨比的增加而增大，随杆件长细比的增加而减小，带边立柱结构具有更强的几何非线性。

近年来设施园艺轻简化生产快速发展，塑料大棚栽培对农机化作业的需求越来越高。但传统6.0～8.0 m 跨塑料大棚内部空间狭小，不利于农机作业和农机农艺融合，已经严重限制了塑料大棚农业机械化水平的提高。为此，宋卫堂和李明[4]基于“农机-农艺-设施”融合理念设计了新型宜机化塑料大棚，以更有效适应设施蔬菜轻简化生产，消除结构对农机应用的空间限制。但在设计应用过程中，有关钢管型号和局部加固措施对宜机化塑料大棚抗风性能的而影响还不清晰，宜机化塑料大棚的设计与应用缺乏科学指导。

国家标准《种植塑料大棚工程技术规范》GB/T 51057-2015 规定塑料大棚所能承受的风压不小于0.20kN/m2，即20m/s。本文的目的即是采用Ansys workbench 软件的Statistic structural analysis 模块对宜机化塑料大棚在20 m/s 强风下的变形和受力性能进行分析，研究不同型号钢管构成的单管骨架的抗风性能，并据此研究局部加固措施对结构整体性的影响进行初步研究，进而为优化骨架结构、降低成本提供参考。

材料和方法

研究对象

宜机化塑料大棚的构造参数及结构简图如图1 所示。该大棚由8.0 m 长钢管弯曲装配，规格为D15、D20、D25 和D32。骨架间距为1.0 m。根据国家标准《种植塑料大棚工程技术规范》GB/T 51057-2015，内部吊线采用5 点式布置模式（图2）。大棚屋面和底脚处局部加固措施如图3 所示。

图1 宜机化塑料大棚结构简图/mm

图2 宜机化塑料大棚骨架及吊线布置模式

图3 宜机化塑料大棚局部加固措施

荷载分析

塑料大棚结构稳定性分析所涉及到的荷载包括骨架自重、作物荷载、风荷载等[5]。考虑到塑料大棚不会同时承受风荷载和雪荷载的最大值，且塑料大棚破坏多发生在强风天气，确定塑料大棚的荷载组合为“恒荷载+风荷载+作物荷载”。

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。

设置塑料大棚所承受的风速为20 m/s，并按式（1）计算：

式中：v为风速，取20 m/s；

根据《GB/T 51183-2016 农业温室结构荷载规范》[6]，作用于骨架两侧肩部的作物荷载水平方向分力（H）和垂直方向分力（N）分别按照下式计算：

式中：f为吊线的下垂度(m)，取0.106 m；l为吊线相邻两支撑点之间的距离(m)，根据图1，取3.17 m；q为塑料大棚作物荷载，取150 N/m。

宜机化塑料大棚的抗风性能按承载能力极限状态分析，其主导可变荷载为风荷载，荷载组合为：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)。风荷载按上述要求通过线荷载的形式添加到骨架[12]。作用于塑料大棚两侧肩部的H和N分别为1777.5 N 和237.8 N，作用于塑料大棚两侧屋面的作物荷载方向垂直向下，均为712.5 N。

有限元模型

宜机化塑料大棚钢管骨架的抗风性能使用Ansys Workbench 分析，仿真对象为宜机化大棚骨架。骨架设置为beam181 梁单元，材料为Q235 结构钢，其弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3[7]。

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》，当大棚骨架埋入地下300 mm 时，骨架底部可看作固结[8]。考虑到宜机化大棚骨架底埋入地下500 mm，其底部约束设置为固结。另外，用于局部加固钢管则是在赋予截面属性后，通过绑定接触的方式与原有骨架大棚进行连接。底脚处短钢管同样埋入地下500 mm，其底部连接方式同样设置为固结。

结果与讨论

钢管型号对宜机化塑料大棚骨架抗风性能的影响

在风速20 m/s 条件下，DN15 钢管骨架整体随风向变形。其中，迎风侧钢管在正压作用下向室内方向变形，最大位移出现在肩部，达到了1289 mm。背风侧屋脊处的钢管则在负压和迎风侧钢管变形作用下沿风向的斜上方变形，大部钢管的位移都超过了65 mm（图4a）。另一方面，骨架最大组合应力为2053.3 MPa，出现在迎风侧底脚处（图4b）。此外，屋脊、肩部、背风面底脚处等多处钢管弯曲应力超过了许用应力。进一步分析发现，骨架的最大剪力为1120 N，出现在迎风侧钢管底脚处，相应的剪应力为13.7 MPa，远低于钢管的容许应力（图4c）。骨架的最大弯矩达到了2076.6 N.m，相应的最大弯曲正应力高达2050 MPa，远超钢管的许用应力，使得该处钢管被拉断破坏（图4d）。

图4 20 m/s 风速下DN15 骨架变形、最大组合应力、剪力和弯矩云图

在上述条件下，将骨架所用钢管更改为DN20 之后，骨架变形云图和位移云图与DN15相似，但整体变形有了一定程度限制。骨架迎风侧肩部位移最大，为526 mm。除迎风侧底脚和背风侧侧墙钢管外，其余部分位移均超过了65 mm（图5a）。另一方面，骨架的最大组合应力为1140 MPa。根据剪力和弯矩云图分析，最大应力依然发生在钢管底脚处，以弯曲应力为主（图5b）。同样，将骨架钢管改为DN25 之后，骨架最大位移和最大组合应力进一步降低至204.5 mm 和562.1 MPa。最大位移由迎风侧肩部转移至屋脊，最大组合应力分布与上述结果相似。在该条件下，迎风侧管底脚处、肩部、屋脊，以及背风侧肩部的钢管容许应力的部分依然较大，超过了钢管的容许应力（图6）。

图5 20 m/s 风速下DN20 骨架变形、最大组合应力、剪力和弯矩云图

图6 20 m/s 风速下DN25 骨架变形、最大组合应力、剪力和弯矩云图

采用DN32 钢管建造的骨架位移云图和最大组合应力云图与DN25 钢管骨架相似，但骨架最大位移进一步降低，为89.4 mm。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》要求，骨架的最大变形应低于h/35（h 为肩高）。本研究中，宜机化塑料大棚的最大容许位移为65.7 mm。因此，该条件下DN32 骨架位移加大，高于塑料大棚容许最大位移。最大组合应力为316.8 MPa，但是除迎风侧底脚处附近的钢管外，其他部分钢管的最大组合应力都低于235 MPa（图7）。因此，可以推测在该条件下继续提高钢管截面能够进一步降低钢管最大位移和最大组合应力，提高结构稳定性，但大部分钢管难以发挥其抗弯性能，导致材料浪费，造价升高。

采用DN32 钢管建造的骨架位移云图和最大组合应力云图与DN25 钢管骨架相似，但骨架最大位移进一步降低，为89.4 mm。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》要求，骨架的最大变形应低于h/35（h为肩高）。本研究中，宜机化塑料大棚的最大容许位移为65.7 mm。因此，该条件下DN32 骨架位移加大，高于塑料大棚容许最大位移。最大组合应力为316.8 MPa，但是除迎风侧底脚处附近的钢管外，其他部分钢管的最大组合应力都低于235 MPa（图7）。因此，可以推测在该条件下继续提高钢管截面能够进一步降低钢管最大位移和最大组合应力，提高结构稳定性，但大部分钢管难以发挥其抗弯性能，导致材料浪费，造价升高。

图7 20 m/s 风速下DN32 骨架变形、最大组合应力、剪力和弯矩云图

作物荷载对宜机化塑料大棚骨架抗风性能的影响

作物荷载是影响骨架结构稳定性和应力分布的重要因素之一。撤除作物荷载后，DN25 骨架在同样的风荷载下，最大位移和最大组合应力分别为141.9 mm 和367.0 MPa，分别较上述作物荷载和风荷载共同作用条件下降低了55.7% 和56.1%(图8)。骨架最大组合应力超出钢管容许应力的范围集中到了迎风侧底脚处。与此相比，在不考虑作物荷载条件下，DN32 钢管骨架的最大位移和最大容许应力分别为69.9 mm 和215.3 MPa。因此，DN32 骨架需要进一步采取构造措施抑制屋脊处变形，才能抵抗20 m/s 的风荷载（图9）。

图8 20 m/s 风速下无作物荷载时DN25 骨架变形与最大组合应力云图

图9 20 m/s 风速下无作物荷载时DN32 骨架变形与最大组合应力云图

局部加固对宜机化塑料大棚抗风性能的影响

通过上述分析可以发现，DN25 钢管骨架变形和应力超过容许要求的部位分别集中在屋面和底脚处。局部加固该区域即可改善骨架的整体稳定性，同时有效减少材料，节约成本。对于在“恒荷载+风荷载+作物吊重荷载”组合条件下的DN25 钢管骨架，通过局部加固后，骨架钢管的最大位移和最大组合应力分别为57.0 mm 和173.8 MPa（图10）。该骨架用钢量仅比DN32骨架高4%，但骨架抗风性能得到大幅提升，可满足宜机化塑料大棚对20 m/s 风荷载的抗风需求。

图10 20 m/s 风速下局部加固后的DN25 骨架变形与最大组合应力云图

结论

本文研究了不同型号钢管建造的9.5 m 跨宜机化塑料大棚的抗风性能，在20 m/s 风荷载作用下，钢管骨架沿风向变形，大棚迎风面肩部和屋脊处变形较大，最大组合应力出现在骨架钢管底脚处、肩部和屋脊处。通过提高钢管截面或取消作物荷载可有效减小骨架变形和最大组合应力。根据仿真结果，DN15、DN20、DN25 和DN32 钢管弯曲而成的单管骨架不足以抵抗风速20 m/s 的强风。除去作物荷载之后，DN32 钢管骨架基本能满足上述抗风需求。另一方面，使用0.5 m DN20短钢管对DN25 骨架底脚部进行加固后，DN25 钢管骨架在上述风速条件下的变形和应力大幅减小，能满足无作物荷载下的抗风需求。