棚顶可开合塑料大棚结构设计与有限元分析*

胡光艳 ， 曾宪任 ， 王海平

（1.九江学院，江西 九江 332005；2.江西省九面旗生态农业科技有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

国家高度重视“菜篮子”工程，为有效保障市场农产品的供给，陆续出台了多项政策和措施。但是，我国农业基础设施薄弱、传统农业占绝对主体地位、农业生产效率低等情况，导致农业基础生产劳动力不足，年轻劳动力外流严重，极大地影响了集约化生产和规模化经营，同时对传统农业生产造成了巨大冲击。因此，为解决农业农村专业化经营不足和劳动力紧缺的问题，加大对设施农业的扶持力度、加强对新型智能温室技术的推广具有重要意义，同时也是维持农业高水平发展、助推乡村振兴的时代需要。

纵观市面上的大棚，普通塑料大棚功能仅以保温为主，薄膜固定在支架上，拆装不易，且通风极为不便。即便是智能温室配套设施完善，采取一系列的补光、保温、遮阳等措施，大部分也只能在大棚侧面采用自然通风或机械通风的方式，通风、降温、除湿以及及时排除有害气体等功能受限。夏季如何最大限度地实现塑料大棚的通风、降温一直是一个难题，若采取智能温室的措施，如湿帘风机降温系统等会增加运行能耗，增加使用成本，不符合大众农业生产要求[1]，在实践中难以推广。

目前，关于温室结构的研究，国内侧重于对主体骨架结构的分析，多是应用有限元分析工具对不同气候地区的温室结构的合理性进行分析与优化，以及对设计荷载的规范取值的研究等[2]。张连永等[3]根据GB/T 18622—2002《温室结构设计荷载》，针对我国华东地区连栋温室结构设计中的风荷载定义方法、计算取值、荷载组合等进行了探讨和分析。樊琦等[4]应用计算流体力学建立了华东型连栋塑料温室模型，对两种常见的顶窗开启方式的温室及其自然通风速度进行了比较。国内关于大棚顶部通风结构的专利也有很多，但是总体来说，在温室顶部开窗的方式通风面积较小，通风降温的效果有限。存在一些顶部卷膜通风的结构[5]设计，但这类卷膜系统只适用于小跨度的简易温室，在大型连栋温室中难以实现精确控制和自动控制。

鉴于此，课题组设计了一种棚顶可完全开合的塑料大棚，可以根据需要及时调整顶棚的敞开面积，达到改善光照、及时降温、充分通风、快速除湿的效果，同时还降低了造价成本和维护成本，节约了能源。

1 棚顶可开合塑料大棚的结构设计

1.1 大棚主体结构及设计参数

系统主要组成包括温室主体结构、屋顶可开合系统（移动结构）、立面覆盖、遮阳（保温）系统、电气及控制系统等[6]。课题组主要对主体结构特征进行了说明，重点围绕屋面可开合系统进行分析。

大棚顶部为可开合结构，多条并列的钢丝绳及其上覆盖的薄膜组成锯齿形的屋顶，可以实现如折扇状的展开和折叠，完成棚顶的开合动作。其主体结构部分已申请专利，并获得授权[7]。以单跨为例，东西为30 m×2=60 m；南北为6 m每开间，可扩展。两边对称倾斜布置，中间高，两端低，中间脊高5 m，两端高3.5 m，如图1所示。如果场地面积受限，也可以仅搭建半跨（单坡），如图2所示。大棚斜坡造型和棚顶V型槽的结构，可以很好地解决排雨量的问题。大棚四壁立面部分均采用较厚的薄膜覆盖，也可以因势利导应用既有的墙面。本课题以单坡模型为例，进行分析与仿真。

图1 封闭双坡简化模型图

图2 封闭单坡简化模型图

电气及控制系统主要包括电机对移动机构的牵引和控制，根据温室内的实时温度和湿度等指标，及时启动电机并带动移动机构在导轨上运行，到达合适位置后停止，并通过实时的对比分析来确定是否需要变动，根据变动区域大小以及持续时间予以执行。

1.2 可开合棚顶设计

可开合大棚棚顶的主要结构包括立柱、导轨、活动支架、钢丝绳以及薄膜，如图3所示。钢丝绳两端固定在支架上，两支架由电机牵引在导轨上同步滑动，钢丝绳随着支架一起移动和偏转，覆盖在钢丝绳上的薄膜即叠起或展开。

图3 可开合棚顶结构示意图

1.3 基础与骨架设计

大棚的主体为钢结构，骨架采用国产热镀锌钢管。立柱顶部支撑三角桁架，导轨也是桁架的一部分，桁架各组成杆均采用可拆卸螺纹连接，方便安装维护及扩展。

2 棚顶可开合塑料大棚结构有限元分析

2.1 有限元模型的建立

使用SolidWorks建立大棚的三维模型，采用Q235钢材模拟热镀锌钢管材料特性。将覆盖在棚顶的薄膜简化为薄板，不考虑自重。单坡大棚整体造型如图4所示。最后，将几何模型输入ANSYS，进行网格划分。

图4 单坡大棚三维模型图

2.2 荷载的确定

1）恒载：本结构主要为大棚钢骨架自重，即桁架自重。

2）可变荷载：屋面均布活荷载主要来自钢丝绳及薄膜的重力、棚顶积灰、少量积水等。棚顶合拢时与棚顶打开时的均布荷载不同，棚顶合拢时取均布荷载0.1 kN/m2；棚顶打开时荷载会集中在局部区域，可取0.2 kN/m2。不考虑吊载和施工检修集中荷载。另外，为了便于分析，将立柱和桁架单独作为系统考虑，那么移动机构作用在桁架导轨上的力也是可变荷载，可以视为作用在导轨上的均布荷载。通过计算确定棚顶合拢时，整个导轨的均布荷载为0.031 2 kN/m2；棚顶打开时，导轨上局部均布荷载约为0.187 kN/m2。

3）风荷载[8]：

式中，ωk为风荷载取值；ω0为基本风压，取0.5 kN/m2；大棚高度小于10 m，属于非高层建筑，故风振系数βz取1.0；根据规范计算公式计算风压高度变化系数μz，μz=1.000×（z/10）0.30，以z=5 m代入计算，得到μz=0.81，其中地面粗糙度类别取B类（乡镇或城市郊区）；温室的风荷载体型系数μs与建筑物的体型、尺寸及所在地的风向情况有关。以单坡为例，参照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，东西方向风荷载体型系数取值如图5所示。

图5 东西方向风荷载体型系数

其中，屋顶坡度α=arctan（1.5/30）=2.86°＜15°。若为南北方向风，则为封闭式锯齿形屋面，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，迎风竖直墙面风荷载体型系数为+0.8。屋面按风向分为三部分，第一部分风荷载体型系数为-0.6；第二部分风荷载体型系数为-0.5；第三部分风荷载体型系数为-0.4。背风竖直墙面风荷载体型系数为-0.4，两个侧面风荷载体型系数均为-0.7。

将以上参数代入式（1）中，得到东西风荷载、南北风荷载计算结果分别如表1、表2所示。

表1 东西风荷载

表2 南北风荷载

4）雪荷载：基本雪压取0.3 kN/m2。在实际情况中，尽管棚顶呈“折扇式”，但是棚顶以上还覆盖有防虫网，雪漏下得极少。因此，可以大致认为雪荷载在整体结构上呈竖直均匀分布，取值为0.15 kN/m2。经过整理，各种荷载的取值以及加载方式如表3所示。

表3 荷载类型、取值及加载方式

2.3 荷载施加

一般在天气晴朗、无风或风力很小时会打开棚顶，所以棚顶打开时暂不考虑风荷载和雪荷载。此外，由于拱形屋面所承受的风荷载基本上属于风吸力，对结构承载雪荷载是有利的。因此，雪荷载和风荷载不同时参与荷载组合[9]，与之类似，屋面均布活荷载与风荷载也不同时参与荷载组合。为了便于分析，课题组将复杂的结构分为两个部分，一部分是固定的立柱和桁架部分，选用5 m立柱进行分析，主要考虑恒荷载（桁架自重）和移动机构对桁架导轨的作用力；另一部分是封闭温室部分，主要考虑风荷载、雪荷载和屋面均布活荷载的作用。整理得到6种荷载组合情况，如表4所示。

表4 仿真模型与荷载组合

2.4 基于ANSYS的大棚有限元分析

通过ANSYS有限元分析软件定义6种荷载工况，提取各种荷载组合工况下结构应力最大值、位移最大值，如表5所示。

表5 各荷载组合工况下结构响应量值汇总表

由表5可知，各种荷载情况下的应力和位移均在许可范围内，说明结构是安全的。从表中也可以看出在荷载组合5（东西风荷载）作用下产生的应力和位移最大，由此可以得出风荷载对结构的影响最大，应予以足够的重视。另外，如果仅考虑立柱及桁架的受力变形（比较荷载组合1和2两种情况），则在荷载组合2作用下应力和位移较大。荷载组合2作用下立柱及桁架的应力云图和位移云图分别如图6、图7所示；荷载组合5作用下封闭温室的应力云图及位移云图分别如图8、图9所示。

图6 荷载组合2作用下立柱与桁架应力云图

图7 荷载组合2作用下立柱与桁架位移云图

图8 东西风荷载作用下封闭温室的应力云图

图9 东西风荷载作用下封闭温室的位移云图

需要说明的是，仿真模型对实际模型进行了一定程度的简化，比如，对于薄膜的处理是以一定厚度的曲面薄板来代替塑料，不考虑其自重；立柱和桁架在实践中为了建模简化常采用概念建模方式，即在DesignModeler中直接建立有限元梁，通过建立线体并赋予其截面特征来作为有限元分析中的梁模型[10]。本课题在有限元模型的建立过程中，将立柱与桁架各杆直接固结为一体，省去其中复杂的螺杆螺母连接，这些细节部分的变化特征可再辅以若干局部的仿真项目来呈现。采用简化模型进行仿真可以基本反映出结构的应力与变形规律，且有利于仿真进程的顺利进行，是一种经过实践检验证明的非常有效的常用方法。

3 结论

棚顶可开合大棚由两端同步运行的活动支架带动钢丝绳及其上覆盖的薄膜实现棚顶的“折扇式”打开和封闭，其具有跨度大、建造成本低、维护简单的特点，能根据需要，更好地满足大棚采光、调温、换气、去湿的要求，使植株得到更加自然且适宜的生长环境，从而提高农产品的品质和产量，并节约能源。此外，课题组对大棚在棚顶完全打开和完全封闭的两种情况，应用有限元分析软件ANSYS分析了各种荷载组合下大棚各结构的应力和变形。仿真结果表明，东西风荷载作用下棚顶的应力和位移最大，各种荷载组合作用下各项指标均符合要求，该大棚结构整体安全可靠，市场应用前景广阔。