郄麗娟 韓建會

摘要為了減少連棟塑料大棚的建造成本，增加產(chǎn)投比，設(shè)計了輕簡型連棟塑料大棚，使用MIDAS GEN對輕簡型連棟塑料大棚在最不利荷載組合作用下的最大應(yīng)力和最大綜合位移進行了分析。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在東西風荷載工況下，拱桿處最大綜合位移不滿足規(guī)范限值。因此，提出在拱桿處增加一輔助腹桿的方案，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進行模擬分析，得到優(yōu)化后結(jié)構(gòu)最大綜合位移較原結(jié)構(gòu)顯著降低，優(yōu)化方案合理可行。輕簡型連棟塑料大棚與連棟塑料大棚相比，簡化了基礎(chǔ)，減少了骨架用材量，降低了經(jīng)濟成本，可作為普通塑料大棚的替代棚型。

關(guān)鍵詞輕簡型連棟塑料大棚;結(jié)構(gòu)設(shè)計;有限元;荷載分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號S?625.1文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）18-0218-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.061

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Structural Design and Optimization of Simplified Multi-span Plastic Shed

QIE Li-juan，HAN Jian-hui（Institute of Cash Crops，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences/Hebei Provincial Engineering Research Center for Vegetables，Shijiazhuang，Hebei 050051）

AbstractIn order to reduce the construction cost of the multi-span plastic shed and increase the production-to-investment ratio， the simplified multi-span plastic shed was designed and built.The maximum stress and the maximum comprehensive displacement of the simplified multi-span plastic shed under the most unfavorable load combination were analyzed by using MIDAS GEN.The results showed that under the east-west wind load， the maximum comprehensive displacement of the arch rod did not meet the norm limit. Therefore， the scheme of adding an auxiliary web bar to the arch bar was put forward， and the optimized structure was simulated and analyzed again. It was found that the maximum comprehensive displacement of the optimized structure was significantly lower than the original structure， and the optimization scheme was reasonable and feasible. Compared with the plastic shed， the simplified multi-span plastic shed simplified the foundation， reduced the amount of skeleton materials， and reduced the economic cost. It could be used as an alternative to the multi-span plastic shed.

Key wordsMulti-span plastic shed;Structure design;Finite element;Load analysis;Structure optimization

河北省蔬菜設(shè)施常見類型有日光溫室、連棟溫室和塑料大棚[1]。連棟溫室因其內(nèi)部空間大，便于機械化操作，環(huán)境調(diào)控能力強，加溫、降溫、遮陽、灌溉、施肥等配套設(shè)施齊全，可以實現(xiàn)蔬菜的周年生產(chǎn)等優(yōu)點而被人們不斷關(guān)注。在實際生產(chǎn)中，連棟溫室投資成本大，建造成本投資至少在?150萬元/hm2以上;此外，河北省大部分地區(qū)夏季高溫炎熱、冬季干燥寒冷，進行全年生產(chǎn)的連棟溫室，夏季要降低室溫，冬季要取暖保溫，溫室能耗貫穿于整個生產(chǎn)過程[2-5]。因此，連棟溫室目前大多用于育苗及高檔果菜類的栽培、技術(shù)示范、旅游觀光等，主要分布于大中城市的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)，不適合在河北省大面積推廣應(yīng)用。塑料大棚面積在河北省設(shè)施面積中排名第二，常用的多為單拱棚，骨架大多為水泥竹木混合結(jié)構(gòu)或竹木鋼管混合結(jié)構(gòu)，因其造價低、裝拆方便，深受農(nóng)戶青睞，但塑料大棚空間小，不利于機械化操作。筆者研制了輕簡型連棟塑料大棚，該棚室是在連棟塑料大棚的基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)和和骨架進行了簡化改造設(shè)計而成。在節(jié)省材料降低經(jīng)濟成本的同時，利用MIDAS GEN對輕簡型連棟塑料大棚進行了結(jié)構(gòu)受力分析，并提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。使得設(shè)計優(yōu)化的輕簡型連棟塑料大棚既克服了塑料大棚空間小、不利于機械化操作的缺點，又較連棟塑料大棚降低了建造?成本。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)

由規(guī)范可得輕簡型連棟塑料大棚風壓體形系數(shù)μs取值見圖7。在圖示方向的風荷載作用下，由于拱形棚頂不同位置處風壓體型系數(shù)的變化，在最左側(cè)一棟棚頂處，風荷載由垂直作用面向內(nèi)的壓力形式過渡為為垂直作用面向外的風吸力，拱桿可近似看做受扭狀態(tài)，且由于副立柱截面的拱桿無腹桿支撐，因此易產(chǎn)生很大撓度，相鄰2個主立柱截面間有3個副立柱截面，正中間截面的拱桿距2個剛度較大的主立柱截面最遠，因此產(chǎn)生位移最大。

3輕簡型連棟塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對原結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上進行優(yōu)化處理，在相鄰2個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上增加一根腹桿，用來減小結(jié)構(gòu)的最大位移。所添加腹桿每根長度約7.4 m，全大棚共計22個可優(yōu)化截面，共約163 m。添加腹桿仍采用25 mm × 1.5 mm熱鍍鋅鋼管。優(yōu)化方案示意圖見圖8。

對優(yōu)化方案進行模型計算分析，并得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比，如表3所示。由表3可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)反應(yīng)量值均滿足安全限值要求，優(yōu)化方案合理可靠。

4結(jié)論

該研究對初步設(shè)計的輕簡型連棟塑料大棚的荷載分析表明，結(jié)構(gòu)在東西向風荷載控制的荷載工況作用下，出現(xiàn)最大位移54.81?mm，超出規(guī)范許用值。在其他荷載工況下，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等各項指標均符合要求。針對最不利荷載作用下結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在相鄰兩個主立柱截面正中間處的副立柱截面的拱桿上增加一根腹桿，用來減小結(jié)構(gòu)的最大位移。對采取優(yōu)化方案后的結(jié)構(gòu)進行計算分析，得到優(yōu)化方案結(jié)果合理可靠的結(jié)論，為擬建者提供了合理的優(yōu)化選擇。

優(yōu)化后的輕簡型連棟塑料大棚作為一種新型大棚，與普通連棟塑料大棚相比，棚室骨架脊高降低1.0 m;四周的基礎(chǔ)由條形基礎(chǔ)簡化為獨立基礎(chǔ);其拉桿和拱桿間的連接桿數(shù)量減少1倍，東西墻立柱采用尺寸較小的圓形副立柱與矩形主立柱結(jié)合形式，使得結(jié)構(gòu)自重大大降低，節(jié)省了材料，降低了經(jīng)濟成本。

輕簡型連棟塑料大棚采用熱鍍鋅輕鋼結(jié)構(gòu)裝配而成，具有骨架輕、防腐性能好、壽命長、重量輕、安裝使用方便和適宜標準化作業(yè)的優(yōu)點。經(jīng)過近幾年的生產(chǎn)實踐和推廣，輕簡型連棟塑料大棚可以作為普通塑料大棚的替代棚型，其應(yīng)用對提高連棟塑料大棚產(chǎn)投比和河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)具有一定的積極作用。

參考文獻

[1]張亞. 河北省設(shè)施蔬菜生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].吉林農(nóng)業(yè)，2011（3）：25.

[2]張亞紅，陳青云. 中國連棟溫室采暖期的確定及采暖能耗分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（2）：147-152.

[3]曹曉波，王雙喜. 北方地區(qū)連棟溫室節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（23）：212-213，218.

[4]劉佳，崔濤，王朝棟，等. 連棟溫室夏季降溫技術(shù)研究[J]. 農(nóng)機化研究，2018（2）：262-268.

[5]樊平聲，沙國棟，張戟，等.經(jīng)濟實用型連棟溫室結(jié)構(gòu)及使用技術(shù)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2011，39（2）：503-504.

[6]王昌興.MIDAS/Gen應(yīng)用實例教程及疑難解答[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB/T 51183—2016[S].北京：中國計劃出版社，2016.

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[9]曹曉波. 大開間連棟溫室結(jié)構(gòu)的受力分析與優(yōu)化設(shè)計[D].太谷：山西農(nóng)業(yè)大學，2016.

[10]閆俊月，周磊，周長吉，等.塑料大棚設(shè)計中基本風壓取值方法[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（12）：171-176.

[11]邵九龍. 中原型連棟溫室抗雪荷載分析及優(yōu)化設(shè)計研究[D].重慶：西南大學，2014.