可移动式防雨棚设计与分析

郭爱东++付道鹏

摘要 可移动防雨棚是农业科研试验中常用的田间试验设施，由可移动钢结构骨架、彩钢板（阳光板）覆盖、钢轨道、电机、钢筋混凝土条形基础、试验用防渗混凝土测坑等构件组成。随着科学家对农作物研究领域的不断扩大，采集农作物环境基础数据要求越来越严格，可移动防雨棚越来越广泛地出现在农业建筑工程设计中。近几年因对移动防雨棚设计了解不够，出现了很多设计上的问题，例如上部荷载过重造成移动困难，甚至一场雪就造成倒塌。因此，作为农业建筑工程设计人员对移动防雨棚结构的研究越来越重要。该文介绍可移动式防雨棚的工程概况、结构特点、结构布置、结构计算等方面内容，以供参考。

关键词 可移动式防雨棚；设计；结构特点；结构布置

中图分类号 S62 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）12-0198-02

农作物对水的需求规律与需水量是区域水资源配置、农作物高效用水灌溉的基本参数。为准确获取农作物需水规律和需水量资料，按《灌溉试验规范》要求，试验研究要求在上隔绝天然降雨的影响、下隔绝地下水影响的蒸渗仪群组（即测坑群）中进行，通过农作物不同生育阶段设计不同水分处理，定期观测研究农作物需水规律，并确定农作物的需水量。蒸渗仪群组是带有观测廊道的有底测坑，起到隔绝地下水的向上补给的作用[1]；而隔绝天然降水影响，必须设计防天然降水影响的防雨棚，降雨时通过降雨感应传感器自动（或人工）控制关闭防雨棚，以防止降水落入试验区农作物的测坑之内，雨停后自动（或人工）控制移动防雨棚至测坑群5 m远之外的地方，以保证阳光对农作物的自然作用。因此，出现了可移动式防雨棚，也称旱棚，如图1所示。

1 工程概况

新建可移动防雨棚建设场地位于内蒙古自治区呼和浩特市沙尔沁牧草资源重点野外科学观测试验站，为半自动可移动防雨棚，其结构计算模型如图2所示。跨度为15.0 m，总长度为60 m；防雨棚建筑面积900 m2。室内道路标高 ±0.000，种植地面标高-0.200，室外标高-0.200，建筑总高度5.8 m。

主要承重结构为轻钢桁架结构，覆盖材料采用弧形彩色压型钢板。承重结构桁架结构，其中±0.000以下为钢筋混凝土条形基础，基础埋深为-1.80 m。±0.000以上为拱型钢桁架结构[2]。

桁架为拱型结构，分为外拱和内拱，拱的上下弦高度均为800 mm，其中外拱平面跨度16 200 mm，外径为12 859 mm，内径为14 321 mm；内拱平面跨度15 000 mm，外径为14 003 mm，内径为18 229 mm；桁架所有材料均采用钢管63.0 mm×3.000，主结构钢柱、钢桁架材料为Q235B钢。拱杆为钢管焊接式结构，布置间距3.0 m，上下两端焊装在基础的预埋工字型钢轨上，并用3～4道纵向联系杆件连接，形成一体式空间结构。

2 结构特点

可移动防雨棚地下基础部分常见的多为钢筋混凝土条形基础，基础顶面预埋“工”字型钢轨道，防雨棚基础平面如图3所示；轨道上面焊接轻钢结构骨架防雨棚基础连接节点如图4所示；钢骨架上铺设钢檩条，外覆盖彩钢板，每侧分为外、内侧2个轨道，外侧的钢结构防雨棚比内侧的防雨棚略高大一些，一般情况下内侧防雨棚可以收回到外侧防雨棚下面，当科学试验需要干旱环境时，通过电机将防雨棚移动到试验田上防止雨水降落到植物上[3]。为了减少用钢量同时便于整体结构的移动，承重结构设计为轻型桁架结构，如图5、6所示。

3 结构布置

3.1 屋面支撑布置

屋面支撑的作用主要有：保证结构的空间整体作用；避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动；承担和传递水平荷载；保证结构安装时的稳定和方便[4]。

防雨棚内外结构的横向抗侧体系均采用钢桁架结构，根据《建筑抗震设计规范》第9.2.12条屋盖上弦横向支撑在防雨棚两端开间各设置一道，屋面纵向在跨中通长设置垂直支撑一道；两侧钢柱顶面通长设置纵向联系杆。外拱结构屋架上弦支撑平面布置如图7所示。

下弦横向水平支撑在防雨棚两端开间各设置一道，屋面纵向在跨中通长设置垂直支撑一道，每个水平支撑处均沿开间通长设置纵向联系杆件一道[5]，具体如图8所示。

3.2 柱间支撑

合理布置柱间支撑体系可有效优化主要承重构件内力分布情况，改善整体刚度分布，加强结构薄弱环节，使结构整体共同抵御水平荷载，提高结构或构件的稳定性。

为了保证防雨棚结构的整体空间工作，共同承担及传递水平力，包括风荷载、温度作用及地震作用等，防止因防雨棚移动使杆件产生过大的振动，导致压杆的侧向失稳，在结构两端开间屋面水平支撑相对应处设置柱间支撑。柱间支撑的布置应尽可能与屋面横向水平支撑布置相协调，并形成上下整体共同工作的空间桁架体系。柱间支撑布置如图9所示。

3.3 屋面檩条布置

屋面檩条的设置主要是为了屋面钢板的跨度过大会造成挠度很大而设置的。屋面沿弧长间距1 m布置檩条。

4 结构计算

4.1 荷载取值

4.1.1 地震荷载。依据《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》，本工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2 g，地震分组为第1组；建筑场地类别为Ⅱ类。

4.1.2 恒载。屋面恒荷载为0.30 kN/m2，屋面采用连续C型檩条支撑，单层屋面轻型彩钢板，计算屋面檩条后，取0.5 kN/m2。

4.1.3 活荷载。根据《钢结构设计规范》3.2.1条和《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程》3.2.2条的规定，活荷载可以取0.3 kN/m2；基本风荷载为0.55 kN/m2，按20年一遇设计，风荷载取值为0.40 kN/m2；基本雪荷载为0.40 kN/m2，按20年一遇设计，雪荷载取值为0.30 kN/m2。endprint

4.2 计算模型

防雨棚经过结构布置后，简化为平面桁架结构形式，各杆的轴线在同一平面内，节点均为铰结，所有外荷载作用在桁架平面内，并集中作用于节点上[1]。设计施工应使节点间距等分一致，尽量将外荷载作用于桁架节点上，避免作用在节间杆件上、下弦的内力形成压弯或拉弯构件。桁架与钢柱铰连接，钢柱与钢轨上的滑轨刚接。结构计算模型如图10所示。

4.3 计算软件

利用平面结构计算软件对结构进行分析计算。本项目采用PKPM系列中的钢结构桁架设计程序[5-6]。

4.4 计算结果

钢桁架高度0.8 m，上、下弦选用钢管Φ63 mm×3 mm，腹杆钢管Φ32 mm×3 mm，利用PKPM计算结果满足强度要求，计算结构如图11所示。

5 结论分析

可移动防雨棚主要用于农业科研试验设施中，建设面积小，投资少，目前设计施工主要参考国家民用建筑规范，存在安全隐患，同时造成投资不必要的浪费。

目前的PKPM计算桁架式防雨棚只有平面简化计算，暂时不能用三维计算模型进行计算，对于空间协调的作用只能简化计算。

可移动防雨棚需要通信专业、机械专业和结构专业互相配合，以保证防雨棚在温度传感器的作用下准确地在设定的轨道上运动，以实现下雨时开启移动模式用来遮雨；天晴时自动移动收到试验田以外的地方。目前的防雨棚多数都是半自动的，要实现全自动的模式，还需要相关设计人员在技术上不断改进。

可移动防雨棚在柱脚的设计上要求柱脚要和钢轨一起运动，要考虑水平力对钢柱的影响，设计柱脚为刚性铰。相对于一般排架结构柱这里的柱脚要加强构造加劲肋钢板，以保证有足够的刚度抵抗水平运动力。

6 参考文献

[1] 中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会，中国建筑标准设计研究所.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程：CECS102：2002[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4] 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范：GB50017-2003[S].北京：[出版者不祥]，2003.

[5] 柴昶.钢结构设计与计算[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6] 谷邛英.北京站无站台柱雨棚主桁架设计研究[J].铁道工程学报，2006（9）：77-81.endprint