海南夏秋新型抗台风蔬菜生产大棚设计

刘建+庞真真

摘 要 根据海南夏秋蔬菜生产高温、高湿及台风多发的热带气候条件，通过结构尺寸、力学分析、材料等研究，设计出一种新型的抗台风单栋中跨度塑料拱棚。通过构件和基础优化设计，显著的提高了该拱棚的稳定性，具有抗侧倾、抗拔起的抗风能力，且具有防暴雨、自然通风良好、空间较大、造价相对较低的优点，适合海南地区夏秋（常年）蔬菜生产。

关键词 抗台风大棚 ；单栋拱棚 ；夏秋蔬菜大棚

中图分类号 S625.5

Design of a New Anti-typhoon Greenhouse for Hainan Vegetable Production in Summer and Autumn——Single and Medium Span Plastic Shed

LIU Jian PANG Zhenzhen

（College of Horticulture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract A new type of anti-typhoon greenhouse is introduced according to tropical climate in Hainan with the high temperature， high humidity and frequent typhoon during summer and autumn. The single and medium span plastic shed is designed based on the structural dimension， mechanics analysis and material. The stability of the medium span plastic shed is improved remarkably by optimizing components and foundation. It has the anti-wind ability of anti-roll and anti-lift， and has the advantages of anti-rainstorm， good natural ventilation， large space， and relatively low cost， which is adapt to the summer and autumn vegetable production （or annual） in Hainan.

Key words anti typhoon greenhouse ；single span plastic shed ；summer and autumn vegetable greenhouse

高溫高湿、台风、暴雨等问题是制约海南本地蔬菜夏秋淡季生产的主要因素，因此设施栽培成为保证周年蔬菜供应的主要生产方式和手段。近年海南省设施栽培快速发展，但缺乏较为系统的研究，除管理方面的原因外，最大的问题就是缺乏针对海南地区夏秋极端气候特点的规范化专用大棚类型，使得现有常年蔬菜大棚设计标准在海南夏秋蔬菜生产的适应性欠佳，存在夏秋季热害、抗风能力差等问题，阻碍了蔬菜大棚的进一步发展。基于海南的气候和蔬菜种植特点，本文设计的夏秋新型抗台风蔬菜大棚具备以下5个特点：（1）经济实用、后期维护操作简便；（2）骨架设计抗风级别可达12级；（3）棚内自然通风良好、温度适宜；（4）屋顶防雨或能够缓冲暴雨冲刷；（5）基础设计既能抗台风，又不破坏耕地。该单拱大棚在2016年10月份的台风“莎莉嘉”中经受住考验，台风过后能够保持正常生产。

1 单栋中跨度塑料拱棚的设计

单栋中跨度塑料拱棚如图1所示。拱棚顶高2.5 m，跨度5.0 m，采用热镀锌钢管作为其结构的主要构件；在2个端部山墙面分别设置2根热镀锌钢管立柱，同时在长度方向每间距4.2 m、在柱脚位置两侧各设置1条钢筋混凝土桩，用以增加主体结构在台风中的稳定性；端部两侧沿着拱屋面设置纵向支撑杆；拱屋面肩部以下覆盖防虫网，形成通风口；肩部以上覆盖薄膜，并在薄膜外层覆盖50 %的遮阳网，遮阳网外部设置压膜线。

1.1 设计参数

恒荷载：0.05 kN/m2（含钢骨架自重）；

活荷载：0.1 kN/m2（本大棚针对海南常年蔬菜生产，以叶菜为生产对象，不考虑作物吊重）；

风荷载：0.75 kN/m2，海口地区50年一遇，相当于12级风中间风速。

1.2 几何尺寸

拱棚跨度5.0 m，矢高2.5 m，拱间距0.7 m，长度可根据实际地形情况确定，但需满足每6个拱（即4.2 m）设置一个主拱（图2）；

拱棚之间预留0.6-0.8 m宽的间距作为操作通道及排水沟；

棚内设置3个栽培垄，垄间设置0.3 m深排水沟，兼作操作走道。棚内走道处实际操作高度可达到2.25 m以上，基本满足小型园艺机械正常操作的需求；

棚型曲线是半径2.5m的半圆拱。

1.3 力学分析计算

1.3.1 荷载标准值分析计算

恒荷载q1、活荷载q2、风荷载q3分别计算如下：

（1）恒荷载q1：0.05 kN/m2；

（2）活荷载q2：0.05 kN/m2；

（3）风荷载q3：根据拱棚外覆盖的形式（按四周开敞式），拱屋面薄膜覆盖部分荷载体形系数按3段考虑：迎风面us1=1.0、背风面us2=-0.6、屋顶面us3=-1.0[1]；风压高度变化系数uz=1.0；基本风压w0按前述风荷载值取0.75 kN/m2。则迎风面（q31）、背风面（q32）与屋顶面（q33）的风荷载计算如下：

q31=w0uzus1=0.75×1.0×1=0.75（kN/m2）；

q32=w0uzus2=0.75×1.0×（-0.6）=-0.45（kN/m2）；

q33=w0uzus3=0.75×1.0×（-1.0）=-0.75（kN/m2）。

考虑2种不利组合：恒载+风荷载与恒载+活荷载+风荷载。风荷载为主导荷载，由可变荷载控制效应设计值的计算公式Sd=γGjSGjk+γQ1γL1SQ1k+γQiγLiψciSQik[2]及相关的计算方法计算荷载设计值。公式中SGjk、SQ1k、SQik分别对应恒荷载q1、风荷载q3与活荷载q2，m=1，n=2。计算时，恒荷载对结构有利，分项系数γGj取值为1；风荷载和活荷载的分项系数γQ1、γQi取值为1.4；风荷载与活荷载的设计使用年限调整系数γL1、γLi取值为1.0；可变荷载的组合值系数ψci取值为0.7；开间L=0.7 m（拱杆间距）。计算各荷载设计值如下（结构重要性系数ε取值为0.95）：

（1）恒荷载设计值Q1：

Q1=εLγGjSGjk=0.95×0.7×1.0×q1

=0.033 25（kN/m）

（2）活荷载设计值Q2：

Q2=εLγQiγLiψciSQik=0.95×0.7×1.4×1.0×

0.7×q2=0.032 59（kN/m）

（3）风荷载设计值Q3（迎风面Q31、背风面Q32、屋顶面Q33）：

Q31=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q31

=0.698 25（kN/m）；

Q32=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q32

=-0.418 95（kN/m）；

Q33=εLγQ1γL1SQ1k=0.95×0.7×1.4×1×q33

=-0.698 25（kN/m）。

1.3.2 材料强度设计

采用结构计算软件进行计算，计算模型如图3所示，两端柱脚与基础连接为固定铰支座（铰接）。通过计算，在不同荷载组合作用下，最大内力对应的构件为构件3与构件4，弯矩（Mx）和轴力（N）分别为：Mx=-0.88 kN/m，N=0.32 kN。拱杆试算选用Φ50×2.2 mm的热镀锌圆管（Q235冷弯薄壁型钢，强度设计值[f]为205 N/mm2），则拱杆应力（σ）值计算如下：

=0.96+202.44=203.4（N/mm2）

<[f]=205（N/mm2），满足强度条件。

式中：Aen——拱杆的有效净截面；γx——截面塑性发展系数，圆管取1.15；Wnx——净截面模量。

1.4 材料参数

（1）基础：基础采用条形基础；条形基础宽0.30 m，深0.5 m，下部0.15 m高范围内采用C20混凝土现浇、配φ6 mm的HRB400钢筋2条（圈梁），上部采用原土回填夯实，如图4所示。

（2）加固水泥桩：C20混凝土预制；水泥桩长度为0.9 m，截面为0.1 m×0.1 m，配φ8 mm的HRB400钢筋2条；水泥桩端部居中预留半径为50 mm的半凹槽，如图5所示。

（3）主体钢骨架：拱杆采用φ50×2.2 mm的热镀锌圆管；沿着拱棚脊部、两侧肩部各设置1条纵向系杆，共计3条，采用φ32×1.5 mm的热镀锌圆管；两侧加固水泥桩顶部各设置1条加固纵向系杆，共计2条，采用φ40×2 mm的热镀锌圆管；端部屋面设置屋面斜撑，采用φ32×1.5 mm的热镀锌圆管；主拱位置的拱杆和纵向系杆采用十字卡件（U型螺栓）连接，副拱位置的拱杆和系杆采用热镀锌十字卡簧连接。

（4）覆盖材料：顶部薄膜为0.08 mm薄膜，薄膜外层覆盖遮阳率为50 %-60 %的遮阳网，并采用压膜带压紧，压膜带固定于柱脚吊环上（图6）；两端山墙面及两侧覆盖40目防虫网，形成自然通风口；在柱脚和肩部设置1.2 mm厚热镀锌方卡槽（可双卡），卡簧采用2 mm浸塑卡簧。

2 单栋中跨度塑料拱棚的材料清单

本计算实例所采用拱棚的单体长度为42 m，跨度5 m，计算面积为42 m×5 m=210 m2。计算结果如表1所示：

3 讨论

（1）针对轻钢结构重量轻，不利于抵抗台风的特点，采用条形基础（圈梁），显著提高拱棚的稳定性和抗拔起的能力；部分增加了加强水泥桩，拱棚抗侧倾的能力也得到提升。

（2）条形基础（圈梁）仅在下部15 cm處进行混凝土浇筑，上部35 cm采用原土回填，不影响耕作，对种植地的影响较小；预制的水泥桩易清理。

（3）拱棚下部四周形成良好的自然通风，加上顶部遮阳网的遮阳作用，能较大降低棚内尤其是种植区的环境温度。

（4）顶部薄膜能够阻挡暴雨对蔬菜的袭击，肩部防虫网能缓冲暴雨的冲击力，能够保证台风暴雨季节的正常使用，实现海南地区蔬菜周年生产。

（5）室内空间开敞，适合小型园艺机械操作。

参考文献

[1] 贾永新，张勇，李斌. 开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究[J]. 建筑结构学报，2010（S2）：159-164.

[2] 中国人民共和国住房和城乡建设部. GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S]. 中国建筑工业出版社，2012.