烤烟育苗预制砼架中棚设计及应用

田仁进，喻丽华，曹兴兵，苏 文，纪 杰，燕鹏程，熊 伟

(1. 黔西南州烟草公司普安县分公司，贵州 普安 561500；2.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

我国塑料中棚种类很多，有竹木结构中棚、钢管中棚、钢筋-竹子混合结构中棚、镀锌钢管结构中棚、其他棚架结构中棚等[1]。现阶段在黔西南烤烟育苗棚主要有：插地小棚、焊接钢结构中棚、镀锌钢管中棚，三种育苗棚各有优缺点。插地小棚：跨度1.15～1.20 m，长度6～8 m，高度0.6～0.7 m，每个棚育苗40张育苗盘。优点是建造简单、取材方便，造价低廉，对地理条件要求低；缺点是规范化和标准化育苗过程中，管理难度极大，必须投入大量劳动力，寿命短，抗风雪荷载性能差[2]。焊接钢结构中棚：跨度4～6 m，脊高2.6～3.0 m，长15～30 m，拱架是用钢筋、钢管或两种结合焊接而成的平面桁架，纵向各拱架间用拉杆或斜交式拉杆连接固定形成整体，拱架上覆盖薄膜。其优点是骨架坚固，没有中柱，棚内空间大，透光性好，作业方便；缺点是骨架需要涂刷油漆防锈，1～2年需涂刷1次，造价高昂，对地理条件要求高，使用寿命6～7年[3]。镀锌钢管中棚：跨度8 m，脊高2.5～3.2 m，长30 m，这种结构的中棚骨架、拱杆、纵向拉杆、端头立柱均采用热镀锌防锈处理，并采用焊接的工艺进行连接，使用寿命一般为8年[3]。优点是棚内空间大，遮光少，作业方便，抗腐蚀；缺点是承受风雪荷载能力很低，当积雪超过4 cm厚时就可将其压塌。

本文设计了一种既能满足烤烟育苗的小气候环境要求，又能适当降低建造成本，提高空间利用率的中棚，即利用预制的水泥杆作为育苗棚的骨架(以下简称“砼架”)，使所建造的中棚具有成本低、安装方便、使用寿命长等优势。

1 烤烟育苗预制砼架中棚结构设计

1.1 中棚总体尺寸确定

1.1.1 长度设计

常见的烤烟育苗钢架中棚的规格一般为30.0 m×8.0 m×2.8 m，结合育苗地块条件、烤烟育苗的小气候环境需求及砼架结构中棚的承载力等因素，预制砼架中棚的总长设计为15 m。

1.1.2 跨度设计

跨度设计直接关系到中棚的使用功能和安全性[4-5]。常见塑料中棚跨度一般在4～8 m，小跨度的塑料中棚优点是结构紧凑、有较强的抗风、抗水能力，缺点是易受到外界环境温差变化造成的影响[6]。预制砼架中棚的跨度初步选定4.0 m、4.5 m、5.0 m三种。

1.1.3 高度设计

中棚的高度设计要尽量通过降低高度来降低风阻和风压，以及降低成本预算和减少散热面积，以此来获得更好的保温能力[7]。在黔西南州调研发现，一般的中棚总高在2～3 m左右，考虑到中棚高度尺寸太小，不便于育苗的日常管理，因此，中棚高度设计为2.5 m。

1.1.4 总体尺寸确定

为了获得经济适用的砼架中棚，初步设计了3种中棚结构方案。方案Ⅰ，15.0 m×4.0 m×2.5 m；方案Ⅱ，15.0 m×4.5 m×2.5 m；方案Ⅲ，15.0 m×5.0 m×2.5 m。将三种结构中棚从占地面积、育苗盘数、单位面积盘数、操作性等方面进行对比分析，选出最优设计，三种结构中棚对比分析情况如表1所示。

表1 三种结构中棚对比分析

由表1可知：从空间利用率考虑，方案Ⅲ的单位面积育苗数最大，空间利用率最优，方案Ⅱ次之。但从抗风雪压因素考虑，方案Ⅰ最优，方案Ⅱ次之。综合考虑空间利用率及抗风雪压因素，砼架中棚结构选取方案Ⅱ，即中棚总体尺寸设计为15.0 m×4.5 m×2.5 m。

1.2 中棚详细结构设计

1.2.1 中棚结构类型确定

为了获得最优的中棚顶，研究了1/2圆形、1/4圆形以及“人”字形三种不同结构以及各衔接部件组装设计方法，以找到一种安装和拆卸方便、又不易损毁部件的组装设计和方法。如图1所示，图中“⊕”代表衔接点。

图1 中棚结构类型示意

由图1可知：1/2圆形需要2个衔接点，1/4圆形和“人”字形均只需1个衔接点，所以从安装便捷性方面看，后两者有优势；从稳定性看，“人”字形棚优于1/4圆形棚，但“人”字形棚的棚内操作空间过小、通风差，难以满足烤烟育苗的实际需要。综合分析，砼架中棚设计为1/4圆形顶。

1.2.2 砼架杆布置

中棚砼架布置如图2所示，其中，每两根砼架的纵向间距为1 m。

图2 砼架中棚结构示意

1.2.3 砼架杆设计

为了获得经济适用的砼架杆，初步设计了三种规格的砼架杆结构：规格一，4 cm×5 cm；规格二，5 cm×5 cm；规格三，5 cm×8 cm。为了提高中棚的抗风雪荷载能力，砼架杆内采用如图3所示的6#铁丝编织的正三角形铁丝网作为其内骨架。将三种规格的砼架杆从制作成本、承载力、抗裂性进行试验对比，最终确定砼架杆的规格为4 cm×5 cm，砼架杆三维模型如图4所示。

图3 砼架杆内的骨架铁丝网结构示意

图4 砼架杆三维模型示意

1.3 育苗池设计

棚内设计两个纵向对称布置的育苗池，池周围用预制砖砌制。棚内育苗池结构如图5所示。

图5 育苗池结构示意

图5中，苗池内长14.60 m，内宽1.85 m，苗池外埂宽0.20 m，内埂宽0.40 m。每池可育苗125盘，一个中棚共育苗250盘，其中，育苗盘规格：长57.00 cm、宽36.00 cm。

2 中棚荷载计算及静荷载试验

影响中棚使用寿命的自然因素有以下几类：地震、风载、雪载、雨载等，由于该砼架是在贵州省黔西南境内推行使用，贵州省地震发生概率非常小，本设计主要考虑雪载、风载、雪载+风载。

2.1 雪荷载计算

雪荷载就是作用在温室屋面上的雪压[8]。雪降落在中棚上表面，以重力形式展现出来，对砼架烤烟育苗棚施加荷载。雪载值的大小为[9]

Sk=S0×μr

(1)

Sk为雪荷载标准值(kN/m2)；S0为基本雪压(kN/m2)，在该国标规范中可得贵州地区基本雪压值S0=0.4 kN/m2；μr为屋面积雪分布系数。

屋面积雪分布系数计算公式为[9]

(0.4≤μr≤1.0)(2)

l为大棚跨度(m)；f为大棚弧形部分的高度(m)。则有

雪载

Sk=S0×μr=0.4×0.511 4=0.204 5 kN/m2

F总=Sk×S棚面积=0.204 5×4.5×15=13.806 8 kN

转换为质量，则有

每一个大棚16根砼架，则分配到每一根砼架雪荷载约为86.3 kg。

2.2 风载分析

风力是指风吹到物体上所表现出力量的大小。一般分为13个等级，即0～13级。0～5级的风没有破坏力，对人们的生活影响很小。查阅相关资料，普安县近十年风力统计：风力小于三级有1 921天、三级风力有219天、四级风力58天、五级风力11天、六级风力1天。四级称为和风，对应风速约5.5～7.9 m/s，特征是能够吹起尘土；五级称为劲风，风速约8.0～10. 7 m/s，特征是能够使小树摇摆；六级称为强风，风速约10.8～13.8 m/s，特征是能够使电线有声，撑伞困难。

根据上述风力气象数据可知，普安县风力对基础设施的破坏力很小，几乎可以忽略不计。为此，本砼架烤烟育苗棚设计忽略风荷载。

2.3 静荷载试验

2.3.1 试验目的及试验器具

中棚静载荷试验目的：检测中棚抗雪载能力，以确保其使用的安全性。试验器具主要包括：尼龙绳、加载框、标准空心砖(砖的质量为20 kg)、秤。

2.3.2 试验流程

试验主要有以下几个步骤：

(1)在中棚内任选一根砼架进行承载力试验，为了使砼架均匀受力，在砼架上对称布置两个加载筐。

(2)依次向加载筐里放入空心砖模拟静荷载，直到每框静荷载大小为44 kg。

(3)中棚所加静荷载保持一周，观察砼架中棚的完好性。

2.3.3 结果及分析

静荷载试验现场如图6所示，静荷载在中棚上施加一周后，发现砼架完好无损，无断裂和明显裂纹，试验结果表明，砼架中棚结构满足强度要求。

图6 砼架育苗中棚静荷载试验现场

3 中棚成本分析

为了分析砼架中棚的成本优势，现将其与常见的镀锌钢管中棚、插地小棚进行对比分析，三种育苗棚成本对比情况如表2所示。

表2 三种育苗棚成本比较

由表2可知：从建造成本来看，砼架中棚造价低于钢架中棚、高于插地小棚；从使用年限来看，砼架中棚与镀锌钢管中棚均为8年，明显长于使用年限为1年的插地小棚；从每盘折算造价来看，砼架中棚为1.07 元/(盘·年)，明显低于镀锌钢管中棚和插地小棚。综合以上分析可知，砼架中棚成本优势明显。

4 砼架中棚推广示范

砼架中棚示范点位于普安县新店镇烂木桥村，且满足地势偏高、土质肥沃、平坦、交通方便、距水源近、用电方便等基本要求，同时周围无污染源对烟苗产生影响。试验点东、南、西三个方向为开阔地，北边有小山丘可作为天然屏障，中棚安装方向为南北朝向，棚间距不低于80 cm，以利于棚内采光[10]。

通过项目实施，截至2021年4月已完成28个育苗棚建造。每棚实际育苗250盘，一个砼架中棚完成80 500株烤烟苗的育苗工作；以每亩栽1 100株烟计，通过本项目实施建造的中棚，可满足2 044亩的烟地育苗需要。

5 结语

设计并建造了一种烤烟育苗砼架中棚，中棚总体尺寸15.0 m×4.5 m×2.5 m，棚内对称布置两个育苗池，每棚可育苗250盘，共计80 500株烤烟苗，可供移栽面积73亩。

中棚整体结构紧凑，采用“混泥土+铁丝骨架”的方法预制砼架，安装便捷、对地块大小要求不高、成本低，比较优势明显。

已建成的28个砼架中棚可供苗2 044亩，以使用年限8年计，较镀锌钢管中棚节省8.3万元，较当地插地小棚节省7.6万元，经济效益显著。