吊袋栽培下水稻育秧大棚骨架受力性能分析

吴 潇 张恩喆 赵梓瑞 李远松 王 鹏 史旖旎

（黑龙江八一农垦大学园艺园林学院，黑龙江 大庆 163319）

水稻育秧大棚应用广泛，除春季水稻育秧需要，其他季节水稻育秧大棚均处于闲置状态。为减少土地闲置浪费，增加农户收入，各地着手开发育秧大棚二次利用的新生产模式[1-3]。在开发二次利用的多种举措中，利用水稻育秧大棚吊袋栽培食用菌黑木耳是普遍选择的策略。吊袋栽培黑木耳是在棚内吊挂黑木耳菌包进行栽培，无须棚内土地，不影响棚内土地平整度，比较利于第二年的育秧作业[4]。

目前，利用塑料大棚吊挂栽培木耳有两种吊挂方式：第一种是在棚内新增设立柱排架用于吊袋栽培；第二种是直接在原有大棚基础骨架上吊挂栽培。第一种方式排架虽然结实耐用，但新建造价较高，排架会改变大棚原有基础设施，排架立柱也会占用棚内空间，影响水稻育秧机械化作业。二次利用的生产成本过高，农户的生产积极性会就降低。第二种方式是直接在大棚骨架上吊挂菌包，在大棚骨架的受力未知的情况下，如果将菌包直接吊挂在大棚骨架上，可能会损坏大棚骨架，造成损失[5]。为了提高水稻育秧大棚的利用率，解决土地闲置问题，计算并分析吊袋栽培下水稻育秧大棚使用阶段的受力情况是十分必要的。目前对温室大棚的受力性能分析多数集中在极限承载力研究上[6-9]，对温室使用阶段的研究较少[10]。温室类型也多集中在连栋温室、日光温室，对水稻育秧大棚的受力分析研究较少[11-14]。受力分析的方法也多为有限元分析，通过三维有限元模型分析温室的结构受力性能[15-17]。

因此，本项目结合相关规范，研究水稻育秧大棚二次利用时在吊挂栽培作用下，大棚骨架可承受的风荷载、雪荷载、吊挂荷载、作物所需的吊挂环境和方式，开展对水稻育秧大棚骨架使用阶段的受力性能研究，通过ABAQUS 软件对水稻育秧大棚骨架的三维模拟数据进行分析，确定已有骨架的薄弱位置，对促进节约土地资源和水稻育秧大棚二次利用的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 水稻育秧大棚骨架处理

水稻育秧大棚的常见结构为桁架拱塑料大棚，根据调研总结，大部分桁架拱水稻育秧大棚跨度为10 000 mm，矢高为3 600 mm，桁架高度为200 mm，桁架节点间距为1 200 mm，桁架拱水稻育秧大棚骨架如图1所示。

图1 桁架拱水稻育秧大棚骨架示意

1.2 荷载的确定与计算

根据相关规范要求，水稻育秧大棚设计时，需要考虑永久荷载和可变荷载，综合规范所规定的设计使用年限和实际塑料大棚的使用年限。本研究选用的桁架拱水稻育秧大棚骨架使用年限为15年。

1.2.1 永久荷载水稻育秧大棚的永久荷载包括结构自重和覆盖材料自重[18-19]。桁架拱水稻育秧大棚上弦采用钢管，腹杆和下弦采用钢筋，钢管及钢筋材料参数如表1所示。覆盖材料为PE塑料膜，自重为0.01 kN/m2。在受力分析中，永久荷载直接在ABAQUS 中以重力荷载形式加载计算，重力加速度为9 800 mm/s2。

表1 钢管及钢筋材料参数

1.2.2 风荷载风荷载是垂直于建筑物表面上的风荷载标准值[20-22]，计算主要受力结构时，应按式（1）计算。

式（1）中，wk代表风荷载标准值，单位为kN/m2；μs代表风荷载体型系数；μz代表风压高度变化系数；w0代表基本风压，单位为kN/m2。

重现期15年时基本风压w0=0.39 kN/m2。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别确定，建三江地区属于田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇，属于B类地面粗糙度，拱形屋面的最高点离地3.6 m，风压高度变化系数μz=1.0。μs根据单跨落地拱形屋面的风荷载体型系数要求计算，f/l=0.36，按线性差值法计算得出风荷载体型系数μs=0.42。当有左侧风吹向大棚时：迎风面风荷载为wk=βz μs μzw0=1.0×0.42×1.0×0.39/1 m=0.164 kN/m；背风面风荷载为wk=βz μs μzw0=1.0×（-0.5）×1.0×0.39/1 m=-0.195 kN/m。

1.2.3 雪荷载雪荷载是屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按式（2）计算。

式（2）中，Sk代表雪荷载标准值，单位为kN/m2；μr代表屋面积雪分布系数；Ct代表加热影响系数；S0代表基本雪压，单位为kN/m2。

塑料大棚结构杆件截面小，整体计算需要考虑雪荷载均匀和不均匀分布两种情况。

当单跨拱形屋面雪荷载均匀分布情况时，利用公式（3）计算屋面积雪分布系数。

式（3）中，l代表跨度，单位为m；f代表矢高，单位为m。

10 m跨度的水稻育秧大棚60°坡度角在8.4 m跨度范围内，根据式（3）计算雪荷载均匀分布情况下屋面积雪分布系数μr=0.4。均匀分布情况下的雪荷载：

当单跨拱形屋面雪荷载不均匀分布情况时，利用式（4）计算屋面积雪分布系数。

式（4）中：l代表跨度，单位为m；f代表矢高，单位为m。

考虑到极端天气下雪荷载过大经常会压垮大棚的情况，适当放大雪荷载，根据公式（4）计算雪荷载在不均匀分布情况下屋面积雪分布系数μr，m，取μr，m=2。计算不均匀分布情况下的雪荷载：

左半跨雪荷载：Sk=0.50×2.00×0.66/1 m=0.66 kN/m；

右半跨雪荷载：Sk=2.00×0.66/1 m =1.32 kN/m。

其中，雪荷载不均匀分布的荷载值远大于均匀分布的雪荷载，受力分析按不均匀雪荷载计算。

1.2.4 作物荷载作物荷载包括吊挂在温室结构上的作物、栽培容器及容器内基质等的重量，其中特殊种植的作物荷载应按实际情况计算[23-25]。吊挂木耳菌包属于特殊种植的作物荷载。考虑到吊挂可能发生的实际情况，木耳菌包吊挂形式分为全跨吊挂和半跨吊挂。为了让计算结果具有代表性和借鉴意义，按全高度挂满菌包计算荷载。

木耳菌包的荷载即为自重，单个木耳菌包最大湿重1.4 kg，木耳菌包为圆柱形，底直径15 cm，高33 cm，根据生产栽培需求，吊挂菌包每串间距50 cm，吊挂最低点要离地高大于30 cm。每根绳上的木耳菌包的数量如图2所示。

图2 木耳菌包吊挂形式和数量

2 结果与分析

2.1 荷载作用时骨架使用阶段的安全性分析

在实际使用过程中，大棚可能常遇到单独刮风、下雪的情况；二次利用后，多数是吊挂荷载单独存在的情况。因此需要计算单一荷载作用下大棚骨架的应力与变形，判断各项荷载单独作用时骨架使用阶段的安全性。

根据相关标准要求，按一阶弹性计算分析使用阶段的桁架拱塑料大棚骨架的应力和变形，得到桁架拱塑料大棚骨架使用阶段安全性要求。

（1）应力：大棚骨架应力小于材料的屈服强度。上弦应力小于235 MPa，下弦及腹杆应力小于335MPa。

（2）变形：竖向位移变形小于挠度容许值。永久和可变荷载标准值共同产生的挠度容许值[lT]=10 000/400=25 mm。水平方向位移小于水平位移容许值。在风荷载标准值作用下，柱顶水平位移容许值[h]=3 600/150=24 mm。

2.2 应力与变形模拟

水稻育秧大棚桁架骨架间距为1 m，选取其中一榀为研究对象，综合水稻育秧大棚骨架荷载数据进行结构荷载分析，其计算单元具有代表性与可复制性。

利用ABAQUS软件对水稻育秧大棚骨架进行力学分析，并模拟出各种荷载情况下各个杆件的应力与形变。以一榀大棚骨架为例，大棚的上弦、下弦、腹杆均采用三维线性梁单元（B31）模拟，上弦截面为空心钢管，下弦和腹杆截面为钢筋[11]。仅分析使用阶段大棚的受力情况分析，根据相关标准要求，按一阶弹性计算分析使用阶段的桁架拱水稻育秧大棚骨架的应力和变形。

在大棚骨架上弦加载模拟风荷载、风荷载作用情况，在大棚骨架下弦加载模拟全跨吊挂荷载、半跨吊挂荷载的受力情况，不同荷载位置及约束布置如图3所示。

图3 不同荷载位置及约束布置

2.3 不同荷载作用下的应力与变形计算

风荷载、雪荷载、全跨吊挂荷载、半跨吊挂荷载作用下各单元杆件的应力如图4所示。

图4 不同荷载作用下单元杆件的应力

雪荷载、全跨吊挂荷载、半跨吊挂荷载作用下各单元杆件的竖向位移如图5所示。

2.4 综合分析

从风荷载应力云图可以看出，大棚骨架下弦区域最大应力为263.9 MPa，此时等效塑性应变等于0，说明桁架拱塑料大棚下弦未屈服。通过ABAQUS自带的查询工具，此时水平方向位移为15.99 mm，小于矢高的1/150，满足安全要求。

从雪荷载应力云图可以看出，大棚骨架下弦区域最大应力为335 MPa，此时等效塑性应变大于0，说明桁架拱大棚下弦达到屈服状态，此时大棚骨架最大竖向位移为48.32 mm，大于跨度的1/400，不满足安全要求。

从全跨吊挂荷载应力云图可以看出，大棚骨架下弦区域最大应力为335 MPa，此时等效塑性应变大于0，说明大棚骨架下弦屈服，此时大棚骨架最大竖向位移为19.73 mm，大于跨度的1/400，不满足安全要求。

从半跨吊挂荷载应力云图可以看出，大棚骨架下弦区域最大应力为335 MPa，此时等效塑性应变大于0，竖向位移为36.04 mm，大于跨度的1/400，不满足安全要求。

总结不同荷载作用下单元杆件的应力云图和位移云图可以发现，应力屈服和位移超过限值的位置是在跨中、1/4 跨、3/4 跨处，说明大棚骨架常见的薄弱破坏位置是在跨中、1/4跨、3/4跨处。

3 结论与讨论

根据新版规范计算水稻育秧大棚吊挂栽培二次利用时所受的风荷载、雪荷载、作物荷载。在大棚实际使用过程中，可能常遇到单独刮风、下雪的情况，二次利用也是单独使用的情况。因此需要计算单一荷载作用下大棚骨架的应力与变形，判断各项荷载单独作用时骨架使用阶段的安全性。

利用有限元ABAQUS软件对水稻育秧大棚骨架单一荷载作用下大棚骨架使用阶段的应力分布与变形值进行了分析，发现风荷载、雪荷载两种形式的吊挂荷载单独作用时会发生应力屈服或变形均超过限值的情况，结构不能安全使用。

根据受力分析结果发现薄弱位置为跨中、1/4跨、3/4跨处，后续可以分别对薄弱位置进行加固，加固的方式应不影响棚内使用空间，可以在下弦焊接钢筋增大下弦截面积以满足截面要求。