高 溫高濕 、 臺風(fēng) 、 暴雨等問題是制約海南本地蔬菜夏秋淡季生產(chǎn)的主要因素 ， 因此設(shè)施栽培成為保證周年蔬菜供應(yīng)的主要生產(chǎn)方式和手段 。 近年海南省設(shè)施栽培快速發(fā)展 ， 但缺乏較為系統(tǒng)的研究 ，除管理方面的原因外 ， 最大的問題就是缺乏針對海南地區(qū)夏秋極端氣候特點的規(guī)范化專用大棚類型 ，使得現(xiàn)有常年蔬菜大棚設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在海南夏秋蔬菜生產(chǎn)的適應(yīng)性欠佳 ， 存在夏秋季熱害 、 抗風(fēng)能力差等問題 ， 阻礙了蔬菜大棚的進(jìn)一步發(fā)展 。 基于海南的氣候和蔬菜種植特點 ， 本文設(shè)計的夏秋新型抗臺風(fēng)蔬菜大棚具備以下 5 個特點 ： (1) 經(jīng)濟(jì)實用 、 后期維護(hù)操作簡便 ； (2) 骨架設(shè)計抗風(fēng)級別可達(dá) 12 級 ； (3)棚內(nèi)自然通風(fēng)良好 、 溫度適宜 ； (4) 屋頂防雨或能夠緩沖暴雨沖刷 ； (5) 基礎(chǔ)設(shè)計既能抗臺風(fēng) ， 又不破壞耕地 。 該單拱大棚在 2016 年 10 月份的臺風(fēng) “莎莉嘉 ”中經(jīng)受住考驗 ， 臺風(fēng)過后能夠保持正常生產(chǎn) 。1 單棟中跨度塑料拱棚的設(shè)計單棟中跨度塑料拱棚如圖 1 所示 。 拱棚頂高 2.5m ，跨度 5.0 m ， 采用熱鍍鋅鋼管作為其結(jié)構(gòu)的主要構(gòu) 基金項目 ： 海南省自然科學(xué)基金項目資助 (No. 20153058) 。收稿日期 ： 2016-12-21 責(zé)任編輯 / 黃 艷 E-mail ： rngcrngc3gmail.com 。 劉 建 (1982-) ， 男 ， 副教授 ； 研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)工程結(jié)構(gòu)與規(guī)劃 、 設(shè)計研究 。 通訊作者 。2 017 年 1 月TROPICAL AGRICULTURAL ENGINEERING Vol41, No1熱 帶 農(nóng) 業(yè) 工 程第 41 卷第 1 期Feb 2017海南夏秋新型抗臺風(fēng)蔬菜生產(chǎn)大棚設(shè)計單棟中跨度塑料拱棚劉 建龐真真(海南大學(xué)園藝學(xué)院 海南?？?570228)摘 要 根據(jù)海南夏秋蔬菜生產(chǎn)高溫 、 高濕及臺風(fēng)多發(fā)的熱帶氣候條件 ， 通過結(jié)構(gòu)尺寸 、 力學(xué)分析 、 材料等研究 ， 設(shè)計出一種新型的抗臺風(fēng)單棟中跨度塑料拱棚 。 通過構(gòu)件和基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計 ， 顯著的提高了該拱棚的穩(wěn)定性 ，具有抗側(cè)傾 、 抗拔起的抗風(fēng)能力 ， 且具有防暴雨 、 自然通風(fēng)良好 、 空間較大 、 造價相對較低的優(yōu)點 ， 適合海南地區(qū)夏秋 ( 常年 ) 蔬菜生產(chǎn) 。關(guān)鍵詞 抗臺風(fēng)大棚 ； 單棟拱棚 ； 夏秋蔬菜大棚中圖分類號 S625.5Design of a New Anti-typhoon Greenhouse for Hainan Vegetable Production in Summerand AutumnSingle and Medium Span Plastic ShedLIU 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 Hainanwith the high temperature, high humidity and frequent typhoon during summer and autumn. The single andmedium 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 andfoundation. 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 autumnvegetable production (or annual) in Hainan.Key words anti typhoon greenhouse ； single span plastic shed ； summer and autumn vegetable greenhouse21- -2 017 年 1 月 第 41 卷第 1 期熱帶農(nóng)業(yè)工程件 ； 在 2 個端部山墻面分別設(shè)置 2 根熱鍍鋅鋼管立柱 ， 同時在長度方向每間距 4.2 m 、 在柱腳位置兩側(cè)各設(shè)置 1 條鋼筋混凝土樁 ， 用以增加主體結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)中的穩(wěn)定性 ； 端部兩側(cè)沿著拱屋面設(shè)置縱向支撐桿 ； 拱屋面肩部以下覆蓋防蟲網(wǎng) ， 形成通風(fēng)口 ；肩部以上覆蓋薄膜 ， 并在薄膜外層覆蓋 50 % 的遮陽網(wǎng) ， 遮陽網(wǎng)外部設(shè)置壓膜線 。1.1 設(shè)計參數(shù)恒荷載 ： 0.05 kN/m2( 含鋼骨架自重 ) ；活荷載 ： 0.1 kN/m2( 本大棚針對海南常年蔬菜生產(chǎn) ，以葉菜為生產(chǎn)對象 ， 不考慮作物吊重 ) ；風(fēng)荷載 ： 0.75 kN/m2， ?？诘貐^(qū) 50 年一遇 ， 相當(dāng)于 12 級風(fēng)中間風(fēng)速 。1.2 幾何尺寸拱棚跨度 5.0 m ， 矢高 2.5 m ， 拱間距 0.7 m ， 長度可根據(jù)實際地形情況確定 ， 但需滿足每 6 個拱 ( 即4.2 m) 設(shè)置一個主拱 ( 圖 2) ；拱棚之間預(yù)留 0.6-0.8 m 寬的間距作為操作通道及排水溝 ；棚內(nèi)設(shè)置 3 個栽培壟 ， 壟間設(shè)置 0.3m 深排水溝 ， 兼作操作走道 。 棚內(nèi)走道處實際操作高度可達(dá)到 2.25m 以上 ， 基本滿足小型園藝機(jī)械正常操作的需求 ；棚型曲線是半徑 2.5m 的半圓拱 。圖 1 單棟中跨度塑料拱棚示意圖40 ×2 mm拱桿50 ×2.2 mm縱向系桿32 ×1.5 mm推拉門吊軌25 ×1.5 mm2.5m0.5m5.0 m門立柱32 ×1.5 mm基礎(chǔ)圈梁0.3 m ×0.15 m(h)加固水泥樁0.1 m ×0.1 m ×0.9 m上層 50 % 遮陽網(wǎng)覆蓋下層 0.08 mm 薄膜覆蓋薄膜邊預(yù)留 0.15 m 寬1.2 mm 方形卡槽40 目防蟲網(wǎng)覆蓋屋面斜撐桿32 ×1.5 mm0.7 m ×6=4.2 m加固縱向系桿圖 2 單棟中跨度塑料拱棚平面示意圖 /mm增設(shè)加固水泥樁700 ×6=4 200150150150150150150700 ×6=4 2005000150015002000四周圈梁h=150 ， 2- 6主拱基礎(chǔ) ， 余同副拱基礎(chǔ) ， 余同22- -劉 建 等 海南夏秋新型抗臺風(fēng)蔬菜生產(chǎn)大棚設(shè)計 - 單棟中跨度塑料拱棚1.3 力學(xué)分析計算1.3.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)值分析計算恒荷載 q1、 活荷載 q2、 風(fēng)荷載 q3分別計算如下 ：(1) 恒荷載 q1： 0.05 kN/m2；(2) 活荷載 q2： 0.05 kN/m2；(3) 風(fēng)荷載 q3： 根據(jù)拱棚外覆蓋的形式 ( 按四周開敞式 ) ， 拱屋面薄膜覆蓋部分荷載體形系數(shù)按 3 段考慮 ： 迎風(fēng)面 us1=1.0 、 背風(fēng) 面 us2=-0.6 、 屋頂面us3=-1.01； 風(fēng)壓高度變化系數(shù) uz=1.0 ； 基本風(fēng)壓 w0按前述風(fēng)荷載值取 0.75 kN/m2。 則迎風(fēng)面 ( q31) 、 背風(fēng)面 ( q32) 與屋頂面 ( q33) 的風(fēng)荷載計算如下 ：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) ?？紤] 2 種不利組合 ： 恒載 + 風(fēng)荷載與恒載 + 活荷載 + 風(fēng)荷載 。 風(fēng)荷載為主導(dǎo)荷載 ， 由可變荷載控制效應(yīng)設(shè)計值的計算公式 Sd=mj = 1GjSGjk+Q1L1SQ1k+ni = 1QiLiciSQik2及相關(guān)的計算方法計算荷載設(shè)計值 。公式中 SGjk、SQ1k、 SQik分別對應(yīng)恒荷載 q1、 風(fēng)荷載 q3與活荷載 q2， m=1 ， n=2 。計算時 ， 恒荷載對結(jié)構(gòu)有利 ， 分項系數(shù)Gj取值為 1 ； 風(fēng)荷載和活荷載的分項系數(shù)Q1、Qi取值為 1.4 ； 風(fēng)荷載與活荷載的設(shè)計使用年限調(diào)整系數(shù)L1、Li取值為 1.0 ； 可變荷載的組合值系數(shù) ci取值為 0.7 ； 開間 L=0.7 m ( 拱桿間距 ) 。 計算各荷載設(shè)計值如下 ( 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 取值為 0.95) ：(1) 恒荷載設(shè)計值 Q1：Q1= Lmj = 1GjSGjk=0.95 ×0.7 ×1.0 ×q1=0.033 25(kN/m)(2) 活荷載設(shè)計值 Q2：Q2=Lni = 2QiLiciSQik=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1.0 ×0.7 ×q2=0.03259(kN/m)(3) 風(fēng)荷載設(shè)計值 Q3( 迎風(fēng)面 Q31、 背風(fēng)面 Q32、 屋頂面 Q33) ：Q31= LQ1L1SQ1k=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1 ×q31=0.698 25(kN/m) ；Q32= LQ1L1SQ1k=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1 ×q32=-0.418 95(kN/m) ；Q33= LQ1L1SQ1k=0.95 ×0.7 ×1.4 ×1 ×q33=-0.698 25(kN/m) 。1.3.2 材料強度設(shè)計采用結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行計算 ， 計算模型如圖 3所示 ， 兩端柱腳與基礎(chǔ)連接為固定鉸支座 ( 鉸接 ) 。通過計算 ， 在不同荷載組合作用下 ， 最大內(nèi)力對應(yīng)的構(gòu)件為構(gòu)件 3 與構(gòu)件 4 ， 彎矩 ( Mx) 和軸力 ( N) 分別為 ： Mx=-0.88 kN/m ， N=0.32 kN 。 拱 桿 試 算 選 用50 ×2.2 mm 的熱鍍鋅圓管 ( Q235 冷彎薄壁型鋼 ， 強度設(shè)計值 f 為 205 N/mm2) ， 則拱桿應(yīng)力 ( ) 值計算如下 ：=NAen±MxxWnx=0.32 ×1033.3 ×102+0.88 ×1061.15 ×3.78 ×103=0.96+202.44=203.4(N/mm2) f=205(N/mm2) ， 滿足強度條件 。式中 ： Aen拱桿的有效凈截面 ；x截面塑性發(fā)展系數(shù) ， 圓管取 1.15 ； Wnx凈截面模量 。1.4 材料參數(shù)(1) 基礎(chǔ) ： 基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ) ； 條形基礎(chǔ)寬0.30 m ， 深 0.5 m ， 下部 0.15 m 高范圍內(nèi)采用 C20 混凝土現(xiàn)澆 、 配 6 mm 的 HRB400 鋼筋 2 條 ( 圈梁 ) ， 上部采用原土回填夯實 ， 如圖 4 所示 。(2) 加固水泥樁 ： C20 混凝土預(yù)制 ； 水泥樁長度為 0.9 m ， 截面為 0.1 m ×0.1 m ， 配 8 mm 的 HRB400鋼筋 2 條 ； 水泥樁端部居中預(yù)留半徑為 50 mm 的半凹槽 ， 如圖 5 所示 。(3) 主體鋼骨架 ： 拱桿采用 50 ×2.2 mm 的熱鍍鋅圓管 ； 沿著拱棚脊部 、 兩側(cè)肩部各設(shè)置 1 條縱向系桿 ， 共計 3 條 ， 采用 32 ×1.5 mm 的熱鍍鋅圓管 ； 兩側(cè)加固水泥樁頂部各設(shè)置 1 條加固縱向系桿 ，共計 2 條 ， 采用 40 ×2 mm 的熱鍍鋅圓管 ； 端部屋面設(shè)置屋面斜撐 ， 采用 32 ×1.5 mm 的熱鍍鋅圓管 ； 主拱位置的拱桿和縱向系桿采用十字卡件 (U 型螺栓 ) 連接 ， 副拱位置的拱桿和系桿采用熱鍍鋅十23- -2 017 年 1 月 第 41 卷第 1 期熱帶農(nóng)業(yè)工程圖 6 壓膜帶安裝節(jié)點圖 /mm壓膜帶下部卡槽鍍鋅吊環(huán)螺栓 M103535拱桿與拱桿焊接牢固自然地面圖 3 拱棚結(jié)構(gòu)計算模型圖 /mm( 桿件編號 ， 余同 )8525039751860314750025005 0001357911131424681012水泥樁支撐 水泥樁支撐字卡簧連接 。(4) 覆蓋材料 ： 頂部薄膜為 0.08 mm 薄膜 ， 薄膜外層覆蓋遮陽率為 50 %-60 % 的遮陽網(wǎng) ， 并采用壓膜帶壓緊 ， 壓膜帶固定于柱腳吊環(huán)上 ( 圖 6) ； 兩端山墻面及兩側(cè)覆蓋 40 目防蟲網(wǎng) ， 形成自然通風(fēng)口 ； 在柱腳和肩部設(shè)置 1.2 mm 厚熱鍍鋅方卡槽 ( 可雙卡 ) ，卡簧采用 2 mm 浸塑卡簧 。圖 4 基礎(chǔ)安裝節(jié)點圖 /mm350拱桿原土夯實回填C20 混凝土2- 6300 長 8 鋼筋與管焊牢150 15011040150圖 5 水泥樁安裝節(jié)點圖 /mm300 長8 鋼筋十字卡簧 ， 3熱鍍鋅拱桿預(yù)制水泥樁St5.5 ×20 自攻釘 ， 余同8#(4 mm) 熱鍍鋅鐵絲雙股扎緊 ， 接口在內(nèi)側(cè)原土回填夯實5010050035050與管焊牢15015040150350R502- 6C20 混凝土 ( 圈梁 )24- -劉 建 等 海南夏秋新型抗臺風(fēng)蔬菜生產(chǎn)大棚設(shè)計 - 單棟中跨度塑料拱棚2 單棟中跨度塑料拱棚的材料清單本計算實例所采用拱棚的單體長度為 42 m ， 跨度5m ， 計算面積為 42m ×5m=210m2。 計算結(jié)果如表 1 所示 ：表 1 拱棚的材料清單表序號 名稱 規(guī)格 單位 數(shù)量1 0.9 m 預(yù)制水泥樁 0.1 m ×0.1 m ×0.9 m 根 22.002 挖基礎(chǔ)土方 開挖截面 0.3 m ×0.5 m m314.103 基礎(chǔ)現(xiàn)澆混凝土 C20 m36.584 基礎(chǔ)回填土方 原土回填 m37.525 基礎(chǔ)鋼筋 6 mm HRB400 鋼筋 kg 127.916 拱桿 50 ×2.2 mm ×8.8 m 根 61.007 水泥柱頂縱梁 40 ×2 mm m 84.008 拱面縱拉桿 32 ×1.5 mm m 126.009 門柱 32 ×1.5 mm m 9.2010 山墻橫梁 25 ×1.5 mm m 6.0011 屋面撐桿 32 ×1.5 mm m 28.8012 卡槽 1.2 mm 方卡槽 m 196.0013 卡簧 涂塑 m 280.0014 十字卡件 32 ×50 mm 個 33.0015 十字卡件 40 ×50 mm 個 22.0016 十字卡簧 3 ， 32 ×50 mm 個 150.0017 十字卡簧 3 ， 40 ×50 mm 個 100.0018 環(huán)形抱箍 42 ×3 mm 個 16.0019 鍍鋅鐵絲 4 mm m 44.0020 防蟲網(wǎng) 40 目 ， 幅寬 2 m m2205.0021 薄膜 0.08 mm ， 幅寬 6 m m2255.0022 遮陽網(wǎng) 60 % ， 幅寬 6 m m2255.0023 門 ( 含導(dǎo)軌 ) 2 m ×2 m m24.0024 壓膜帶 白色 m 340.0025 吊環(huán)螺栓 M10 個 42.003 討論(1) 針對輕鋼結(jié)構(gòu)重量輕 ， 不利于抵抗臺風(fēng)的特點 ， 采用條形基礎(chǔ) ( 圈梁 ) ， 顯著提高拱棚的穩(wěn)定性和抗拔起的能力 ； 部分增加了加強水泥樁 ， 拱棚抗側(cè)傾的能力也得到提升 。(2) 條形基礎(chǔ) ( 圈梁 ) 僅在下部 15 cm 處進(jìn)行混凝土澆筑 ， 上部 35 cm 采用原土回填 ， 不影響耕作 ，對種植地的影響較小 ； 預(yù)制的水泥樁易清理 。(3) 拱棚下部四周形成良好的自然通風(fēng) ， 加上頂部遮陽網(wǎng)的遮陽作用 ， 能較大降低棚內(nèi)尤其是種植區(qū)的環(huán)境溫度 。(4) 頂部薄膜能夠阻擋暴雨對蔬菜的襲擊 ， 肩部防蟲網(wǎng)能緩沖暴雨的沖擊力 ， 能夠保證臺風(fēng)暴雨季節(jié)的正常使用 ， 實現(xiàn)海南地區(qū)蔬菜周年生產(chǎn) 。(5) 室內(nèi)空間開敞 ， 適合小型園藝機(jī)械操作 。參考文獻(xiàn)1 賈永新 ， 張勇 ， 李斌 . 開敞式拱形波紋鋼屋蓋的風(fēng)壓分布及體型系數(shù)研究 J. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報 ， 2010(S2) ：159-164.2 中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 . GB 50009-2001 ，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 S. 中國建筑工業(yè)出版社 ， 2012.25- -