可移動式防雨棚設計與分析

郭愛東++付道鵬

摘要 可移動防雨棚是農業科研試驗中常用的田間試驗設施，由可移動鋼結構骨架、彩鋼板（陽光板）覆蓋、鋼軌道、電機、鋼筋混凝土條形基礎、試驗用防滲混凝土測坑等構件組成。隨著科學家對農作物研究領域的不斷擴大，采集農作物環境基礎數據要求越來越嚴格，可移動防雨棚越來越廣泛地出現在農業建筑工程設計中。近幾年因對移動防雨棚設計了解不夠，出現了很多設計上的問題，例如上部荷載過重造成移動困難，甚至一場雪就造成倒塌。因此，作為農業建筑工程設計人員對移動防雨棚結構的研究越來越重要。該文介紹可移動式防雨棚的工程概況、結構特點、結構布置、結構計算等方面內容，以供參考。

關鍵詞 可移動式防雨棚；設計；結構特點；結構布置

中圖分類號 S62 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）12-0198-02

農作物對水的需求規律與需水量是區域水資源配置、農作物高效用水灌溉的基本參數。為準確獲取農作物需水規律和需水量資料，按《灌溉試驗規范》要求，試驗研究要求在上隔絕天然降雨的影響、下隔絕地下水影響的蒸滲儀群組（即測坑群）中進行，通過農作物不同生育階段設計不同水分處理，定期觀測研究農作物需水規律，并確定農作物的需水量。蒸滲儀群組是帶有觀測廊道的有底測坑，起到隔絕地下水的向上補給的作用[1]；而隔絕天然降水影響，必須設計防天然降水影響的防雨棚，降雨時通過降雨感應傳感器自動（或人工）控制關閉防雨棚，以防止降水落入試驗區農作物的測坑之內，雨停后自動（或人工）控制移動防雨棚至測坑群5 m遠之外的地方，以保證陽光對農作物的自然作用。因此，出現了可移動式防雨棚，也稱旱棚，如圖1所示。

1 工程概況

新建可移動防雨棚建設場地位于內蒙古自治區呼和浩特市沙爾沁牧草資源重點野外科學觀測試驗站，為半自動可移動防雨棚，其結構計算模型如圖2所示。跨度為15.0 m，總長度為60 m；防雨棚建筑面積900 m2。室內道路標高 ±0.000，種植地面標高-0.200，室外標高-0.200，建筑總高度5.8 m。

主要承重結構為輕鋼桁架結構，覆蓋材料采用弧形彩色壓型鋼板。承重結構桁架結構，其中±0.000以下為鋼筋混凝土條形基礎，基礎埋深為-1.80 m。±0.000以上為拱型鋼桁架結構[2]。

桁架為拱型結構，分為外拱和內拱，拱的上下弦高度均為800 mm，其中外拱平面跨度16 200 mm，外徑為12 859 mm，內徑為14 321 mm；內拱平面跨度15 000 mm，外徑為14 003 mm，內徑為18 229 mm；桁架所有材料均采用鋼管63.0 mm×3.000，主結構鋼柱、鋼桁架材料為Q235B鋼。拱桿為鋼管焊接式結構，布置間距3.0 m，上下兩端焊裝在基礎的預埋工字型鋼軌上，并用3～4道縱向聯系桿件連接，形成一體式空間結構。

2 結構特點

可移動防雨棚地下基礎部分常見的多為鋼筋混凝土條形基礎，基礎頂面預埋“工”字型鋼軌道，防雨棚基礎平面如圖3所示；軌道上面焊接輕鋼結構骨架防雨棚基礎連接節點如圖4所示；鋼骨架上鋪設鋼檁條，外覆蓋彩鋼板，每側分為外、內側2個軌道，外側的鋼結構防雨棚比內側的防雨棚略高大一些，一般情況下內側防雨棚可以收回到外側防雨棚下面，當科學試驗需要干旱環境時，通過電機將防雨棚移動到試驗田上防止雨水降落到植物上[3]。為了減少用鋼量同時便于整體結構的移動，承重結構設計為輕型桁架結構，如圖5、6所示。

3 結構布置

3.1 屋面支撐布置

屋面支撐的作用主要有：保證結構的空間整體作用；避免壓桿側向失穩，防止拉桿產生過大的振動；承擔和傳遞水平荷載；保證結構安裝時的穩定和方便[4]。

防雨棚內外結構的橫向抗側體系均采用鋼桁架結構，根據《建筑抗震設計規范》第9.2.12條屋蓋上弦橫向支撐在防雨棚兩端開間各設置一道，屋面縱向在跨中通長設置垂直支撐一道；兩側鋼柱頂面通長設置縱向聯系桿。外拱結構屋架上弦支撐平面布置如圖7所示。

下弦橫向水平支撐在防雨棚兩端開間各設置一道，屋面縱向在跨中通長設置垂直支撐一道，每個水平支撐處均沿開間通長設置縱向聯系桿件一道[5]，具體如圖8所示。

3.2 柱間支撐

合理布置柱間支撐體系可有效優化主要承重構件內力分布情況，改善整體剛度分布，加強結構薄弱環節，使結構整體共同抵御水平荷載，提高結構或構件的穩定性。

為了保證防雨棚結構的整體空間工作，共同承擔及傳遞水平力，包括風荷載、溫度作用及地震作用等，防止因防雨棚移動使桿件產生過大的振動，導致壓桿的側向失穩，在結構兩端開間屋面水平支撐相對應處設置柱間支撐。柱間支撐的布置應盡可能與屋面橫向水平支撐布置相協調，并形成上下整體共同工作的空間桁架體系。柱間支撐布置如圖9所示。

3.3 屋面檁條布置

屋面檁條的設置主要是為了屋面鋼板的跨度過大會造成撓度很大而設置的。屋面沿弧長間距1 m布置檁條。

4 結構計算

4.1 荷載取值

4.1.1 地震荷載。依據《建筑抗震設計規范（GB50011-2010）》，本工程抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2 g，地震分組為第1組；建筑場地類別為Ⅱ類。

4.1.2 恒載。屋面恒荷載為0.30 kN/m2，屋面采用連續C型檁條支撐，單層屋面輕型彩鋼板，計算屋面檁條后，取0.5 kN/m2。

4.1.3 活荷載。根據《鋼結構設計規范》3.2.1條和《門式剛架輕型房屋鋼結構設計規程》3.2.2條的規定，活荷載可以取0.3 kN/m2；基本風荷載為0.55 kN/m2，按20年一遇設計，風荷載取值為0.40 kN/m2；基本雪荷載為0.40 kN/m2，按20年一遇設計，雪荷載取值為0.30 kN/m2。endprint

4.2 計算模型

防雨棚經過結構布置后，簡化為平面桁架結構形式，各桿的軸線在同一平面內，節點均為鉸結，所有外荷載作用在桁架平面內，并集中作用于節點上[1]。設計施工應使節點間距等分一致，盡量將外荷載作用于桁架節點上，避免作用在節間桿件上、下弦的內力形成壓彎或拉彎構件。桁架與鋼柱鉸連接，鋼柱與鋼軌上的滑軌剛接。結構計算模型如圖10所示。

4.3 計算軟件

利用平面結構計算軟件對結構進行分析計算。本項目采用PKPM系列中的鋼結構桁架設計程序[5-6]。

4.4 計算結果

鋼桁架高度0.8 m，上、下弦選用鋼管Φ63 mm×3 mm，腹桿鋼管Φ32 mm×3 mm，利用PKPM計算結果滿足強度要求，計算結構如圖11所示。

5 結論分析

可移動防雨棚主要用于農業科研試驗設施中，建設面積小，投資少，目前設計施工主要參考國家民用建筑規范，存在安全隱患，同時造成投資不必要的浪費。

目前的PKPM計算桁架式防雨棚只有平面簡化計算，暫時不能用三維計算模型進行計算，對于空間協調的作用只能簡化計算。

可移動防雨棚需要通信專業、機械專業和結構專業互相配合，以保證防雨棚在溫度傳感器的作用下準確地在設定的軌道上運動，以實現下雨時開啟移動模式用來遮雨；天晴時自動移動收到試驗田以外的地方。目前的防雨棚多數都是半自動的，要實現全自動的模式，還需要相關設計人員在技術上不斷改進。

可移動防雨棚在柱腳的設計上要求柱腳要和鋼軌一起運動，要考慮水平力對鋼柱的影響，設計柱腳為剛性鉸。相對于一般排架結構柱這里的柱腳要加強構造加勁肋鋼板，以保證有足夠的剛度抵抗水平運動力。

6 參考文獻

[1] 中國建筑金屬結構協會建筑鋼結構委員會，中國建筑標準設計研究所.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程：CECS102：2002[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范：GB50011-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑結構荷載規范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4] 中華人民共和國建設部.鋼結構設計規范：GB50017-2003[S].北京：[出版者不祥]，2003.

[5] 柴昶.鋼結構設計與計算[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6] 谷邛英.北京站無站臺柱雨棚主桁架設計研究[J].鐵道工程學報，2006（9）：77-81.endprint