棚頂可開合塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析*

胡光艷 ， 曾憲任 ， 王海平

（1.九江學(xué)院，江西 九江 332005；2.江西省九面旗生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

國家高度重視“菜籃子”工程，為有效保障市場農(nóng)產(chǎn)品的供給，陸續(xù)出臺了多項(xiàng)政策和措施。但是，我國農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)占絕對主體地位、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低等情況，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)生產(chǎn)勞動力不足，年輕勞動力外流嚴(yán)重，極大地影響了集約化生產(chǎn)和規(guī)?；?jīng)營，同時對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大沖擊。因此，為解決農(nóng)業(yè)農(nóng)村專業(yè)化經(jīng)營不足和勞動力緊缺的問題，加大對設(shè)施農(nóng)業(yè)的扶持力度、加強(qiáng)對新型智能溫室技術(shù)的推廣具有重要意義，同時也是維持農(nóng)業(yè)高水平發(fā)展、助推鄉(xiāng)村振興的時代需要。

縱觀市面上的大棚，普通塑料大棚功能僅以保溫為主，薄膜固定在支架上，拆裝不易，且通風(fēng)極為不便。即便是智能溫室配套設(shè)施完善，采取一系列的補(bǔ)光、保溫、遮陽等措施，大部分也只能在大棚側(cè)面采用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方式，通風(fēng)、降溫、除濕以及及時排除有害氣體等功能受限。夏季如何最大限度地實(shí)現(xiàn)塑料大棚的通風(fēng)、降溫一直是一個難題，若采取智能溫室的措施，如濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)等會增加運(yùn)行能耗，增加使用成本，不符合大眾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求[1]，在實(shí)踐中難以推廣。

目前，關(guān)于溫室結(jié)構(gòu)的研究，國內(nèi)側(cè)重于對主體骨架結(jié)構(gòu)的分析，多是應(yīng)用有限元分析工具對不同氣候地區(qū)的溫室結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析與優(yōu)化，以及對設(shè)計荷載的規(guī)范取值的研究等[2]。張連永等[3]根據(jù)GB/T 18622—2002《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載》，針對我國華東地區(qū)連棟溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計中的風(fēng)荷載定義方法、計算取值、荷載組合等進(jìn)行了探討和分析。樊琦等[4]應(yīng)用計算流體力學(xué)建立了華東型連棟塑料溫室模型，對兩種常見的頂窗開啟方式的溫室及其自然通風(fēng)速度進(jìn)行了比較。國內(nèi)關(guān)于大棚頂部通風(fēng)結(jié)構(gòu)的專利也有很多，但是總體來說，在溫室頂部開窗的方式通風(fēng)面積較小，通風(fēng)降溫的效果有限。存在一些頂部卷膜通風(fēng)的結(jié)構(gòu)[5]設(shè)計，但這類卷膜系統(tǒng)只適用于小跨度的簡易溫室，在大型連棟溫室中難以實(shí)現(xiàn)精確控制和自動控制。

鑒于此，課題組設(shè)計了一種棚頂可完全開合的塑料大棚，可以根據(jù)需要及時調(diào)整頂棚的敞開面積，達(dá)到改善光照、及時降溫、充分通風(fēng)、快速除濕的效果，同時還降低了造價成本和維護(hù)成本，節(jié)約了能源。

1 棚頂可開合塑料大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 大棚主體結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)

系統(tǒng)主要組成包括溫室主體結(jié)構(gòu)、屋頂可開合系統(tǒng)（移動結(jié)構(gòu)）、立面覆蓋、遮陽（保溫）系統(tǒng)、電氣及控制系統(tǒng)等[6]。課題組主要對主體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了說明，重點(diǎn)圍繞屋面可開合系統(tǒng)進(jìn)行分析。

大棚頂部為可開合結(jié)構(gòu)，多條并列的鋼絲繩及其上覆蓋的薄膜組成鋸齒形的屋頂，可以實(shí)現(xiàn)如折扇狀的展開和折疊，完成棚頂?shù)拈_合動作。其主體結(jié)構(gòu)部分已申請專利，并獲得授權(quán)[7]。以單跨為例，東西為30 m×2=60 m；南北為6 m每開間，可擴(kuò)展。兩邊對稱傾斜布置，中間高，兩端低，中間脊高5 m，兩端高3.5 m，如圖1所示。如果場地面積受限，也可以僅搭建半跨（單坡），如圖2所示。大棚斜坡造型和棚頂V型槽的結(jié)構(gòu)，可以很好地解決排雨量的問題。大棚四壁立面部分均采用較厚的薄膜覆蓋，也可以因勢利導(dǎo)應(yīng)用既有的墻面。本課題以單坡模型為例，進(jìn)行分析與仿真。

圖1 封閉雙坡簡化模型圖

圖2 封閉單坡簡化模型圖

電氣及控制系統(tǒng)主要包括電機(jī)對移動機(jī)構(gòu)的牽引和控制，根據(jù)溫室內(nèi)的實(shí)時溫度和濕度等指標(biāo)，及時啟動電機(jī)并帶動移動機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上運(yùn)行，到達(dá)合適位置后停止，并通過實(shí)時的對比分析來確定是否需要變動，根據(jù)變動區(qū)域大小以及持續(xù)時間予以執(zhí)行。

1.2 可開合棚頂設(shè)計

可開合大棚棚頂?shù)闹饕Y(jié)構(gòu)包括立柱、導(dǎo)軌、活動支架、鋼絲繩以及薄膜，如圖3所示。鋼絲繩兩端固定在支架上，兩支架由電機(jī)牽引在導(dǎo)軌上同步滑動，鋼絲繩隨著支架一起移動和偏轉(zhuǎn)，覆蓋在鋼絲繩上的薄膜即疊起或展開。

圖3 可開合棚頂結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 基礎(chǔ)與骨架設(shè)計

大棚的主體為鋼結(jié)構(gòu)，骨架采用國產(chǎn)熱鍍鋅鋼管。立柱頂部支撐三角桁架，導(dǎo)軌也是桁架的一部分，桁架各組成桿均采用可拆卸螺紋連接，方便安裝維護(hù)及擴(kuò)展。

2 棚頂可開合塑料大棚結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型的建立

使用SolidWorks建立大棚的三維模型，采用Q235鋼材模擬熱鍍鋅鋼管材料特性。將覆蓋在棚頂?shù)谋∧ず喕癁楸“澹豢紤]自重。單坡大棚整體造型如圖4所示。最后，將幾何模型輸入ANSYS，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖4 單坡大棚三維模型圖

2.2 荷載的確定

1）恒載：本結(jié)構(gòu)主要為大棚鋼骨架自重，即桁架自重。

2）可變荷載：屋面均布活荷載主要來自鋼絲繩及薄膜的重力、棚頂積灰、少量積水等。棚頂合攏時與棚頂打開時的均布荷載不同，棚頂合攏時取均布荷載0.1 kN/m2；棚頂打開時荷載會集中在局部區(qū)域，可取0.2 kN/m2。不考慮吊載和施工檢修集中荷載。另外，為了便于分析，將立柱和桁架單獨(dú)作為系統(tǒng)考慮，那么移動機(jī)構(gòu)作用在桁架導(dǎo)軌上的力也是可變荷載，可以視為作用在導(dǎo)軌上的均布荷載。通過計算確定棚頂合攏時，整個導(dǎo)軌的均布荷載為0.031 2 kN/m2；棚頂打開時，導(dǎo)軌上局部均布荷載約為0.187 kN/m2。

3）風(fēng)荷載[8]：

式中，ωk為風(fēng)荷載取值；ω0為基本風(fēng)壓，取0.5 kN/m2；大棚高度小于10 m，屬于非高層建筑，故風(fēng)振系數(shù)βz取1.0；根據(jù)規(guī)范計算公式計算風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz，μz=1.000×（z/10）0.30，以z=5 m代入計算，得到μz=0.81，其中地面粗糙度類別取B類（鄉(xiāng)鎮(zhèn)或城市郊區(qū)）；溫室的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs與建筑物的體型、尺寸及所在地的風(fēng)向情況有關(guān)。以單坡為例，參照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，東西方向風(fēng)荷載體型系數(shù)取值如圖5所示。

圖5 東西方向風(fēng)荷載體型系數(shù)

其中，屋頂坡度α=arctan（1.5/30）=2.86°＜15°。若為南北方向風(fēng)，則為封閉式鋸齒形屋面，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，迎風(fēng)豎直墻面風(fēng)荷載體型系數(shù)為+0.8。屋面按風(fēng)向分為三部分，第一部分風(fēng)荷載體型系數(shù)為-0.6；第二部分風(fēng)荷載體型系數(shù)為-0.5；第三部分風(fēng)荷載體型系數(shù)為-0.4。背風(fēng)豎直墻面風(fēng)荷載體型系數(shù)為-0.4，兩個側(cè)面風(fēng)荷載體型系數(shù)均為-0.7。

將以上參數(shù)代入式（1）中，得到東西風(fēng)荷載、南北風(fēng)荷載計算結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 東西風(fēng)荷載

表2 南北風(fēng)荷載

4）雪荷載：基本雪壓取0.3 kN/m2。在實(shí)際情況中，盡管棚頂呈“折扇式”，但是棚頂以上還覆蓋有防蟲網(wǎng)，雪漏下得極少。因此，可以大致認(rèn)為雪荷載在整體結(jié)構(gòu)上呈豎直均勻分布，取值為0.15 kN/m2。經(jīng)過整理，各種荷載的取值以及加載方式如表3所示。

表3 荷載類型、取值及加載方式

2.3 荷載施加

一般在天氣晴朗、無風(fēng)或風(fēng)力很小時會打開棚頂，所以棚頂打開時暫不考慮風(fēng)荷載和雪荷載。此外，由于拱形屋面所承受的風(fēng)荷載基本上屬于風(fēng)吸力，對結(jié)構(gòu)承載雪荷載是有利的。因此，雪荷載和風(fēng)荷載不同時參與荷載組合[9]，與之類似，屋面均布活荷載與風(fēng)荷載也不同時參與荷載組合。為了便于分析，課題組將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分為兩個部分，一部分是固定的立柱和桁架部分，選用5 m立柱進(jìn)行分析，主要考慮恒荷載（桁架自重）和移動機(jī)構(gòu)對桁架導(dǎo)軌的作用力；另一部分是封閉溫室部分，主要考慮風(fēng)荷載、雪荷載和屋面均布活荷載的作用。整理得到6種荷載組合情況，如表4所示。

表4 仿真模型與荷載組合

2.4 基于ANSYS的大棚有限元分析

通過ANSYS有限元分析軟件定義6種荷載工況，提取各種荷載組合工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值、位移最大值，如表5所示。

表5 各荷載組合工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)量值匯總表

由表5可知，各種荷載情況下的應(yīng)力和位移均在許可范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)是安全的。從表中也可以看出在荷載組合5（東西風(fēng)荷載）作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和位移最大，由此可以得出風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響最大，應(yīng)予以足夠的重視。另外，如果僅考慮立柱及桁架的受力變形（比較荷載組合1和2兩種情況），則在荷載組合2作用下應(yīng)力和位移較大。荷載組合2作用下立柱及桁架的應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖6、圖7所示；荷載組合5作用下封閉溫室的應(yīng)力云圖及位移云圖分別如圖8、圖9所示。

圖6 荷載組合2作用下立柱與桁架應(yīng)力云圖

圖7 荷載組合2作用下立柱與桁架位移云圖

圖8 東西風(fēng)荷載作用下封閉溫室的應(yīng)力云圖

圖9 東西風(fēng)荷載作用下封閉溫室的位移云圖

需要說明的是，仿真模型對實(shí)際模型進(jìn)行了一定程度的簡化，比如，對于薄膜的處理是以一定厚度的曲面薄板來代替塑料，不考慮其自重；立柱和桁架在實(shí)踐中為了建模簡化常采用概念建模方式，即在DesignModeler中直接建立有限元梁，通過建立線體并賦予其截面特征來作為有限元分析中的梁模型[10]。本課題在有限元模型的建立過程中，將立柱與桁架各桿直接固結(jié)為一體，省去其中復(fù)雜的螺桿螺母連接，這些細(xì)節(jié)部分的變化特征可再輔以若干局部的仿真項(xiàng)目來呈現(xiàn)。采用簡化模型進(jìn)行仿真可以基本反映出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形規(guī)律，且有利于仿真進(jìn)程的順利進(jìn)行，是一種經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)證明的非常有效的常用方法。

3 結(jié)論

棚頂可開合大棚由兩端同步運(yùn)行的活動支架帶動鋼絲繩及其上覆蓋的薄膜實(shí)現(xiàn)棚頂?shù)摹罢凵仁健贝蜷_和封閉，其具有跨度大、建造成本低、維護(hù)簡單的特點(diǎn)，能根據(jù)需要，更好地滿足大棚采光、調(diào)溫、換氣、去濕的要求，使植株得到更加自然且適宜的生長環(huán)境，從而提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，并節(jié)約能源。此外，課題組對大棚在棚頂完全打開和完全封閉的兩種情況，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS分析了各種荷載組合下大棚各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。仿真結(jié)果表明，東西風(fēng)荷載作用下棚頂?shù)膽?yīng)力和位移最大，各種荷載組合作用下各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，該大棚結(jié)構(gòu)整體安全可靠，市場應(yīng)用前景廣闊。