轻简型连栋塑料大棚结构设计及优化

郄丽娟 韩建会

摘要为了减少连栋塑料大棚的建造成本，增加产投比，设计了轻简型连栋塑料大棚，使用MIDAS GEN对轻简型连栋塑料大棚在最不利荷载组合作用下的最大应力和最大综合位移进行了分析。结果表明，该结构在东西风荷载工况下，拱杆处最大综合位移不满足规范限值。因此，提出在拱杆处增加一辅助腹杆的方案，对优化后的结构再次进行模拟分析，得到优化后结构最大综合位移较原结构显著降低，优化方案合理可行。轻简型连栋塑料大棚与连栋塑料大棚相比，简化了基础，减少了骨架用材量，降低了经济成本，可作为普通塑料大棚的替代棚型。

关键词轻简型连栋塑料大棚;结构设计;有限元;荷载分析;结构优化

中图分类号S 625.1文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）18-0218-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.061

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Structural Design and Optimization of Simplified Multi-span Plastic Shed

QIE Li-juan，HAN Jian-hui（Institute of Cash Crops，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences/Hebei Provincial Engineering Research Center for Vegetables，Shijiazhuang，Hebei 050051）

AbstractIn order to reduce the construction cost of the multi-span plastic shed and increase the production-to-investment ratio， the simplified multi-span plastic shed was designed and built.The maximum stress and the maximum comprehensive displacement of the simplified multi-span plastic shed under the most unfavorable load combination were analyzed by using MIDAS GEN.The results showed that under the east-west wind load， the maximum comprehensive displacement of the arch rod did not meet the norm limit. Therefore， the scheme of adding an auxiliary web bar to the arch bar was put forward， and the optimized structure was simulated and analyzed again. It was found that the maximum comprehensive displacement of the optimized structure was significantly lower than the original structure， and the optimization scheme was reasonable and feasible. Compared with the plastic shed， the simplified multi-span plastic shed simplified the foundation， reduced the amount of skeleton materials， and reduced the economic cost. It could be used as an alternative to the multi-span plastic shed.

Key wordsMulti-span plastic shed;Structure design;Finite element;Load analysis;Structure optimization

河北省蔬菜设施常见类型有日光温室、连栋温室和塑料大棚[1]。连栋温室因其内部空间大，便于机械化操作，环境调控能力强，加温、降温、遮阳、灌溉、施肥等配套设施齐全，可以实现蔬菜的周年生产等优点而被人们不断关注。在实际生产中，连栋温室投资成本大，建造成本投资至少在 150万元/hm2以上;此外，河北省大部分地区夏季高温炎热、冬季干燥寒冷，进行全年生产的连栋温室，夏季要降低室温，冬季要取暖保温，温室能耗贯穿于整个生产过程[2-5]。因此，连栋温室目前大多用于育苗及高档果菜类的栽培、技术示范、旅游观光等，主要分布于大中城市的现代农业园区，不适合在河北省大面积推广应用。塑料大棚面积在河北省设施面积中排名第二，常用的多为单拱棚，骨架大多为水泥竹木混合结构或竹木钢管混合结构，因其造价低、装拆方便，深受农户青睐，但塑料大棚空间小，不利于机械化操作。笔者研制了轻简型连栋塑料大棚，该棚室是在連栋塑料大棚的基础上，对基础和和骨架进行了简化改造设计而成。在节省材料降低经济成本的同时，利用MIDAS GEN对轻简型连栋塑料大棚进行了结构受力分析，并提出结构的优化方法。使得设计优化的轻简型连栋塑料大棚既克服了塑料大棚空间小、不利于机械化操作的缺点，又较连栋塑料大棚降低了建造 成本。

1结构设计

1.1结构参数

由规范可得轻简型连栋塑料大棚风压体形系数μs取值见图7。在图示方向的风荷载作用下，由于拱形棚顶不同位置处风压体型系数的变化，在最左侧一栋棚顶处，风荷载由垂直作用面向内的压力形式过渡为为垂直作用面向外的风吸力，拱杆可近似看做受扭状态，且由于副立柱截面的拱杆无腹杆支撑，因此易产生很大挠度，相邻2个主立柱截面间有3个副立柱截面，正中间截面的拱杆距2个刚度较大的主立柱截面最远，因此产生位移最大。

3轻简型连栋塑料大棚结构优化

对原结构在构造上进行优化处理，在相邻2个主立柱截面正中间处的副立柱截面的拱杆上增加一根腹杆，用来减小结构的最大位移。所添加腹杆每根长度约7.4 m，全大棚共计22个可优化截面，共约163 m。添加腹杆仍采用25 mm × 1.5 mm热镀锌钢管。优化方案示意图见图8。

对优化方案进行模型计算分析，并得到结构优化前后的数据对比，如表3所示。由表3可知，优化后的结构反应量值均满足安全限值要求，优化方案合理可靠。

4结论

该研究对初步设计的轻简型连栋塑料大棚的荷载分析表明，结构在东西向风荷载控制的荷载工况作用下，出现最大位移54.81 mm，超出规范许用值。在其他荷载工况下，结构的位移和应力等各项指标均符合要求。针对最不利荷载作用下结构的表现，进行结构优化，在相邻两个主立柱截面正中间处的副立柱截面的拱杆上增加一根腹杆，用来减小结构的最大位移。对采取优化方案后的结构进行计算分析，得到优化方案结果合理可靠的结论，为拟建者提供了合理的优化选择。

优化后的轻简型连栋塑料大棚作为一种新型大棚，与普通连栋塑料大棚相比，棚室骨架脊高降低1.0 m;四周的基础由条形基础简化为独立基础;其拉杆和拱杆间的连接杆数量减少1倍，东西墙立柱采用尺寸较小的圆形副立柱与矩形主立柱结合形式，使得结构自重大大降低，节省了材料，降低了经济成本。

轻简型连栋塑料大棚采用热镀锌轻钢结构装配而成，具有骨架轻、防腐性能好、寿命长、重量轻、安装使用方便和适宜标准化作业的优点。经过近几年的生产实践和推广，轻简型连栋塑料大棚可以作为普通塑料大棚的替代棚型，其应用对提高连栋塑料大棚产投比和河北省蔬菜产业现代化生产具有一定的积极作用。

参考文献

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