圓拱型連棟溫室天溝優化設計

張正旋+趙菲+任興月+陳超核

摘要：溫室天溝是溫室結構的重要受力構件，天溝的抗彎承載力和穩定性主要取決于天溝的抗彎剛度。對溫室工程中常用的5種天溝截面形式的特性參數進行對比研究，分析各截面變量對特性參數的影響，并優選出抗彎剛度最大的天溝截面形式。

關鍵詞：圓拱型連棟溫室；天溝；特性參數；優化設計

中圖分類號：S625.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2753-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.039

Abstract： Gutter is the essential load bearing member in the greenhouse structure，and its bending capacity and stability mainly depend on its bending stiffness.In this paper，the characteristic parameters of five types of cross section commonly used in gutter were studied，and the influence of different cross-sectional variables on characteristic parameters was analyzed，and finally the cross section which has the highest bending stiffness was selected.

Key words： arched multi-span greenhouse； gutter； characteristic parameter； optimization design

圓拱型連棟溫室因其靈活多變、造價低、適應海南熱帶氣候特征而成為海南溫室大棚的主流類型[1-3]。溫室天溝作為溫室骨架的組成部分，不僅承擔排除雨雪水的功能，而且還是溫室結構中重要的受力構件。計算分析表明，若天溝的抗彎剛度不足，則在荷載作用下往往表現為撓度大、變形明顯，故天溝的優化設計是溫室主體結構設計中的重點內容[4-10]。

目前天溝截面的常用形式有5種，如圖1所示。本研究以農業部規劃設計研究院提供的《海口市新增常年蔬菜生產基地連棟溫室實施方案圖紙》中給出的天溝尺寸作為參考，分別計算出這5種截面的特性參數，包括繞強、弱軸的慣性矩和抗彎截面系數，并分析了截面的不同變量對特性參數的影響，最后選取出具有較大截面慣性矩和抗彎截面系數、綜合性能優異的截面形式作為天溝的優選截面。

1 天溝截面對比分析說明

為了便于對5種天溝截面形式的特性參數進行對比分析，作如下幾點說明：

1）所有參與對比的天溝截面面積與厚度均相同；

2）為了保證每榀拱架的順利組裝，天溝腹板間最大距離不小于160 mm；

3）鍍鋅鋼板的彎折角度按照實際溫室工程中常用的角度選取。

2 天溝截面特性參數計算

參與對比分析的天溝截面形式及尺寸見圖2，其中截面形式4和形式5為相同截面、不同尺寸。天溝截面的各項特性參數計算由AutoCAD完成，首先創建截面的計算模型，然后利用REGION命令將所繪的截面圖形轉為面域，SUBSTRACT命令刪減面域，MASSPROP命令求截面面積和形心位置，接著調整原坐標點至形心點，再利用MASSPROP命令求出截面的慣性矩，最后通過數學公式計算出對雙軸的抗彎截面系數和慣性半徑，計算結果見表1。AutoCAD對各截面參數的計算精度可滿足分析的精度要求。

3 截面特性參數的對比與分析

將各截面的特性參數按照不同的指標進行排序，對比結果如表2所示。截面不同變量對特性參數的影響見表3。從表3中可以得出以下結論：

1）截面形式6在繞x軸方向上具有最高的抗彎截面系數，且在繞y軸方向的抗彎截面系數也較高，而溫室天溝在荷載作用下往往繞x軸方向彎矩偏大，故截面形式6在抵抗x軸方向彎矩時最具優勢。

2）對比截面形式1和形式2，天溝邊緣外折相對于內折可以提高對雙軸的慣性矩和抗彎截面系數，故在材料用量相同的情況下，天溝截面腹板呈直立狀時，邊緣外折較內折更有利于提高天溝的抗彎承載力和穩定性。

3）對比截面形式1和形式3，雖然形式3對x軸具有較高慣性矩，但是底邊平直的形式1卻具有更高的抗彎截面系數，故在材料用量相同的情況下，天溝底邊平直的形式較底邊傾斜的形式對提高天溝的抗彎承載力和穩定性更有利。

4）對比截面形式2和形式4，在材料用量相同的情況下，將天溝腹板外擴較腹板直立能提高對雙軸的抗彎截面系數，因此腹板外擴對提高天溝的抗彎承載力和穩定性更有利。

5）對比截面形式4和形式5，增加天溝底邊長度能提高繞y軸的抗彎截面系數，但是同時會降低繞x軸的抗彎截面系數。由于天溝在荷載作用下繞x軸方向會承受較大彎矩，故在材料用量相同的情況下，減小天溝截面底邊長度對提高天溝的抗彎承載力和穩定性更有利。

6）對比截面形式4和形式6，在材料用量相同的情況下，將天溝截面邊緣彎折兩次相對于彎折一次對提高天溝的抗彎承載力和穩定性更有利。

4 結論

1）不同截面形式的特性參數對比結果表明，在材料用量相同的情況下，截面形式6繞x軸與y軸方向的抗彎截面系數均較高，說明其在雙軸抗彎性能上能有效提高材料強度的利用率。

2）截面變量對特性參數的影響分析表明，在材料用量相同的情況下，以下措施能夠提高天溝的抗彎剛度和穩定性：天溝截面腹板若采用直立形式，邊緣處應選取外折形式；天溝底邊宜采用平直的形式；腹板宜采用外擴形式；在滿足天溝排水和安裝構造的前提下，盡量減小天溝截面底邊長度；將天溝截面邊緣彎折兩次。

參考文獻：

[1] 劉 建.海南熱區溫室工程產、學、研現狀與所面臨問題探討[J].農業工程技術（溫室園藝），2013（5）：30-32.

[2] 張真和，周長吉.周博士考察拾零（二十六）海南省設施園藝發展狀況調研報告[J].農業工程技術（溫室園藝），2013（7）：11-18.

[3] 穆大偉，田麗波，李紹鵬，等.海南園藝設施的類型[J].廣東農業科學，2012，39（9）：154-157，166.

[4] 王 健.互插式連棟溫室優化設計與通風試驗研究[D].南京：南京農業大學，2007.

[5] 程紹明，姜雄暉.間隔互插式連棟塑料溫室天溝的優化設計[J].農機化研究，2005（4）：152-153，156.

[6] 陸 樺，黃松超.溫室天溝設計[J].農業工程技術（溫室園藝）， 2007（2）：22-23.

[7] 程勤陽.溫室結構設計的基本方法（一）——溫室結構設計基本要求及構件計算[J].農業工程技術（溫室園藝），2006（9）：11-12.

[8] 劉 建，周長吉.日光溫室結構優化的研究進展與發展方向[J].內蒙古農業大學學報，2007，28（3）：264-268.

[9] 周長吉.有立柱鋼管骨架日光溫室的結構優化[J].農業工程學報，1994，10（1）：157-160.

[10] 周長吉，徐剛毅.日光溫室的結構優化[J].農業工程學報，1997， 12（A00）：23-29.