吊袋栽培下水稻育秧大棚骨架受力性能分析

吳 瀟 張恩喆 趙梓瑞 李遠松 王 鵬 史旖旎

（黑龍江八一農墾大學園藝園林學院，黑龍江 大慶 163319）

水稻育秧大棚應用廣泛，除春季水稻育秧需要，其他季節水稻育秧大棚均處于閑置狀態。為減少土地閑置浪費，增加農戶收入，各地著手開發育秧大棚二次利用的新生產模式[1-3]。在開發二次利用的多種舉措中，利用水稻育秧大棚吊袋栽培食用菌黑木耳是普遍選擇的策略。吊袋栽培黑木耳是在棚內吊掛黑木耳菌包進行栽培，無須棚內土地，不影響棚內土地平整度，比較利于第二年的育秧作業[4]。

目前，利用塑料大棚吊掛栽培木耳有兩種吊掛方式：第一種是在棚內新增設立柱排架用于吊袋栽培；第二種是直接在原有大棚基礎骨架上吊掛栽培。第一種方式排架雖然結實耐用，但新建造價較高，排架會改變大棚原有基礎設施，排架立柱也會占用棚內空間，影響水稻育秧機械化作業。二次利用的生產成本過高，農戶的生產積極性會就降低。第二種方式是直接在大棚骨架上吊掛菌包，在大棚骨架的受力未知的情況下，如果將菌包直接吊掛在大棚骨架上，可能會損壞大棚骨架，造成損失[5]。為了提高水稻育秧大棚的利用率，解決土地閑置問題，計算并分析吊袋栽培下水稻育秧大棚使用階段的受力情況是十分必要的。目前對溫室大棚的受力性能分析多數集中在極限承載力研究上[6-9]，對溫室使用階段的研究較少[10]。溫室類型也多集中在連棟溫室、日光溫室，對水稻育秧大棚的受力分析研究較少[11-14]。受力分析的方法也多為有限元分析，通過三維有限元模型分析溫室的結構受力性能[15-17]。

因此，本項目結合相關規范，研究水稻育秧大棚二次利用時在吊掛栽培作用下，大棚骨架可承受的風荷載、雪荷載、吊掛荷載、作物所需的吊掛環境和方式，開展對水稻育秧大棚骨架使用階段的受力性能研究，通過ABAQUS 軟件對水稻育秧大棚骨架的三維模擬數據進行分析，確定已有骨架的薄弱位置，對促進節約土地資源和水稻育秧大棚二次利用的發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 水稻育秧大棚骨架處理

水稻育秧大棚的常見結構為桁架拱塑料大棚，根據調研總結，大部分桁架拱水稻育秧大棚跨度為10 000 mm，矢高為3 600 mm，桁架高度為200 mm，桁架節點間距為1 200 mm，桁架拱水稻育秧大棚骨架如圖1所示。

圖1 桁架拱水稻育秧大棚骨架示意

1.2 荷載的確定與計算

根據相關規范要求，水稻育秧大棚設計時，需要考慮永久荷載和可變荷載，綜合規范所規定的設計使用年限和實際塑料大棚的使用年限。本研究選用的桁架拱水稻育秧大棚骨架使用年限為15年。

1.2.1 永久荷載水稻育秧大棚的永久荷載包括結構自重和覆蓋材料自重[18-19]。桁架拱水稻育秧大棚上弦采用鋼管，腹桿和下弦采用鋼筋，鋼管及鋼筋材料參數如表1所示。覆蓋材料為PE塑料膜，自重為0.01 kN/m2。在受力分析中，永久荷載直接在ABAQUS 中以重力荷載形式加載計算，重力加速度為9 800 mm/s2。

表1 鋼管及鋼筋材料參數

1.2.2 風荷載風荷載是垂直于建筑物表面上的風荷載標準值[20-22]，計算主要受力結構時，應按式（1）計算。

式（1）中，wk代表風荷載標準值，單位為kN/m2；μs代表風荷載體型系數；μz代表風壓高度變化系數；w0代表基本風壓，單位為kN/m2。

重現期15年時基本風壓w0=0.39 kN/m2。對于平坦或稍有起伏的地形，風壓高度變化系數應根據地面粗糙度類別確定，建三江地區屬于田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮，屬于B類地面粗糙度，拱形屋面的最高點離地3.6 m，風壓高度變化系數μz=1.0。μs根據單跨落地拱形屋面的風荷載體型系數要求計算，f/l=0.36，按線性差值法計算得出風荷載體型系數μs=0.42。當有左側風吹向大棚時：迎風面風荷載為wk=βz μs μzw0=1.0×0.42×1.0×0.39/1 m=0.164 kN/m；背風面風荷載為wk=βz μs μzw0=1.0×（-0.5）×1.0×0.39/1 m=-0.195 kN/m。

1.2.3 雪荷載雪荷載是屋面水平投影面上的雪荷載標準值，應按式（2）計算。

式（2）中，Sk代表雪荷載標準值，單位為kN/m2；μr代表屋面積雪分布系數；Ct代表加熱影響系數；S0代表基本雪壓，單位為kN/m2。

塑料大棚結構桿件截面小，整體計算需要考慮雪荷載均勻和不均勻分布兩種情況。

當單跨拱形屋面雪荷載均勻分布情況時，利用公式（3）計算屋面積雪分布系數。

式（3）中，l代表跨度，單位為m；f代表矢高，單位為m。

10 m跨度的水稻育秧大棚60°坡度角在8.4 m跨度范圍內，根據式（3）計算雪荷載均勻分布情況下屋面積雪分布系數μr=0.4。均勻分布情況下的雪荷載：

當單跨拱形屋面雪荷載不均勻分布情況時，利用式（4）計算屋面積雪分布系數。

式（4）中：l代表跨度，單位為m；f代表矢高，單位為m。

考慮到極端天氣下雪荷載過大經常會壓垮大棚的情況，適當放大雪荷載，根據公式（4）計算雪荷載在不均勻分布情況下屋面積雪分布系數μr，m，取μr，m=2。計算不均勻分布情況下的雪荷載：

左半跨雪荷載：Sk=0.50×2.00×0.66/1 m=0.66 kN/m；

右半跨雪荷載：Sk=2.00×0.66/1 m =1.32 kN/m。

其中，雪荷載不均勻分布的荷載值遠大于均勻分布的雪荷載，受力分析按不均勻雪荷載計算。

1.2.4 作物荷載作物荷載包括吊掛在溫室結構上的作物、栽培容器及容器內基質等的重量，其中特殊種植的作物荷載應按實際情況計算[23-25]。吊掛木耳菌包屬于特殊種植的作物荷載。考慮到吊掛可能發生的實際情況，木耳菌包吊掛形式分為全跨吊掛和半跨吊掛。為了讓計算結果具有代表性和借鑒意義，按全高度掛滿菌包計算荷載。

木耳菌包的荷載即為自重，單個木耳菌包最大濕重1.4 kg，木耳菌包為圓柱形，底直徑15 cm，高33 cm，根據生產栽培需求，吊掛菌包每串間距50 cm，吊掛最低點要離地高大于30 cm。每根繩上的木耳菌包的數量如圖2所示。

圖2 木耳菌包吊掛形式和數量

2 結果與分析

2.1 荷載作用時骨架使用階段的安全性分析

在實際使用過程中，大棚可能常遇到單獨刮風、下雪的情況；二次利用后，多數是吊掛荷載單獨存在的情況。因此需要計算單一荷載作用下大棚骨架的應力與變形，判斷各項荷載單獨作用時骨架使用階段的安全性。

根據相關標準要求，按一階彈性計算分析使用階段的桁架拱塑料大棚骨架的應力和變形，得到桁架拱塑料大棚骨架使用階段安全性要求。

（1）應力：大棚骨架應力小于材料的屈服強度。上弦應力小于235 MPa，下弦及腹桿應力小于335MPa。

（2）變形：豎向位移變形小于撓度容許值。永久和可變荷載標準值共同產生的撓度容許值[lT]=10 000/400=25 mm。水平方向位移小于水平位移容許值。在風荷載標準值作用下，柱頂水平位移容許值[h]=3 600/150=24 mm。

2.2 應力與變形模擬

水稻育秧大棚桁架骨架間距為1 m，選取其中一榀為研究對象，綜合水稻育秧大棚骨架荷載數據進行結構荷載分析，其計算單元具有代表性與可復制性。

利用ABAQUS軟件對水稻育秧大棚骨架進行力學分析，并模擬出各種荷載情況下各個桿件的應力與形變。以一榀大棚骨架為例，大棚的上弦、下弦、腹桿均采用三維線性梁單元（B31）模擬，上弦截面為空心鋼管，下弦和腹桿截面為鋼筋[11]。僅分析使用階段大棚的受力情況分析，根據相關標準要求，按一階彈性計算分析使用階段的桁架拱水稻育秧大棚骨架的應力和變形。

在大棚骨架上弦加載模擬風荷載、風荷載作用情況，在大棚骨架下弦加載模擬全跨吊掛荷載、半跨吊掛荷載的受力情況，不同荷載位置及約束布置如圖3所示。

圖3 不同荷載位置及約束布置

2.3 不同荷載作用下的應力與變形計算

風荷載、雪荷載、全跨吊掛荷載、半跨吊掛荷載作用下各單元桿件的應力如圖4所示。

圖4 不同荷載作用下單元桿件的應力

雪荷載、全跨吊掛荷載、半跨吊掛荷載作用下各單元桿件的豎向位移如圖5所示。

2.4 綜合分析

從風荷載應力云圖可以看出，大棚骨架下弦區域最大應力為263.9 MPa，此時等效塑性應變等于0，說明桁架拱塑料大棚下弦未屈服。通過ABAQUS自帶的查詢工具，此時水平方向位移為15.99 mm，小于矢高的1/150，滿足安全要求。

從雪荷載應力云圖可以看出，大棚骨架下弦區域最大應力為335 MPa，此時等效塑性應變大于0，說明桁架拱大棚下弦達到屈服狀態，此時大棚骨架最大豎向位移為48.32 mm，大于跨度的1/400，不滿足安全要求。

從全跨吊掛荷載應力云圖可以看出，大棚骨架下弦區域最大應力為335 MPa，此時等效塑性應變大于0，說明大棚骨架下弦屈服，此時大棚骨架最大豎向位移為19.73 mm，大于跨度的1/400，不滿足安全要求。

從半跨吊掛荷載應力云圖可以看出，大棚骨架下弦區域最大應力為335 MPa，此時等效塑性應變大于0，豎向位移為36.04 mm，大于跨度的1/400，不滿足安全要求。

總結不同荷載作用下單元桿件的應力云圖和位移云圖可以發現，應力屈服和位移超過限值的位置是在跨中、1/4 跨、3/4 跨處，說明大棚骨架常見的薄弱破壞位置是在跨中、1/4跨、3/4跨處。

3 結論與討論

根據新版規范計算水稻育秧大棚吊掛栽培二次利用時所受的風荷載、雪荷載、作物荷載。在大棚實際使用過程中，可能常遇到單獨刮風、下雪的情況，二次利用也是單獨使用的情況。因此需要計算單一荷載作用下大棚骨架的應力與變形，判斷各項荷載單獨作用時骨架使用階段的安全性。

利用有限元ABAQUS軟件對水稻育秧大棚骨架單一荷載作用下大棚骨架使用階段的應力分布與變形值進行了分析，發現風荷載、雪荷載兩種形式的吊掛荷載單獨作用時會發生應力屈服或變形均超過限值的情況，結構不能安全使用。

根據受力分析結果發現薄弱位置為跨中、1/4跨、3/4跨處，后續可以分別對薄弱位置進行加固，加固的方式應不影響棚內使用空間，可以在下弦焊接鋼筋增大下弦截面積以滿足截面要求。