温室和大棚的结构设计
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第三章 温室和大棚的结构设计
第一节 温室和大棚的类型与结构
一、类型
（一）按外形分类
（二）按结构分类
以建筑用材不同把温室分为：
1.土木结构温室；2.砖木结构温室；3.混合结构温室；4.钢结构温室（包括薄壁镀锌钢管）；5.轻质铝合金结构温室。
（三）按栋数分类
（四）按用途分类
按温室主要作用不同分为：1.农业生产温室；2.观赏展览温室；3.科研温室；4.专用温室。
二、温室和大棚的组成
1．玻璃温室的组成
（1）椽子（Rafter） 承担屋面上的荷载，是架设在脊檩、檩、檐檩上的细长斜木。
（2）檩（Purlin） 支撑在屋面的屋架上，设在脊檩和檐檩之间，是支架缘子的水平杆件。
（3）脊檩（Ridge） 水平安装在屋脊上，其作用与普通的檩条相同。俗称栋木，一栋温室只有一条。
（4）檐檩（横梁Cross－Beam, Girder） 设在墙体上端，是连接柱子上端的水平杆件。
（5）梁（下弦Beam, Girder） 梁是和柱子垂直相对、平放或接近平放的杆件，它承受垂直或斜方向的荷载。把屋架下面的梁称为下弦。
（6）屋架（上弦Pricipal Rafter） 将屋面撑成脊形的结构称为屋架。温室除了拱型屋顶，单坡屋顶之外，多用三角形屋架。欧美式小型温室的屋架是承受檩条的斜材（上弦）。
（7）次梁（Sub－Beam） 柱子之间，屋架与屋架之间，需要架设平行的横梁，通过檩条承担屋面的荷载，这部分部件叫做次梁。
（8）剪刀撑（Diagonal Bracing, Brace） 在木结构和钢结构等的柱子间，用在对角线上的斜材叫剪刀撑。
（9）斜撑（Knee Brace, Angle Brace, Batter Brace） 斜撑是加固水平杆件和垂直杆件衔接地方的杆件或指桁架中的短斜杆件。
（10）柱（Cloumn, Post, Pillar） 小型温室不用柱子，是无柱结构。但大型温室常把柱子设在温室中央或设在屋架下部。一般使用钢管、方钢管或工字钢等作为柱子材料。
（11）窗间柱（壁柱Stud） 是配置在柱与柱之间构成墙体的垂直构件。
2．塑料薄膜大棚的组成
目前生产中应用的大棚，按棚顶形状可以分为拱圆形和屋脊形，但我国绝大多数为拱圆形。按骨架材料则可分为竹木结构、钢架混凝土柱结构、钢架结构、钢竹混合结构等。按连接方式又可分为单栋大棚、双连栋大棚及多连栋大棚。
塑料薄膜大棚的骨架是由立柱、拱杆（拱架）、拉杆（纵梁、横拉）、压杆（压膜线）等部件组成，俗称“三杆一柱”。这是塑料薄膜大棚最基本的骨架构成，其他形式都是在此
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基础上演化而来。
（1）立柱 立柱起支撑拱杆和棚面的作用，纵横成直线排列。
（2）拱杆 拱杆是塑料薄膜大棚的骨架，决定大棚的形状和空间构成，还起支撑棚膜的作用。
（3）拉杆 起纵向连接拱杆和立柱，固定压杆，使大棚骨架成为一个整体的作用。
（4）压杆 压杆位于棚膜之上两根拱架中间，起压平、压实绷紧棚膜的作用。
（5）棚膜 棚膜可用0.1~0.12mm厚的聚氯乙烯（PVC）或聚乙烯（PE）薄膜以及0.08~0.1mm的醋酸乙烯（EVA）薄膜，这些专用于覆盖塑料薄膜大棚的棚膜，其耐候性及其他性能均与非棚膜有一定差别。
（6）铁丝 铁丝粗度为16号、18号或20号，用于捆绑连接固定压杆、拱杆和拉杆。
（7）门、窗 大棚两端各设供出入用的大门，门的大小要考虑作业方便，太小不利于进出；太大不利保温。
三、主要代表型温室和大棚结构
（一）GP系列镀锌钢管装配式大棚
(二)节能型日光温室
1．一面坡日光温室 这是鞍山及北京、天津等地最早应用的充分采光、不进行人工加温的温室。
2．立窗式日光温室 如辽宁省瓦房店的琴弦式薄膜日光温室、山东寿光立窗式日光温室。
3．拱圆型节能日光温室 这是将前面设为拱型，其骨架可用竹木、钢筋混凝土和钢管架材料。
（三）现代化温室
1．屋脊型连接屋面温室 荷兰温室是屋脊型连接屋面温室的典型代表。
2．华北型连栋塑料温室 其骨架由热浸镀锌钢管及型钢构成，透明覆盖材料为双层充气塑料薄膜。
第二节 温室和大棚的设计步骤
温室和大棚的设计与一般建筑物类似，都是以结构物的用途、规模、场地等基本条件为基础，要建造坚固、安全、经济、实用的温室和大棚，必须进行细致的设计工作。设计常包括结构计划、结构计算，完成设计文件和进行工程造价计算等四个步骤。
（一）结构计划
结构计划是按给定的条件对温室结构及形式等作初步选择工作。
（二）结构计算
结构计算是根据民用与工业建筑规范进行的。
（三）完成设计文件
设计文件包括设计图、说明书和结构计算书等，是指导施工和签订施工合同的主要依据。
（四）造价计算
第三节 温室荷载
一、荷载及分类
作用在温室、塑料棚结构上的外力统称荷载。荷载有自然荷载（风载、雪载、地震力等）和人为荷载（堆物、吊重、检修荷载等）。
温室荷载有3种分类方法
二、荷载的组合
在结构上往往同时作用着几种不同性质的荷载，应考虑它们总的作用和对结构产生最不
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利的情况，这就是荷载的组合问题。温室、塑料棚设计荷载的组合有以下几种情况，应取其最不利的情况进行设计：
1. 恒载+雪载； 2.恒载+风载； 3.恒载+活载（建筑物施工或维修时的吊重荷载）；
4.恒载+作物吊重。
三、恒载
（一）固定荷重（G）
指温室和大棚的构架重量以及覆盖物的重量，又称自重。
（二）作物荷载（V）
22大致每m按150N计算，即床面积1m，其作物荷载为150N，架上先拉水平线再吊时，
在水平线的固定处产生张力T。所以，设计时还要考虑固定处的水平力（H）。
四、雪荷载（S）
雪荷载是作用在屋面上的垂直荷载。积雪的程度不但与降雪量有关，而且与屋面的形状和坡度有关系。屋面坡度、拱度愈大，积雪愈浅，雪压愈小。但是连跨的屋面天沟处容易造成雪堆，使局部雪压增大。
五、风荷载
风对建筑物产生的压力大小决定于风速。风速是经常变化的，它可以用两种方法来表示：即在一定时间内的平均风速和瞬时风速。在设计计算中常采用前者。风速还与距离地面的高度有关，离地面越高，风速愈大。
第四节 主要构件的设计
温室的承重结构是由檩条、屋架、柱、基础等部分组成。屋架承受风荷载、雪荷载以及屋面材料的重量。屋架受力后，连同它本身的自重把力传给柱子。最后由柱子再传给基础，由基础再传给地基。支承这些荷载而起承重作用的就称为结构，结构的各个组成部分称为构件。结构（构件）在承受荷载时，如果受力过大，超过了它的承载能力，就有可能造成温室、塑料棚的较大变形，甚至破坏倒塌。为了保证使用过程中的安全，符合经济、实用的要求，我们就必须对温室、大棚的构件进行设计，并对各构件受力后的情况进行分析计算，从而决定它的形状和尺寸。
一、与设计计算有关的几个基本概念
（一）外力及其简化 所谓外力就是指那些作用在我们所要研究设计的构件上的力。 外力一般分为集中力和分布力两种。
集中力 就是力作用在结构上的面积远小于结构的表面积，可认为力是作用在结构的一点上。
分布力 就是力作用在构件较大的一个范围内（一块面积或一段长度），根据力作用在构件上的均匀性，又可分为均布力和不均布力。
（二）变形和内力 构件受外荷载作用时要发生形状或尺寸的改变，这种改变称为变形。在外力使构件发生变形的同时，构件内部分子之间就随着产生一种抵抗力，这种抵抗力就叫做内力。所以说内力是用来抵抗外力对构件的变形，并且力图使构件变形部分恢复原来的尺寸和形状的力
（三）应力和应变 作用在单位面积上内力的大小称作“应力”，单位用N/m表示。 应变即单位长度内的变形，是无量纲的量。
（四）支座的简化和支座反力 无论是温室还是塑料棚或其他保护地建筑结构，都必须安置在一定的支承物上，这样才能使整个结构稳固，这类支承物均称为支座。 2
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支座可归纳为三种类型：滚动铰链支座、固定铰链支座和固定端支座。
（五）容许应力与安全系数
对每种材料规定了它所能容许承受的最大应力，这个应力叫容许应力。
对于塑性材料：
容许应力： σ
对于脆性材料：
容许应力 σ sK b
K
式中K为安全系数 是为了保证构件的安全使用而设的。
（六）拉伸与压缩 作用在杆端的两个力大小相等，方向相反（两力背向为拉力相对为压力），并作用在杆件的轴线上，这种杆件产生的变形为轴向拉伸或压缩。
拉伸或压缩时，其任意截面上的内力可假定为均匀分布的。由于应力的方向是垂直于横截面的，所以称它为垂直应力或正应力
σ P(N/cm2) A－截面面积 A
为了区别拉应力和压应力，规定以“+”号表示拉应力，以“－”号表示压应力。为保证杆件安全的强度条件，可表示为
σ P≦〔σ〕 A
除满足上述的强度条件外，压杆还要有足够的稳定性，即还要满足公式
P [ ] （3－4－8） A
：轴心受压杆件的稳定系数，取决于杆件的长细比。
（七）弯曲 当杆件受到与杆轴线相垂直的外力作用时，杆件产生的变形为弯曲变形。 这里的弯曲只限于平面弯曲，其特点是外力作用在杆件的对称平面，弯曲后的轴线也在这一对称平面内。
所有发生弯曲变形的构件都叫做梁。
对于某一截面来说，它的最大正应力发生在梁的上下边缘。对于整个梁来说，弯矩最大 的横截面上的应力也最大，这个截面叫做危险截面，梁上最大的正应力就发生在这个截面的上下边缘上
用公式表示： max |M|max|Y|max I
梁也有刚度问题。所谓梁的刚度是指梁在外力作用下，抵抗变形的能力。梁的刚度计算公式
式中：[
可取fmaxf [] LLf]—受弯构件的容许挠度，规范中不同的构件有相应的规定。一般温室檩条L11~。 150200
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二、几种构件的计算和设计
为保证保护地建筑构件（结构）的正常使用，以确定构件的可靠尺寸，在计算中对构件提出以下三方面的要求：
1．有足够的强度 构件能够安全地承担外力（荷载）而不致破坏。
2．有足够的刚度 构件受力后产生的最大变形，应该在规定的范围之内。
3．有足够的稳定性 构件虽然变形，仍然保持它本来的几何形状，不致突然偏斜而丧失它的承载能力。
（一）梁的计算和设计 为了保证梁的安全，就要使梁的最大应力不超过它的容许应力〔σ〕，它的最大挠度不超过容许的挠度，即要满足梁的强度公式和刚度公式。
max Mmaxff [ ] max [] WLL
当已知荷载和容许应力，而需要设计梁的载面时，可先算出所需的截面抵抗矩W。
W Mmax （3－4－12） [ ]
然后选择截面的形状和尺寸，对于型钢梁就是选择型钢的号码，型钢号一经选定，截面的尺寸和各项几何特性也就确定了。
（二）柱的计算和设计
柱是一种受压构件，在温室、塑料棚中柱的作用是把屋面上层结构的荷载传递给基础，其他构件依靠柱的支持作用构成使用空间。
柱的计算和设计，除要满足强度条件外，还需进行稳定性的计算。
1.什么是结构稳定问题
直杆在轴向压力下不能保持其原来的直线受压变形状态，而突然发生新的压弯变形甚至弯断的现象叫做压杆的失稳。
通常把构件在荷载的作用下，不能维持原有形式的受力与变形状态而突然发生新形式的受力与变形状态的现象叫做失稳。
2.压杆为什么会产生压弯的失稳现象。
压杆稳定问题反映了荷载与材料弹性抗力之间的矛盾。物体在外力作用下，伴随着变形的发生，同时产生内力，这种内力又力图保持（或恢复）物体原有形状而抵抗变形，故把内力又称为抗力。
①柱子受力状况
柱子所承受的外力通过柱子的轴心时，称轴心受压柱。
柱子的承受的外力不通过轴心，或者虽通过轴心，但同时又受到弯距作用时，称偏心受压柱。
②柱子受压失稳
4.压杆的临界应力
临界应力就是在临界力作用下，压杆横截面上的平均正应力。
r I叫做截面的惯性半径或回转半径，这是一个与截面形状和尺寸有关的长度。 A
λ叫做杆的长细比，它能反映杆端支承情况，杆的尺寸和横截面形状等因素对压杆临界应力的综合影响。
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五、压杆横截面的设计步骤
在选择压杆的截面积时就必须采用试算的方法。
第一种方法：
（1）先假定一长细比λ，并且由它查出一相应的φ值。（
（2）根据假定的λ求得截面所需要的惯性半径r=L0/λ，再根据r和初选的A，并且利用已有的规格图表和实践经验选择型钢的号码或求得截面的周边尺寸。
（3）在选定了压杆的截面尺寸以后，必须重新进行稳定验算。
第二种方法：
（1）先直接假定一个φ值（一般是假定φ＝0.5），再用公式求得初选的A。
（2）根据初选的A，利用已有的图表或根据实践经验选择型钢号码或求得截面的具体尺寸。
（3）根据选定的截面尺寸，查得或算得惯性半径r，算出压杆的长细比λ。根据λ重新计算φ值。如果这个φ值和在（1）中假定的φ值相差较大，则需在这两个φ值之间再选一个φ值，重复以上步骤进行计算，直到求得的φ值与假定的φ值的较接近为止。最后，根据求得的φ值，按式验算是否满足稳定条件。如果满足，又不过于安全，则所选得的截面就是所需的截面。如果不满足或过于安全，就应参考验算结果，对截面尺寸作适当的调整，然后再进行验算，直到满足要求为止。
（三）拱的设计和计算 拱在竖向荷载作用下的水平反力方向是指向内的，常称为推力。由于这种推力的存在，拱结构任意截面内的弯矩，将比相当的梁在相同截面内的弯矩为小。因而拱结构一般比梁结构经济，因此，拱结构可以跨越较大的跨度。
拱的结构型式有三种：三铰拱、两铰拱和无铰拱。
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