抗台风大棚研究可行性报告国外参考文献

1、抗13级台风钢混大棚的技术及产业化研究可行性报告一 立项背景和意义台风是地球上最大的漩涡，是强灾害性天气系统之一，每年给全球造成经济损失达6070亿美元。台风也是浙江省最主要的农业气象灾害之一，对全省大棚生产具有很大的破坏力，其影响严重程度居气象灾害之首。2002年，台风“森拉克”在浙江省温州市苍南县登陆，登陆时中心风力超过12级，最大风速超过每秒40米，给温州、台州等地带来重大损失，在灾情中农业生产受灾最为严重的是水产养殖与蔬菜大棚等设施栽培。2004年在浙江省临海市登陆的台风“云娜”，2005年的海棠、麦莎、卡努以及2006年8月在温州苍南登陆的“桑美”等强台风对浙江省东南沿海地区的大棚设

2、施瓜菜生产构成严重威胁。一旦台风来临许多大棚的结构都将遭受严重的破坏，钢管骨架变形、甚至棚体完全倒塌，这暴露出目前在温室基础设计上存在一些问题。且不说很多毁坏严重的简易竹架结构的中小棚，包括很多造价成本较低的简易型连栋大棚，本身结构不牢固，抗风力弱，根本经不起10级以上的台风。就是很多标准的连栋大棚设计造型上也还存在一些弱点，特别是顶通风类型的连栋大棚，其拱棚上都未设置压膜线，顶上的棚膜仅靠几道卡槽力固定，强度较低。有些正规厂家生产的连栋大棚钢质骨架好、强度较大，只要棚膜不被台风吹掉，抗风能力虽然较很，但钢筋、钢管结构成本高，普通农民很难承受，并且钢铁防腐问题解决不了，也严重影响大棚的使用寿命

3、。基础是大棚上部荷载传向地基的承重结构，如何设计更理想的基础结构和深度以提高大棚对荷载的承受能力，我们需要做更多努力。临海地处东南沿海，台风频繁，所以温室大棚必须以能防御风灾为目标进行设计。该项目结合国内外连栋大棚结构特点，设计出一种能够抗13级台风的钢混结构连栋大棚。这不仅可以添补露地种植的缺陷，为浙江省农业科研提供基地保障；同时也可以降低大棚成本以及台风对大棚设施造成的损失，在东南沿海地区推广应用对农业生产的安全发展将有很大的实际意义。 二 国内外研究现状和发展趋势（一）国外连栋大棚研究世界各国的现代温室，于2o世纪6o年代逐步完善并快速发展。从世界各国现代设施园艺发展的情况看，特别是发达

4、国家，现代温室大都以大型连栋温室为主，只有我国目前仍以日光温室为主，其中塑料薄膜温室约60万hm2(含中国的日光温室及塑料大棚)，主要分布在亚洲地区；玻璃温室约4万hm2，主要分布在欧美地区；新型覆盖材料聚碳酸酯板(pc板)温室近几年有较快发展，目前有约1万多hm2，零星分布于世界各国。国外早期对连栋大棚结构研究是结合大棚光环境进行的，其目标是通过改进大棚结构型式以期获得较优的光环境。随着连栋大棚的不断发展，结构安全问题日益受到重视，针对连栋大棚结构承载能力的研究也逐步受到关注。从20世纪80年代开始，国外的学者们开始把注意力放到大棚结构承载能力的研究上，研究主要集中在风、雪荷载对大棚结构的作

5、用以及针对风、雪荷载的大棚结构设计等方面。wells.d a and hoxey.r p针对玻璃大棚的风荷载取值进行了足尺寸模型的实验研究;moran p.也进行了大棚(27.8m x 21.5m)的足尺寸风压实验研究;orlisc.f进行了风、雪荷载和连栋大棚结构的关系研究，提出了大棚的经济优化取决于大棚结构造价和结构的强度之间的关系; kurata.k and tachibana.k进行了大棚结构优化设计的研究，把降低大棚造价作为优化目标，对连栋大棚的荷载和跨度进行了优化；richardson.g m针对设防风篱和不设防风篱两种情况卜的塑料薄膜大棚的风荷载进行了足尺寸模型的实验研究，并对可

6、渗透风的防风篱对连栋大棚小环境和连栋大棚结构的影响进行了深入研究。此外还有很多学者对温室结构设计和温室风、雪荷载的取值作了研究，如mugnozza,g s；kuwabara,t都对温室结构的风、雪荷载进行了比较深入的研究，取得了很多有益的成果。（二）国内连栋大棚结构的研究我国大型连栋大棚起源于对国外连栋大棚的引进，从20世纪80年代开始引进大型现代化大棚，在消化吸收的基础上，逐步研究开发国产化的连栋大棚，到20世纪90年代后期，逐渐实现了连栋大棚的国产化。迄今，我国连栋温室的建设面积己经发展到近1000公顷，而且每年还以150200公顷的速度发展。在北京、上海、沈阳、杭州、广州五大城市，已建立

7、了一批科技示范区、工程示范区和延伸辐射区。自行设计出了适应我国不同气候特点的华北型、东北型、东南型、华南型温室。这些新型温室具有中国自己的知识产权，一些关键技术和配套设施已达国内或国际先进水平。现代工厂化农业设施初具规模，包括科技示范区、工程示范区及延伸辐射区的连栋温室、连栋大棚、日光温室、塑料大棚总面积超过1万hm2，国产率达95以上。目前，我国主要使用的几种设施类型中，日光温室的经济效益最高，大棚次之，大型连栋温室由于投资和能耗过大，经济效益较差。我国设施农业中，以发展日光温室为主，大型温室仍是少量的。我国大棚结构的研究历程与国外较类似，早期的大棚结构研究也多集中在结构与光环境的相关性研究

8、，随着连栋大棚的迅速发展，从某种意义上讲，大棚已经属于一种建筑物，安全问题显得尤为突出。国内学者逐步开始针对连栋大棚结构承载能力进行研究，首先是对连栋大棚结构的风、雪荷载取值和分级等方面的问题的研究。周长吉对日光大棚的荷载取值进行了研究、后来又与齐飞等对我国连栋大棚结构的风、雪荷载的取值以及根据我国的气候区域进行连栋大棚风、雪荷载分级进行了初步研究。此后一些学者针对连栋大棚结构的在风、雪荷载作用下的受力分析方法进行了研究，使我国连栋大棚结构的受力分析方法得到了改进。宋占军采用有限元程序进行连栋大棚结构分析;沈正炳就华北型连栋大棚的弹塑性整体稳定做了分析；俞永华，郑金土等都在从事连栋大棚结构设计

9、方面的研究，这些都对大棚结构设计理论的发展起到了推动的作用。实际上目前有些正规厂家生产的连栋大棚钢质骨架好、强度大，只要棚膜不被台风吹掉，抗风能力也是比较强的。安阳市蔬菜研究所在2004年秋季新建18栋大棚时采用了给薄膜“加筋添骨”的办法，大大增强了抗风能力。在经历了2004年冬至2005年春多次8级以上大风且有时部分大棚放风口未关闭的考验后，薄膜完好无损。上海农腾大棚设备有限公司生产的联合6型单体棚，其抗风载能力：风压440pa（相当风速25米/秒的10级风），但每亩成本有也要2.4万元左右。综上所述，目前针对连栋大棚结构特点，研究设计理论中有关技术问题，设计出抗风能力强、成本较低的大棚并应

10、用于实际生产，是保证我国东南沿海地区设施农业安全发展的关键。三 项目主要研究开发内容技术关键以及主要创新点（一）项目主要研究开发内容技术关键项目主要研究内容是设计开发抗13级台风大棚。项目关键技术主要是利用钢材混凝土结构，提高大棚结构的抗风强度。要求大棚整体骨架结构的受力合理且受力强度大，对材料的选用、建棚高度、跨度要合理，便于耕作。（二）设计理论基础1 强台风时的基本风压计算根据伯努利方程可得出的风压关系，风压的计算公式为 ：其中wp为风压kn/m，ro为空气密度kg/m，v为风速m/s。 由于空气密度(ro)和重度(r)的关系为 r=rog, 因此有 ro=r/g。在上式中使用这一关系，得

11、到 此式为标准风压公式。在标准状态下(气压为1013 hpa, 温度为15c), 空气重度 r=0.01225 kn/m。纬度为45处的重力加速度g=9.8m/s, 我们得到 此式为用风速计算风压的通用公式。2 风荷载的计算在强台风作用下，风荷载可确定如下：柱顶以下部分按均布荷载计算：柱顶以上部分按集中荷载计算，详细过程可参考建筑结构荷载规范。3 抗强台风大棚的内力计算理论在强台风的作用下，抗台风大棚的内力计算可采用剪力分配法。其计算过程如下 在作用有均布风荷载的左边柱a和右边柱b的柱顶施加一个不动铰支座，可求出该支座的支座反力； 将求出的支座反力反向作用于排架柱顶，按剪力分配法求排架柱各柱顶

12、的剪力值；式中，为从左边开始第1，2，,n根柱的柱顶剪力； 为从左边开始第1，2，,n根柱的剪力分配系数，可按下式计算；其中，为第根柱的抗剪刚度，。 将上两个步骤求出的结果叠加，可求出每个排架柱柱顶的剪力和最大弯矩值。叠加后，各柱的受力分析如下图所示。根据上图，可求出各柱底部的最大弯矩值。4 抗强台风大棚柱的承载力设计由于抗强台风大棚棚架的自重较小，且考虑大棚排水顺畅，不考虑强降水时在大棚棚顶产生的水压影响，而强台风时，水平风荷载较大。因此，在强台风作用时，可忽略竖向荷载对大棚柱承载力的影响，只考虑水平风荷载的影响。此时，大棚柱可按悬臂梁进行设计。其主要设计步骤如下： 求出大棚柱截面的抵抗矩系

13、数 求出大棚柱截面的相对受压区高度 求出大棚柱截面的内力矩的力臂系数 求出大棚柱的配筋量5 大棚基础埋置深度的确定 基础的设计：为了提高大棚柱在强台风作用下的抗倾覆能力，需设计一柱下独立扩展基础，基础的具体尺寸可根据柱下独立基础的相关理论设计。 田间土基本土工参数重度、土静止压力系数的测定：田间土的基本土工参数重度、土静止压力系数是柱抗倾覆验算中非常重要的土工参数，其中重度可用精密天平测量，土静止压力系数可用三轴仪直接测出或用直剪实验间接测出。 基础的埋置深度的确定：1）受力分析：抗台风大棚柱及基础的受力分析如右图。其中：为台风荷载为作用在柱周围的静止侧向土压力为作用在基础顶面的静止土压力2）

14、抗倾覆验算：对基础的底边右角点取矩，则有平衡方程：由此，可以求出大棚柱基础的埋置深度：6 抗强台风大棚的计算模型抗台风大棚是一个空间受力体系，在结构设计时为了简化计算，可按纵向和横向的平面结构来分析。大棚的纵向由棚架和钢筋混凝土柱相连接，大棚的横向由柱和一个角钢杆相连接，纵向和横向都构成一个平面排架受力体系。在结构设计时，根据实践经验做如下假设: 柱顶端与棚架的连接方式为铰接；因为棚架与柱顶采用预埋件焊接，在构造上只能传递垂直压力和水平剪力的作用，故设计时可以按铰接考虑。 柱下端与基础连接为固接；因为考虑大棚在强台风作用下，不能发生倾斜，因此可考虑柱与基础的连接为固接。 棚架在横向不发生变形；

15、棚架结构为拱架结构，该结构主要承受竖向荷载作用，不考虑其产生的横向变形。 排架之间相互无联系；此时，大棚结构在纵向可简化为一系列的平面排架结构，计算简图可表示如下。（三）主要创新点目前大棚结构材料主要有木质和薄壁镀锌钢管。木质结构大棚：由杨、柳枝干或竹片做拱杆与支柱，就地取材，材料易得，投入成本低，但稳定性差。薄壁镀锌钢管结构大棚：其结构、性能，尤其是抗风能力较强，但造价高，并且防腐蚀问题很难解决，大大降低了大棚的使用寿命。该项目通过对国内外目前常用的几种大棚结构形式的内力分析、优选和改进,采用钢混结构，即钢筋和混凝土混合结构，这种大棚节省了部分钢材，因此造价比钢材结构有所下降，而其耐腐蚀性能

16、和抗风性能却优于钢架结构。另外，该项目通过对不同受力情况分析, 对大棚结构系杆布置进行了优化设计,使整个结构形成一个“角钢连接钢混立柱钢索拉紧固定”的整体协同工作的整体，其结构坚固耐用,能够可靠地抵抗可能出现的台风荷载的作用。四 项目预期目标（一）技术指标：1.横向两侧第一排棚架每根水泥柱安装拉地钢索一根，并用地锚拉紧；2. 每拱大棚前后和两侧第一根和第二根水泥柱与50*5角钢连杆处焊接，并设三角加强结构；3.50*5角钢各连接处全部焊接；4.四边第一排用50*5角钢和钢混水泥柱头预埋铁焊接；5.纵向每一排用50*5角钢和钢混水泥柱头预埋铁焊接；6.两侧第一拱柱和角钢连接处设计成三角加强结构；

17、7.横向两侧第二排每根水泥柱安拉地锚一个；8.横向两侧第二排起全部用钢索拉紧。（二）连栋大棚的结构 大棚规格 大棚结构见图1、图2、图3、图4、图5。50*5角钢 拉地钢索 种植地面 水泥柱埋入层 横向拉紧钢索 排水地沟 前后立面挡膜管 110*110钢混柱 顶部纵向加固管 小交叉圆拱加强结构图1 大棚前后立面示意图顶部纵向加固管 圆拱管 爬藤网钢丝 排水地沟 种植地面 50*5纵向角钢 水泥柱埋入深度 50*5角钢三角撑图2 大棚的纵向立面示意图 50*5角钢 爬藤网 横向拉紧钢索 地锚 110*110钢混柱 立面渡锌钢管图3 大棚钢索拉紧结构示意图50*5角钢 螺丝 110*110钢混水泥

18、柱 拉地钢索 地锚钩 地锚图4 三角加强撑结构示意图50*5角钢 角钢三角架结构 横向拉紧钢索 110*110钢混柱角钢和水泥柱头预埋铁焊接 拉紧地锚图5 大棚整体钢混柱及角钢布置示意图（三）社会效益目前市场标准大棚造价约为50元m2，连栋大棚造价约90元m2，每亩投资6.0万元，以使用15年(覆盖材料5年)计算，每年固定资产投资约0.45万元。本项目设计的大棚为钢筋和混凝土混合结构，这种大棚节省了部分钢材，因此造价比钢材结构有所下降。预计每亩投资1.7万元左右，每年固定资产投资约0.14万元，大大节约了生产成本。（四）技术应用及产业化前景这种大棚结构受力好（有计算公式），2004年，台州市玉

19、怀县小面积同类型的钢混大棚安全经受了“云娜”的考验，表明这种大棚抗台风强度高。因此在东南沿海台风多发地区，抗台风大棚将有很大的应用前景。总之，本项目设计的钢混结构大棚具有结构受力好、造价低等特点，其产业化前景好、有自主知识产权、可推广。此技术初期将在牛头山兴建100亩，接着将扩建到500亩。 五 项目实施方案技术路线与组织分工方式（一）项目实施技术路线 项目实施方案包括大棚结构的设计、加工各种钢混泥土构件、大棚设备设施的安装、拉力测试、正式使用。（二）组织分工方式公司人员组成：设计组、施工组（安装组）、拉力测试组，2008年6月份安装完毕，2008年底正式运行使用。六 项目实施计划项目2008

20、年1月开始，2008年12月投产。具体进度如下：2008年1月2月，分析国内外抗风大棚研究现状，结合临海地域特点，设计抗台风连栋大棚图纸，对连栋大棚的结构目标进行理论可行性分析；2008年3月6月，根据设计方案完成零件加工和田间安装；2008年6月9月，进行抗拉力测试出相关数据；2008年12月，验收并应用于实际生产。七 现有工作基础和条件临海市新愿景农业科技有限公司，为国有独资企业，公司以科学发展和以人为本的理念，在逐步发展中创造了良好的社会效益，现为台州市农业龙头企业，并与浙江省农科院建立了合作关系。最近中国农业科学院作物科学研究所将公司的种植基地确定为国家航天育种试验站，作为我国东部地区

21、航天瓜果蔬菜育种研发基地。项目设计图纸、设计公式已经完成，各种钢混泥土构件已经加工，实验室试验正在进行中。八 经费预算（一）项目总投资估算预计每亩投资1.7万元左右，公司此次共建大棚100亩，总投资约为170万元。（二）资金来源项目资本金 万元，银行贷款 万元。九 结论综上分析，该项目设计的钢混结构大棚具有结构受力好、设计合理、造价低、省材料、防锈和使用寿命长等特点，在东南沿海台风多发地区具有很大的推广利用价值。国外参考文献1 wells.d.a, hoxey.r.p，measurements of wind loads on full-scale glasshouses. journal of wind engineering and industrial aerodynamic,1 980.6(1-2):139-167.2 moran.p， full-scale measurement of wind pressures on a 27.8m long single 21.5m span agricultural building. j.agric.engng res,1981,26:55-61.3 orlisc.f.snow, wind and greenhouse. p