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                    装配式单栋钢管大棚的结构设计及搭建技术

概述：

装配式单栋钢管大棚是我们南方地区使用比较广泛的一种保护地设施类型，这类大棚以热镀锌钢管为主拱管，其主要特点是：第一，整体主架及联接采用钢结构，结构坚固，抗风雪荷载能力大。如我地常见的二种类型的单棚(GP-C622 GP-C825)，抗雪荷载能力达 20千克 /米2（相当于 15厘米 厚度的积雪），抗风能力达到 26米 /秒（相当于10级台风）。第二，钢管及配件表面均采用热镀锌处理，耐腐蚀性强，使用寿命一般在10年以上。第三，棚架之间采用专用卡件联接，装配、拆卸方便。第四，具有较好的通风换气性能和一定的保温性能，为创造适宜作物生长的最佳环境提供条件。第五，常见的、比较经济实用的几种棚型已属于定型产品，统一规格，列入中华人民共和国国家标准。
根据中华人民共和国国家标准GB4176-84《农用塑料棚装配式钢管骨架》中的规定：
钢棚骨架按以下规定编号

说明：
①农用塑料棚装配式钢管骨架结构整体，其代号用汉语拼音字母GP表示。
②管棚骨架型是指管棚骨架解剖面的几何形状。分别用汉语拼音字母Y、C、D、L表示。
Y指圆弧落地拱形管棚骨架
C具有平面侧壁的管棚骨架
D单坡屋面形管棚骨架
L联栋管棚骨架
③管棚骨架宽是指管棚骨架两外侧壁钢管与地面接触部位中心线之间的距离。其代号用拉丁字母B表示。
④管棚骨架高是指管棚骨架最高处与棚内自然地面之间的距离，其代号用拉丁字母H表示

⑤管棚骨架宽长是指管棚骨架纵向两端部钢管与地面接触部中心线之间的距离，其代号用拉丁字母L表示。

一、结构设计：
大棚的结构设计首先必须考虑的是整体结构的稳固性和使用寿命，其次还要考虑大棚的通风、采光等其它性能。使其充分发挥设施农业的优势，减少农业生产在自然灾害中的损失，提高经济效益。大棚的稳固性主要是指大棚抗击风、雪的最大承载能力。它与大棚的骨架材料、大棚外形、大棚结构参数（包括顶高、肩高、跨度、拱间距）、大棚的整体构造有关。
1、主骨架及钢材冲压配件。
我地区单栋钢管大棚的主骨架取材，主要有二种：热镀锌铸铁管和热镀锌带钢管，其中热镀锌带钢管又分为带钢成型再热镀锌管和带钢一次性成型补缝热镀锌管。热镀锌铸铁管一般为符合热镀锌企业行业质量标准的合格管，用户选用时只须认清钢管壁上的企标或国标代号即可，其优点是质量上完全符合装配式骨架大棚的国家标准，但价格偏高。带钢一次性成型补缝热镀锌管价格明显低于热镀锌铸铁管，但由于是一次性成型，镀锌质量难以符合装配式骨架大棚的国家标准，主要是焊缝的内外壁镀层厚度、均匀度难以保证，影响钢管使用寿命。至于带钢成型再热镀锌管价格上介于上述二者之间，但其不足之处是材质过软从而大大降低了大棚的抗风，承雪能力。
根据GB4176—84《农用塑料棚装配式钢管骨架》的要求，我们选用热镀锌钢管时应符合以下要求：
⑴为保证一定厚度的镀锌层，要求钢管热镀锌后增重6—13%。
⑵直径不得超过YB242—63《直径5—152毫米电焊钢管》普通级规定的范围。壁厚偏差为：上偏差+22%，下偏差-5%。
⑶圆度偏差不应超过直径的公差范围。
⑷外壁表面应有完整的镀锌层，不得有漏镀、气泡。内壁表面不得有漏镀。
⑸外表面应光洁，允许有长度不超过 100毫米 非包容面局部粗糙表面存在，但每米长度内只允许有1处，最大突起高度不应大于 2毫米 ，并不得影响安装。
根据此国标要求，我们对装配式钢管大棚中用钢管制造的零件、钢材冲压件、及部分零件表面的电镀锌应符合下列要求：
⑴所有零件应按设计图样规定的尺寸、材料和技术要求制造。
⑵钢管壁厚在 2毫米 及其以下的，均需进行内外壁热镀锌。镀锌前后的钢管不得有裂缝、烧伤及其他影响强度的缺陷。
⑶冲压零件所有冲切边不应有明显的毛刺，表面不得有明显的压伤和划痕。
⑷未注明公差要求的尺寸应按GB1804—79《公差与配合未注明公差尺寸的极限偏差》的规定执行。

⑸电镀锌的零件，镀锌层厚度不得小于 0.01毫米 。表面应光洁，允许存在直径不大于 10毫米 的暗斑，但在一个零件表面不得多于两处。表面允许存在未损坏镀锌层的锌疤和压印。
2、大棚的外形。
大棚的外形是指大棚的合理棚型，也就是说使用一定材料，科学合理地设计拱杆弧度，使棚面的流线结构能最大限度地承受风雪载荷。随着设施农业的不断发展，越来越多的农户采用大棚设施，但笔者发现部份农户，也包括一些大棚生产企业，在生产制作过程中严重地忽略了这点，对大棚外形盲目仿造、随意成型，更有甚者是粗制滥造。
我们先看看大棚在遭遇大风夹雨时，会出现什么情况。依据空气动力学原理，空气压强与风速的关系通过伯努力方程可以表达为：
(1+V2/2)P=C
式中：C为常数，V为风速值，P为空气压强。
当风速等于0，此时棚内外空气压力相等。
当风速加大，从式中可以看出，棚外空气压强要减小，而棚内由于空气风速不变，所以棚内的空气压强不变，这样就导致棚内外就出现了空气压强差，这个压强差会使薄膜向上鼓动。风速越大薄膜向上举的力也越大，就这样风速的不断变化，导致薄膜不断鼓起落下，一方面会使压膜线变松，另一方面由于不断的与拱管发生磨擦、击打，至使薄膜破损。最终会导致整栋大棚膜扯破报费。另外南方地区，特别象我地沿海一带，多台风雨季，大风往往伴随大雨，这种薄膜的不断鼓起落下，向上的举力会使整栋大棚产生一个向上的力，这时如果雨水渗入拱管插地处，加上大棚这样一上一上的牵力，最终可能会导致拱管根部松动而连根拔起。由于单栋大棚不象连栋那样有预埋件做基础，单栋大棚只是简单的插入泥土，台风时大棚的“吹跑”就是这样产生的。
设计合理的大棚棚型，可以加强大棚的抗风雪能力。流线型的大棚，棚面弧度大，可以减弱风速，压膜线压得牢固，可以承受比较大的风雪荷载，所以装配式单栋钢管大棚理论上的设计是按合理轴线设计而成的稳固性最强的流线型大棚。[随机标题]
流线型大棚，是参照合理轴线进行设计的，其计算公式:
Y=4(B-X)HX/B2 ，式中Y为各弧点的高度，H为棚高，B为棚宽。X为水平距离。
以 8米 棚为例，依据以上公式， 8米 棚的流线型设计，各弧点的的高度如下:
Y1=4×（8-1）×3×1/82=1.32 Y2=4×（8-2）×3×2/82=2.25
Y3=4×（8-3）×3×3/82=2.82 Y4=4×（8-4）×3×4/82=3.00

完全按合理轴线设计的大棚稳固性最强。但有一个问题就是近底处不适合栽培稍高点的作物，而且对大棚机械而言也是作业盲区。所以在实际使用中我们一般把 8米 棚设计成如下带肩的弧度。（把Y1改为（Y1+ Y2）/2=1.79）

3.大棚的结构参数
流线型大棚按合理轴线设计，其二个重要参数，肩高与顶高，他们的关系为:（顶高—肩高）/跨度，理想状态的比值为0.25—0.3。 小于0.25，棚面就比较平坦，抗风能力差，大于0.3棚面比较陡峭，风荷载加大。但兼于实际情况，我们通常采用的是设计成带肩的大棚，其高跨比就小得多。
(表)

4.大棚的整体构造。
GP-C825装配式单栋钢管大棚示意图:

大棚主要部件：
1.大棚主体: 拱杆、纵向拉杆、斜拉撑、棚门组合、棚头立杆、卡槽等。
2.主要配件：管槽固定器、U型卡、压顶簧、卡槽连接片、拱管接头、固定夹圈、地勾等。
3.摇膜机构
主要部件示意图：

二、搭建技术
1、农业园区大棚基地的规划。
规划和布局是否合理，关系到大棚设施性能能否充分发挥利用，关系到田间的生产和作业能否正常开展以提高生产效率，关系到园区和基地能否产生规模效应起到样板作用，关系到大棚搭建成本能否在保证正常运行的情况下节约开支。所以在搭建大棚前应对大棚生产基地进行严格而科学的规划、布局，就大棚技术及要求而言主要应考虑以下几方面：
①单栋棚的布局应以南北走向为好。除了需要考虑基地的土质肥沃疏松、地势平坦、光照充足等因素外，还要考虑园区水源条件要好，有利于灌溉和排水。同时还要注意交通是否方便，便于管理。
②大棚长度。在尽可能利用土地资源的同时，除了要考虑棚区内大棚之间的布局外，考虑大棚的合理长度。一般单棚长度尽量不要超过 60米 ，过长的棚不利于棚内的空气流通，影响大棚的密封性，同时也不利于灌溉, 设施的安装使用。
③大棚间的间隔距离。一般相邻二栋单体大棚之间的间隔距离最少为 1.5米 ，过小不利于大棚的通风换气、排水及采光。两排大棚之间的间隔距离应在 2.5米 以上。棚头如果有明沟，那么棚头离明沟的距离应在 1米 以上。
2、大棚的搭建。

①棚位定线
按规划位置，进行平面放样。按施工要求打出横线，可以利用水平尺把两根横线定在同一水平线上，以贴近地面，但有一定空隙为宜。然后按施工要求把大棚跨度、大棚与大棚之间的距离在横线上定位，根据定位在拉上竖线，横竖线之间要保持90度角的正位，并必须拉紧拉直，同时在线上标出打眼的位置。
②拱管、纵拉杆及卡槽的安装
第一步，沿记号垂直打拱管插入的眼，深度要一致，地势硬的地方要稍微向内倾斜。第二步，标出每根拱管入土深度。第三步，在平地上把二根拱管接上顶接管，然后立起，把拱管插入预先打好的眼中。第四步，在大棚两门头分别在正中间插一根正门针（一定要与水平线垂直）。然后利用正门针把每对接上顶接管的拱管调成垂直，并调出统一的指定高度。第五步，安装纵向拉杆及斜拉撑，纵向拉杆依次接好后，可以通过左右调节尽可能的把其调直。第六步安装卡槽及其它卡件。
③棚头的安装
将棚头端立柱按规定插入土中，上端与拱管高度吻合。
④棚门安装
在棚头，把规定规格的门装在门框内。安装完成后，门框应平整，开关要方便，关闭需严密。
⑤薄膜及压膜线安装
安装薄膜的总体要求是密封、绷紧。安装时最好选择晴朗无风的清晨，一步到位。气温不宜太高，否则不容易拉紧。卡簧卡入卡槽压膜时，正确的操作方法是：把卡簧一节一节的左右扭动由卡槽口部压入卡槽，同时要注意安装力度，防止卡簧压入时，在卡槽口部造成薄膜的破损。为了减少卡簧、卡槽与膜的摩擦，防止薄膜受到损伤，装膜时可在卡簧和薄膜之间加垫一层旧薄膜，这层旧薄膜也可以减少卡槽中固定部分薄膜在炎热气温下，受灼热的卡簧及卡槽的烫伤。特别需要强调的是薄膜落地部分应该完全盖住落地钢管的低部。
专用压膜线呈扁平状，具有不导热、不易损伤薄膜等优点。通常有黑、白两种颜色。选用时切不可用其它塑料类绳子替代。一般在每二拱之间拉一道压膜线，棚头及棚中部也可用二道交叉互拉的压膜线加强。压膜线落地用地钓固定。有些农户用木或竹钓代替，也有的采用在棚的二侧用木桩纵向拉一道铅丝，然后压膜线统一扎紧在铅丝上。也有的农户采用的拱管底部打孔固定铁钉用此铁钉来扎压膜线。这些方法虽然效果上差一点，但成本却降低了不少。

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