夏玉峰，王海超，高 超

(1.青島工學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東青島266300；2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島266300；3.中國華冶科工集團有限公司，北京100176)

我國北方寒區(qū)蔬菜種植大棚在形式上普遍采用單棟塑料大棚，在材料選擇上主要有竹木、鋼架及復(fù)合材料等。竹木結(jié)構(gòu)大棚安裝簡單、造價較低，但使用期限短，且立柱較多，遮光較嚴(yán)重，棚內(nèi)生產(chǎn)受影響[1]。鋼結(jié)構(gòu)大棚，棚內(nèi)空間大、通風(fēng)好、無立柱、便于操作和機械化作業(yè)，但造價較高。竹材具有生長速度快、高強高彈且性能穩(wěn)定、密度較小的特點[2]，其物理力學(xué)性能良好[3-4]，可廣泛應(yīng)用于土木工程中。文獻[5]經(jīng)試驗確定竹簾膠合板的順紋、橫紋及厚度方向抗壓強度，其順紋抗壓彈模為混凝土的1/3～1/2。采用正交組胚方式膠結(jié)而成的竹簾膠合板，順紋和橫紋方向均具有較高的強度且比較接近，可視為各向同性，可用于制作承彎和承剪構(gòu)件。聚乙烯醇(PVA)纖維具有高強高彈的特點，摻入混凝土中可提高混凝土的力學(xué)性能。如增加混凝土的變形能力，有利于延緩裂縫的展開從而達到抗裂的作用[6-7]；可提高再生混凝土的抗壓和劈拉強度[8]，各種纖維以單一或混雜摻入混凝土中，可在不同程度上改善混凝土的抗彎、抗剪性能及耐久性[9-10]。在綜合考慮造價、使用性能等因素的基礎(chǔ)上，采用竹-PVA混凝土組合結(jié)構(gòu)作為種植大棚的結(jié)構(gòu)骨架。大棚骨架采用竹簾膠合板T型拱架，支承在PVA纖維混凝土邊桁架上。按照文獻[11]推薦的規(guī)格參數(shù)，綜合考慮大棚棚架結(jié)構(gòu)所受的恒載、活載及山東壽光地區(qū)的風(fēng)荷載和雪荷載情況，確定組合結(jié)構(gòu)大棚骨架跨度及高度。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 荷載情況

大棚的主要荷載有雪荷載、風(fēng)荷載、作物重量等活載以及保溫層重量、棚架自重等恒載。

1.1.1 雪荷載

其中：S 為雪荷載計算標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；S0為基本雪壓，山東濰坊基本雪壓S0=0.25 kN/m2[12]；Ct為加熱影響系數(shù)，單層塑料薄膜，加溫溫室取0.6，其他溫室取1.0；μr為屋面積雪分布系數(shù)，其與屋面形狀有關(guān)，對單跨拱形屋面，其計算如式(2)，f為拱高，l為拱跨度。

1.1.2 風(fēng)荷載

其中：wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；w0為基本風(fēng)壓，不小于0.25 kN/m2，山東濰坊重現(xiàn)期10 a 的基本風(fēng)壓取0.43 kN/m2；us為風(fēng)荷載體型系數(shù)，單跨落地拱形屋面，迎風(fēng)面1/4拱us=0.33，中間半拱為0.8，背風(fēng)面1/4拱為-0.5；uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，B類地面，離地高度不超過3 m可取0.7。

1.1.3 作物荷載[12]

作物荷載為農(nóng)作物掛載，取決于農(nóng)作物種類及吊掛方式，種植作物未定時，可按0.15 kN/m2的均布荷載考慮。

1.1.4 自重

竹膠板容重取7.4 kN/m3，竹拱架重0.015 5 kN/m，塑料薄膜(1 mm厚)重0.011 kN/m2。固定設(shè)備按永久荷載考慮，按0.07 kN/m2豎向均布荷載采用。保溫覆蓋簾按草苫保溫被考慮，50 mm厚干燥狀態(tài)為0.020 k/m2，潮濕狀態(tài)為0.050 kN/m2。

1.1.5 其他可變荷載

屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，水平投影面積≥30 m2時，應(yīng)取0.1 kN/m2。屋面活荷載與雪荷載不同時考慮，取較大值。屋面構(gòu)件計算時，施工檢修集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取1.0 kN，且作用在結(jié)構(gòu)最不利位置上。不考慮地震作用及溫度作用。

1.2 試驗方案

根據(jù)拱架荷載水平，按拱距1 m考慮經(jīng)過試算確定豎向及水平荷載加載量和加載級重。對兩個相同尺寸的竹膠板拱架進行對比試驗，通過對竹膠板T型拱架的分級加載試驗，采用應(yīng)變儀自動測量并記錄拱架不同截面不同位置的應(yīng)變數(shù)值，利用兩臺電子位移計自動測量拱架頂部最大豎向位移及肩部水平位移，試驗過程密切觀察拱架的受力變形狀態(tài)，直至構(gòu)件失去穩(wěn)定。

1.3 大棚骨架材料

T型梁采用竹簾膠合板制作，竹膠板型號為ZP·2T2440×1220×9。竹簾膠合板在組坯方式上，采用雙向竹片垂直鋪裝膠結(jié)壓縮而成，其除用于建筑裝修裝飾材料外，還常用于水泥模板等方面[3-4]。竹材屬于各項異性材料，由雙向竹片膠結(jié)而成的竹膠板兩個方向的彈性模量差異較小，在進行壓彎試驗分析時，可將竹膠板視為各向同性材料[5,13]。

田間存在的大量水氣及農(nóng)藥、化肥等化學(xué)品有一定的腐蝕性，PVA 纖維混凝土通過纖維的變形消耗能量，可延緩裂縫的展開，從而保護內(nèi)部的鋼筋不遭到環(huán)境的侵蝕。本試驗采用的混凝土配合比按C30設(shè)計，其中：水泥采用32.5號的普通硅酸鹽水泥；石子粒徑為5～10 mm，沙子為中細砂，粒徑不超過5 mm；PVA纖維采用某國產(chǎn)的高強高模聚乙烯醇纖維，其性能指標(biāo)見表1；減水劑采用日照海景建材有限公司生產(chǎn)的液態(tài)聚羧酸高效減水劑，含固量38%，減水效率在25%以上。PVA 再生纖維混凝土配合比m(水泥)∶m(砂)∶m(石)∶m(水)∶m(粉煤灰)∶m(PVA 纖維)∶m(減水劑)=1∶2.1∶2.571∶0.607∶0.25∶0.0157∶0.025，水膠比=水質(zhì)量/(水泥質(zhì)量+粉煤灰質(zhì)量)=0.486，砂率=砂用量/(砂用量+石用量)=0.45，減水劑摻量=減水劑用量/膠凝材料質(zhì)量=2%。

表1 PVA 纖維的主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of PVA fiber

2 試驗過程

2.1 試件制作

PVA纖維再生混凝土邊桁架受力主筋采用直徑為4 mm的8號鋼筋，箍筋采用2φ2@100，鋼筋混凝土保護層厚度為10 mm。鋼筋骨架如圖1所示。邊桁架混凝土采用C30，并摻入適量的PVA纖維及減水劑和粉煤灰，澆筑完成的混凝土邊桁架如圖2所示。

圖1 鋼筋骨架Fig.1 Steel skeleton

圖2 邊桁架Fig.2 Side truss

竹拱架竹簾膠合板切割尺寸及組合方式如圖3所示，兩板材之間采用環(huán)氧樹脂粘接，環(huán)氧樹脂硬結(jié)期間用U型卡進行固定。制作好的拱架截面如圖4所示。竹拱架與邊桁架采用卡槽連接，并用鋼筋綁扎固定，連接節(jié)點如圖5所示。

2.2 試驗對象

試驗對象為新型竹-PVA纖維再生混凝土組合結(jié)構(gòu)大棚，竹膠板跨度為8 m，高1.2 m，加上PVA纖維再生混凝土邊桁架總跨度為10.2 m，高3.1 m。為測定其受載過程中的位移量與應(yīng)力應(yīng)變量，進行全尺度載荷試驗。試驗進行2次，試驗裝置如圖6～7所示。

圖3 T型拱架板材尺寸及組合方式(單位：mm)Fig.3 Sizes and combinations of T-type arch frames(unit：mm)

圖4 T型拱架截面Fig.4 Section of T-arch

圖5 卡槽連接節(jié)點Fig.5 Card slot connection node

圖6 試驗裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of test device

圖7 大棚棚架試驗裝置布置圖Fig.7 Layout of test equipment for greenhouse

試驗材料：8 m 跨的竹-PVA 大棚骨架、PVA 纖維再生混凝土邊桁架、應(yīng)變片、支撐框架、掛線及重物吊重。試驗儀器由1臺16通道應(yīng)變儀、2個位移計、1臺稱重器組成。大棚骨架豎向采用8個掛載點，掛載點間距1 m，在頂點兩邊對稱布置，水平采用3個掛載點，均勻布置在拱架一側(cè)；應(yīng)變片分布在7個位置，兩邊竹拱架支座附近各1個，其他位置5個，具體布置見圖7。

2.3 試驗加載

第1次試驗為試加載，定出最大加載量并為后面試驗確定加載步提供參考。第2次試驗為參照試驗，提供更詳細的數(shù)據(jù)并與第1次的試驗結(jié)果進行比對。

第1次加載試驗中，荷載分7級進行，8個加載點共加重(6+64)kg。全部掛載點初始豎向加重為6 kg，分散到8個加載點上。前四級每個加載點的梯度加載量為1 kg，后兩級每個加載點的梯度加載量為2 kg。每次加載待拱架穩(wěn)定后測取溫室拱頂處豎向位移量及拱架肩部(4號、5號加載點間即整體包括邊桁架在內(nèi)的4/6)的水平位移量。第2 次試驗，從第2 級加載開始，每次加完豎向荷載，一次加上水平荷載45 kg(平均分布在3個加載點上)，拱架穩(wěn)定讀取位移值后進行下一級加載。從荷載與位移的變化關(guān)系可分析出各階段的結(jié)構(gòu)受載特性。

第1次加載過程中，在最大加載量荷載作用下拱架翼緣竹膠板搭接位置離加載點比較近的地方出現(xiàn)開裂翹曲，這是試驗過程中唯一可以看到的損壞情況。在最大加載量作用下，拱架出現(xiàn)平面晃動，停止加載，加固后進行第2次加載。第2次加載施加水平荷載之后在同樣的豎向荷載作用下，拱架沒有出現(xiàn)明顯晃動，表現(xiàn)更平穩(wěn)。對第2根試件進行對比試驗，在豎向和水平荷載共同作用下梁更穩(wěn)定。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 跨中撓度及水平位移

圖8 為跨中豎向撓度與加載重物的關(guān)系曲線，加載重物分為豎向加載和水平加載，水平加載量保持不變。對比圖8 可看出，水平加載使豎向位移小幅度增加，撤掉水平加載后，豎向位移可回復(fù)到原來的水平。圖9為拱架肩部水平位移與加載量的關(guān)系曲線。從圖9 可看出：豎向加載對水平位移影響不大，隨著豎向加載的進行，豎向總加載為24 kg時，水平位移達到最大值0.4 mm，然后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但基本保持平穩(wěn)；水平加載伊始肩部水平位移達到最大值4.44 mm，后隨著豎向加載量逐漸加大水平位移呈逐漸減小趨勢。整個加載期間，拱架在彈性狀態(tài)下工作，水平荷載的施加使得水平位移激增，但隨著水平荷載的撤走，水平位移回到初始狀態(tài)。

圖8 跨中豎向撓度Fig.8 Vertical deflection in midspan

圖9 肩部水平位移Fig.9 Shoulder horizontal displacement

3.2 強度校核

圖10 為各測點應(yīng)變與加載重物的關(guān)系曲線。計算及試驗表明，在豎向均布荷載及水平均布荷載作用下，整個拱跨范圍內(nèi)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱架施加水平荷載側(cè)的肩部腹板處。對于截面正應(yīng)力，考慮拉壓與彎曲的組合變形，忽略扭轉(zhuǎn)，從圖10 可看出，試驗最大壓應(yīng)變?yōu)?54×10-6，取抗壓彈性模量為6 760 MPa，按計算可得最大壓應(yīng)力為2 MPa，不大于容許應(yīng)力50 MPa[5]，可滿足正常使用要求。

圖10 各測點應(yīng)變Fig.10 Strain of each measuring point

4 結(jié) 論

對于竹膠板T 型拱架，充分利用竹材良好的拉壓性能，結(jié)合田間腐蝕性的環(huán)境在拱腳處采用抗裂性能良好的PVA纖維再生混凝土邊桁架支承，剛強的邊桁架可提供較大的抗側(cè)向力能力，有利抗風(fēng)。

分析組合棚架加載試驗結(jié)果可知，在試驗荷載作用下，拱架考慮壓彎的應(yīng)力明顯小于容許應(yīng)力水平，整個加載過程中，拱架在彈性狀態(tài)下工作。按拱間距1 m考慮，竹-PVA纖維再生混凝土大棚拱架可滿足一般的蔬菜種植荷重要求。試驗加載后期，拱架晃動較明顯，實際應(yīng)用中應(yīng)加大平面外約束。