周博士考察拾零（八十二）
桁架结构日光温室骨架及其构造
纵观中国日光温室的屋面骨架结构，大体可分为三类：“琴弦结构”、桁架结构和单管结构（包括实腹截面的钢筋混凝土骨架结构和其他新型材料骨架结构）。“琴弦结构”的屋面结构是一种双向承力体系，包括沿温室长度方向的受拉钢丝（俗称“琴弦”）和沿温室跨度方向的受压排架结构，此外还有室内立柱，事实上形成一种三维承力体系；桁架结构和单管结构基本都是排架结构。其中“琴弦结构”中沿温室跨度方向的排架骨架也经常采用桁架结构和单管结构。钢制单管结构主要包括圆管骨架、椭圆管骨架和外卷边C形钢骨架。在日光温室钢结构骨架中桁架结构是使用最普遍、应用最广泛的一类骨架结构。本文就桁架结构的不同结构形式做一总结，供业界同仁们在设计和建造日光温室时参考。
空间桁架
日光温室桁架结构分空间桁架和平面桁架两大类。空间桁架一般为三角形剖面结构（一般为等腰三角形或等边三角形），用3根钢筋分别做弦杆，形成三角形剖面的3个顶点，三角形剖面的3条边分别用钢筋做腹杆，将3根弦杆连接在一起（图1）形成结构稳定的三角形空间桁架。这种结构自身稳定性好，不存在平面外失稳的问题，即使不用纵向系杆也能形成稳定的承力体系。但这种结构用钢量大、焊接作业量大，焊接后的桁架结构基本无法实现热浸镀锌表面防腐处理，所以结构的耐腐蚀性能较差，需要经常性地进行防锈处理，在中国早期的日光温室结构中有应用，但近年来的日光温室结构中应用越来越少或者基本不用了。
平面桁架
平面桁架由上弦杆、下弦杆和腹杆组成。根据选用材料的不同，桁架结构的上弦杆多用圆管，而下弦杆则可用圆管或钢筋（其中的钢筋又可选择螺纹钢筋或光面钢筋），腹杆多用光面钢筋，但也有使用螺纹钢筋或圆管的，如图2所示。
桁架规格与用材
桁架用管材常用管径φ25mm、φ32mm，壁厚1.8mm以上圆管；钢筋一般选用φ10mm、φ12mm规格，也有的使用φ8mm，甚至φ6mm的。上下弦杆之间的距离一般保持在200mm左右，同一弦杆上相邻腹杆之间的节间距离一般在200~300mm，不应超过400mm。相邻两榀骨架之间的间距一般控制在1m左右，最大不超过1.2m，最小不小于0.75m。
桁架的截面尺寸和用材应根据温室的几何尺寸、桁架的布置间距、温室建设地区的风雪荷载以及安装在温室结构上的设备荷载（包括卷帘机、保温被、灌溉设备及管道等）和作物荷载等条件，再考虑屋面上人操作荷载后通过结构强度计算确定。
在生产实践中经常看到由于夏季或春秋季下雨造成温室倒塌的案例，这主要是由于保温被卷起后放置在温室屋面造成温室屋面排水不畅，并在保温被的背部形成积水增加额外负荷造成温室骨架过载的结果。有时候我们也经常看到由于温室前屋面靠近脊部比较平缓，坡度不够，在温室屋面上形成水兜的现象。温室结构设计中应充分考虑这些生产中可能出现的过载条件，保证结构设计的安全性。
腹杆布置的标准形式
不论是空间桁架还是平面桁架，腹杆一般要求与弦杆成接近45°的角度布置，而且相邻2根腹杆在弦杆上的交汇点应使腹杆和弦杆的中心线相交为一点（图3a），这样不论弦杆与腹杆的力学计算模型按完全铰接计算（图3b），还是按弦杆连续、腹杆铰接的方法计算（图3c），结构的内力计算都比较准确，而且不会在弦杆中产生次应力，是理想的结构构造形式。
腹杆布置的变形形式
在具体设计和加工中，为了减少焊接工作量，或者为了方便焊接作业，对钢管或钢筋焊接的平面桁架往往不能达到上述理想的结构构造，由此出现了很多腹杆布置的变形方式。例如，在生产实践中出现一些腹杆与弦杆相互垂直的连接方式（图4a）以及不连续的“V”形腹杆连接方式（图4b）。这些连接方式腹杆用量少，焊接作业量小，但由于腹杆布置不连续，在弦杆表面均布荷载作用下会在相邻2根腹杆之间的弦杆中产生弯矩，如果结构力学计算模型简化为完全的铰接结构，计算结果会有较大的误差。为了增强这种结构的强度，有的设计者在2根与弦杆垂直的腹杆之间再增加一组“V”形腹杆（图4c）或在两根垂直腹杆之间增加一根同一方向的斜杆（图4d）。从理论上讲，相邻腹杆如果首尾不能相接，相邻腹杆与弦杆三根杆中心线的交点将不能交汇在同一点上，这样会使弦杆内部的次应力增大，在实践中应尽量避免使用这种结构形式。
从图4的4种腹杆布置形式看，只有图4d中相邻腹杆首尾相接，尽管垂直腹杆不能和弦杆之间形成45°倾角，可能会增加腹杆的用量，从而加大骨架的焊接作业量和用材量，使结构的制造成本增大，但从结构承载能力和结构内力分布的合理性而言这种结构设计应该是合理的。其他三种结构形式，由于相邻腹杆均未实现首尾相接，在桁架的弦杆中或多或少会产生弯矩和次应力，看似节约了腹杆的用材，也减少了骨架加工中的焊接作业量，但实际上却是一种不合理的结构形式，温室运行中结构失效的几率很高，设计中应尽量避免使用。
腹杆的焊接作业方式
对于标准的弦杆与腹杆左右倾斜连接的桁架结构，具体加工制作中有3种方式：一种是将腹杆截断成短直杆，在腹杆的设计位置将其两端分别焊接在弦杆上即可；另一种是将腹杆制作成“V”形结构，相比短直杆腹杆，减少了一次截断腹杆的工作量，相当于将两根短直杆连接在一起，中间折弯即可；第三种是用一根连续的钢筋，中间不做任何截断，在弦杆上确定焊接位置后，连续折弯作为腹杆的钢筋，并将折弯点焊接到弦杆即可（图5），这种方法省去了截断腹杆的工作，但在焊接过程中需要不断地折弯腹杆钢筋，现场焊接作业的劳动强度相对较大。
桁架的焊接与镀锌
日光温室用的平面桁架一般沿跨度方向制作成一根连续的桁架，可形成对温室前屋面和后屋面的承力结构。对于跨度较大的温室，除非采用定制钢管，否则上下弦杆一般均需要对接焊接来满足整根桁架的长度要求。一般桁架弦杆对接连接点应避开与腹杆的连接点，弦杆的连接可采取对接焊接，也可采取内插管螺栓连接（对钢管弦杆）或搭接焊接（对钢筋弦杆）的方式。
对于焊接后整体镀锌的桁架结构，当遇到当地镀锌池尺寸较小、整根桁架难以一次完成热浸镀锌时，可将桁架截断为两段分别进行热浸镀锌，现场安装时再将两段桁架焊接成一根完整的桁架后再安装。遇到这种情况，镀锌前上下弦杆的截断位置不应选择在同一截面截断，而应将上下弦杆选择在不同位置截断，也就是说上下弦杆的截断位置处，两根弦杆的长度应不同，这样会减小由于后续焊接质量问题而造成桁架结构局部失效的概率。
组装结构桁架
除了上述焊接式桁架之外，为了避免由于焊接作业破坏钢结构表面的镀锌层，有的温室设计者采用了组装式桁架结构。目前生产中应用的组装式桁架结构有两种形式：一种是用镀锌钢管做弦杆卡具连接的组装桁架，称为卡具组装桁架（图6a）；另一种是用镀锌钢带经过辊压成外卷边C形钢做桁架的上下弦杆，用钢板做腹杆，螺栓连接弦杆和腹杆后形成组装式桁架，称为钢带辊压成型C形钢组装桁架（图7）。
卡具连接钢管桁架的上下弦杆均采用热浸镀锌钢管，腹杆不用钢筋或钢管，而采用卡具。现场安装时，只要用卡具将上下弦杆连接在一起，即形成温室的承力桁架。其中上下弦杆的连接卡具有2种形式：一种是连接上下弦杆和纵向系杆的立体卡具（图6b），另一种是只连接上下弦杆的平面卡具（图6c）。这种结构为完全组装结构，上下弦杆、纵向系杆均通过连接卡具用螺栓副连接，除了桁架两端与温室前沿基础或后墙圈梁处可能有焊接作业外，其他部位没有任何焊接，现场安装速度快，骨架抗腐蚀能力强，使用寿命长。但安装施工时要求所有螺栓的螺母应拧紧，不得出现拧不紧、漏拧或强制拧紧过程中损坏螺纹的情况。
运行实践表明，有的卡具由于没有采用热浸镀锌表面防腐处理或者使用的螺栓副没有进行表面防腐处理，温室结构的失效往往从连接卡具的锈蚀或螺栓副的锈蚀开始。使用中应注意观察连接卡具和螺栓副的锈蚀情况，发现锈蚀严重时应及时更换。
钢带辊压成型C形钢组装桁架结构采用热浸镀锌钢带，首先将钢带成型为C形钢（用一组滚轮辊压成型），以该C形钢为桁架结构的上下弦杆，桁架的腹杆亦采用钢带压制成型。腹杆与上下弦杆之间完全用螺栓副连接。这种结构完全摆脱了工厂化生产卡具的限制，将钢带成型生产线直接组装到施工现场即可边生产骨架边进行骨架安装，省去了工厂加工构件和构件长途运输的环节，现场加工和安装的速度快，建设成本低，而且所有构件均为热浸镀锌钢带辊压成型，构件的表面镀锌层得到完整保留，用螺栓连接也没有任何焊接作业，所以，结构的防腐能力强，使用寿命长。但这种结构美中不足的是相邻腹杆与上下弦杆的中心线无法交汇到一点，上下弦杆中可能会产生次应力，影响结构的承载能力。此外，和卡具连接的组装式桁架一样，螺栓副连接有可能存在螺栓连接不牢、螺栓连接变形、螺栓提早锈蚀等问题。生产管理中应定期巡查，及时发现问题并及时处置，以保证桁架结构的安全使用。
日光温室的桁架两端分别连接在温室前沿的基础上和温室后墙的圈梁上（没有圈梁的温室可能通过连接件直接坐落在梁垫或砖墙上）。
由于计算力学模型的差别，一般桁架两端的处理方法有3种形式：一种是上下弦杆的两端处于同一水平面位置（图8）；另一种是上下弦杆的两端处于同一竖直面位置（图9）；第三种形式是将上下弦杆收拢到一点，包括将上下弦杆完全收拢到一个点的情况（图10a~10c），也有将下弦杆先交汇到上弦杆上，上弦杆最终与温室基础或圈梁相连接的情况（图10d）。
从承力能力分析，将上下弦杆两端分别固定在基础或圈梁上的构造形式（不论是图8所示的水平对齐还是图9所示的竖直对齐）较上下弦杆收拢在一点的构造形式更有利于内力传递，因此在生产实践中大量的桁架结构采用了上下弦杆端部分离的构造形式。对于上下弦杆分离的构造形式，在桁架与基础和圈梁连接时常采用角钢将两根弦杆的端部连接后再固定到基础或圈梁预埋件上的做法（图8b），也有采用预埋钢板的做法，将钢板预埋在基础或墙体的圈梁表面，桁架的上下弦杆甚至包括腹杆均焊接在预埋钢板上，之后再用水泥砂浆罩面，形成对预埋件和桁架端部的保护。
与上下弦杆端部分离的做法相比，上下弦杆端部收拢到一点的做法可使预埋件的体积变小，有利于节省预埋件的成本，但局部的结构强度应该通过结构力学计算予以保证。
生产实践表明，在桁架端部与基础或墙体交接处经常发生钢结构镀锌层被混凝土中水泥腐蚀的情况，造成桁架两端提早锈蚀而使整个承力结构失效的结果，如图11。为此，在施工中应采取措施保护钢结构，以避免被混凝土腐蚀。具体的做法包括在钢构件表面涂抹沥青、包塑等。
标准的桁架布置应该是间隔0.75~1.2m布置一道桁架（图12a），形成排架体系，并用纵向系杆将所有桁架连接在一起形成整体承力体系，保证每一榀桁架平面内和平面外的稳定。但在生产实践中经常看到有的温室建设者为了节省建设成本，或者是因为当地的风雪荷载不大，将两榀桁架之间的间距拉大到3m左右，并在两榀桁架之间附加单管或竹竿等构件（其主要用途不是用于结构承力而是为了固定或绷紧塑料薄膜），形成主副梁结构体系（图12b）。
与全部用桁架的结构体系（称为完全桁架结构体系）相比，由于桁架的间距加大，而且单管的承载能力有限，显然，这种结构布置形式严重削弱了结构的承载能力，笔者在这里将其称之为“削弱型”布置方式。如果没有可靠的理论计算依据，生产实践中应尽量避免这种结构布置形式。生产实践中另外一种布置形式也是主副梁结构体系，但这种结构体系中的骨架全部采用了桁架，而且骨架的间距也基本与标准的完全桁架结构布置形式相同，所不同的是相邻两根桁架所用的材料不同，一榀桁架的下弦杆采用钢筋，另一榀桁架的下弦杆则采用了钢管，相对下弦杆为钢筋的桁架，这种主副梁结构应该是一种“加强型”布置方式（图12c）。
当然，以下弦杆为圆管的桁架而言，也是一种“削弱型”布置形式。实际设计和建设中，究竟采用哪种结构布置形式，应该从本着节约投资、保证安全的原则出发，通过精准的荷载分析后，按照结构力学的原理进行结构内力分析，最后再按照轻钢结构设计方法和温室结构设计规范验算构件截面强度后最终确定。
作者：周长吉（农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业设施结构工程重点实验室）
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