改进的大跨度Venlo温室屋盖结构体系

赵欣+于红燕

【摘要】温室建筑从最初的生产型向商业型方向发展。Venlo温室是传统的生产型温室，结构体系受力合理，传力明确，用钢量经济。对传统Venlo温室进行改进，开发出一种新型的大跨度Venlo型温室屋盖体系。与传统温室进行对比分析，验证新型温室结构的合理性，用钢量的经济性。通过此研究可显著扩大温室结构的适用跨度，促进商业型温室的研究及工程应用。

近年来，现代设施农业温室的建设和使用已经从单一生产型温室发展到多元化商业型温室[1]。温室不再仅仅种植蔬菜和花卉，而是出现了集农业园艺生产和休闲娱乐餐饮于一体的商业温室，也可称为温室类公共建筑。商业型温室有别于生产型温室，其对通风采光等方面的要求有很大放松的同时，对结构的安全性、经济性、适用跨度等方面都提出了更高的要求。将传统生产型温室结构用于商业温室后，安全性需要提高，跨度和室内空间需要扩大。因此有必要对传统温室结构进行改进。

Venlo型温室是中国大型连栋温室采用的主要结构形式。笔者对传统Venlo型温室结构进行了改进，提出一种新型大跨度温室屋盖结构体系，以适应温室商业化的发展趋势。最后结合温室实际工程项目，通过SAP2000有限元软件对传统Venlo温室和改进的Venlo温室进行了受力分析和对比，验证了新型大跨度温室结构受力的合理性，用钢量的经济性，为今后温室类公共建筑推广应用提供了一种高性价比的结构。

传统Venlo温室结构组成及特点

Venlo溫室属于双坡多屋面连栋温室，起源于荷兰，在20世纪70年代末引入中国[2]。温室主要由柱子、桁架、三角形屋面龙骨和天沟组成，其中屋面覆盖在屋面龙骨上并与天沟连接，天沟连接在桁架上的小立柱或柱子上，而桁架则与柱子连接。国内生产型标准Venlo型温室跨度为6.4 m，进深为4 m，每个单元包括2个小屋顶[3]。目前常用的商业型Venlo温室跨度可以做到8、9.6、12 m，进深为8 m，每个结构单元可以为二尖顶、三尖顶、四尖顶。如图1所示为传统二尖顶Venlo型温室结构组成示意图。横向和纵向平面桁架组成一级骨架，支撑在桁架之上的天沟及屋面龙骨小屋架等组成二级骨架。图2为某Venlo温室内景图。

Venlo型温室屋盖主要受力骨架为平行弦平面桁架结构。Venlo型温室标准化程度高，桁架跨度不超过12 m，可以在工厂制作完成，运输至现场进行安装。当Venlo型温室以玻璃为覆盖材料时，可产生蒙皮效应，刚度有所增加但并不是很显著[4]。传统Venlo温室由于采用的是平面结构体系，空间受力传力作用差，跨度受限，内部空间不能灵活布置。Venlo温室跨度超过12 m时，若仍采用传统体系，结构用钢量会大幅度提高，从而增加了温室的建筑成本。

改进大跨度温室屋盖结构体系

空间管桁架结构是目前大跨度空间结构中应用最广泛的结构形式之一，通常采用三角形断面，与平面桁架相比具有跨度大、稳定性好、抗扭转刚度大、外表美观等优点。侧向刚度和稳定性的提高，可显著减少侧向支撑构件数量。跨度大时，经济效果更显著。通过研究，笔者采用空间桁架结构对传统Venlo温室结构进行改进，开发出一种新型的大跨度Venlo型温室屋盖体系。

新型大跨度温室屋盖结构体系由横向布置的空间倒三角形空间管桁架，以及在屋盖周边沿纵向布置的空间桁架组成，纵、横向空间桁架形成闭合框，有效地增加了屋盖结构的整体刚度，并能提高温室的纵横向刚度。横向空间桁架间距可为6 m，跨度可在15 m以上。两榀横向空间桁架之间布置三角形平面小屋架，作为屋面龙骨。屋面坡度可依据采光和排水的要求而定。柱子布置在整个结构的周边，由于跨度的增加，内部柱子数量大大减少，内部空间增大，布置灵活。

屋面的排水可在横向空间桁架上弦平面找坡，根据跨度大小设为单坡或双坡，坡度为5‰，屋面找坡可借鉴平板网架结构屋面排水的做法（图3），通过在桁架上弦节点设置不等高小支托，屋面檩条及屋面板安装后，即可形成排水坡度。屋面排水的路径是先由三角形屋脊排入倒三角形桁架的上弦平面，1.5 m宽的上弦平面作为一个“大天沟”，然后再利用屋面横向坡，将水排到温室两侧，利用雨水管排出。遮阳网支架也安装在纵、横向空间桁架上弦节点。

由此可见，改进的Venlo型温室屋盖体系（图4）省去了天沟及其支撑次桁架，结构布置更加简洁，传力途径简单明确，构件种类数量减少，骨架阴影率降低，有效改善了温室的透光率；桁架跨度增大，立柱数量减少，室内可形成更大的自由空间，很好地适应了温室商业化的需求。

改进大跨度温室屋盖受力分析对比

本文以某传统Venlo温室实际工程为对比分析对象，将其改进为新型大跨度空间桁架Venlo温室屋盖结构，对改进前后2个温室屋盖的受力性能进行对比和用钢量分析，验证新型温室屋盖受力性能及经济指标的合理性。

传统venlo温室屋盖受力分析

某传统Venlo连栋温室实际工程，平面尺寸48 m×24 m，4栋相连，天沟为南北向；跨度为12 m，进深8 m，每栋温室3个进深。屋盖结构构件尺寸见表1。

永久荷载 包括结构自重，永久设备荷载、作物荷载。永久设备荷载按均布荷载考虑，取值为0.07 kN/m2。综合考虑除结构自重外，取附加恒荷载为0.25 kN/m2。

活荷载 对于连栋温室，可取0.3 kN/m2[5]。

雪荷载 基本雪压取0.4 kN/m2，加热影响系数取0.6，均匀分布雪荷工况，屋面积雪分布系数取为1.0，不均匀分布雪荷工况，屋面凹处积雪分布系数取1.4，屋脊部分积雪分布系数取0.94。

风荷载 基本风压取值为0.35 kN/m2，相应体形系数如图5。

采用SAP2000通用有限元分析软件对传统Venlo温室屋盖进行建模分析，有限元模型如图6所示。内力分析时主要考虑了以下几种工况：工况① 1.2恒载+1.4活载；工况② 1.2恒载+1.4不均匀分布雪载；工况③ 1.0恒载+1.4风载（吸力）。不同工况下计算结果见表2。

由不同工况下的计算结果可知，在竖向荷载下对于桁架的最不利组合为工况①。因此本文仅对2种模型在1.2恒载+1.4活载下的受力变形结果进行对比分析。结构的内力变形计算结果见表3。一级骨架变形形式如图7所示。由以上计算结果中可以看出，传统Venlo温室屋盖结构（跨度不大于12 m时）内力分布均匀，刚度较大，材料利用率较高。

改进的Venlo温室屋盖受力分析

改进的温室屋盖结构相应建筑平面仍为24 m×48 m；横向布置9榀倒三角形断面空间桁架，桁架跨度为24 m，间距为6 m；桁架高度为1.5 m，上弦平面宽度为1.5 m，上弦节间长度为1.6 m；在屋盖周边布置两榀纵向空间桁架。纵、横向空间桁架弦杆、腹杆截面尺寸相同。作为屋面龙骨的三角形平面小屋架直接与空间桁架的上弦节点相连，小屋面坡度为23°。大跨度空间桁架可以在工厂分段制作，运至现场后，可通过螺栓连接节点进行拼装。杆件截面及整体用钢量的统计见表4。

相同荷载取值及工况下，新型温室屋盖结构的轴力云图见图8，变形形式见图9，内力变形计算结果见表5。由改进温室屋盖内力变形计算结果可见，结构内力分布均匀，刚度较大，整体性强。

新型温室屋盖与Venlo温室对比分析

结构布置 在24 m×48 m建筑面积内，传统Venlo温室跨度为12 m，建筑内部需要布置6根立柱，限制了空间的使用功能；改进Venlo温室跨度为24 m，仅在周边布置柱子，建筑内部无需设柱。屋顶同样可使用PC板做采光屋面，尖顶坡度同为23°，能够满足植物生长所需光照和通风的条件、方便积雪滑落，且外形美观。

强度刚度 在相同荷载下，传统Venlo温室屋盖桁架最大挠度为跨度的1/480，改进Venlo温室屋盖结构中桁架的最大挠度为跨度的1/510。传统Venlo温室屋盖桁架高跨比为1/12，改进Venlo温室屋盖桁架的高跨比为1/16，结构相对高度降低。二者结构构件的最大应力均接近钢材强度设计值。

用钢量 本研究中传统Venlo温室屋盖的用钢量为13.9 kg/m2，改进Venlo屋盖用钢量为10 kg/m2，有较明显的经济优势。

传力路径 传统Venlo温室：PC板→屋面小屋架→天沟→小立柱→次桁架→主桁架→柱子；改进Venlo温室：PC板→屋面小屋架→桁架→柱子。可见新型温室的传力路径更加简捷明确，便于设计分析及优化。

制作安装 改进的Venlo温室屋盖省去了天沟、小立柱等构件，构件数量种类明显减少，加工制作安装工作量大大减少。

结论与展望

传统Venlo温室经济，但跨度受限，很难满足温室商业化发展的需要。改进的Venlo型温室屋盖结构保留了传统Venlo温室的功能和外观，采用了空间桁架作为受力骨架，由于结构布置合理，可满足商业温室对大跨度的需求。通过计算分析表明，本研究中改進的大跨度Venlo温室屋盖，内力分布均匀，整体刚度大，受力性能好，用钢量经济。

改进的Venlo温室屋盖体系构件规格种类少，大跨度空间桁架可以在跨中或三分点处断开，分段在工厂制作，在现场完成拼装；小尖顶处三角形屋面桁架跨度很小，运输方便，在工厂加工完成，运至现场后可采用螺栓连接，安装在纵、横向空间桁架上弦。

综上所述，采用空间桁架的改进Venlo型温室屋盖受力合理，制作安装简便，易于实现工厂化。本文的研究工作为温室商业化发展奠定了一定的理论基础，今后可进一步展开拼装节点的开发与研究，对屋盖结构进行深入的试验和优化设计研究，并推进相应的工程应用实践。

参考文献

[1] 威邦塑胶建材有限公司.商业型温室的聚碳酸酯板采光覆盖材料[J].农业工程技术（温室园艺），2008（11）：6.

[2] 周长吉.我国目前使用的主要温室类型及性能[J].农村实用工程技术，2000（02）：8-9.

[3] 周长吉，王应宽.中国现代温室的主要型式及其性能（英文）[J].农业工程学报，2001（01）：16-21.

[4] 金健，童乐为，周锋. Venlo型温室结构空间作用的分析与应用研究[C].2014年全国钢结构设计与施工学术会议论文集，2014：4.

[5] 邹志荣，周长吉.温室建筑与结构[M].北京：中国农业出版社，2012（4）：41-45.

项目支持：河北省建设科学技术研究计划“温室类公共建筑新型结构体系受力性能研究”（2012-122）。

作者简介：赵欣（1972-），女，海南文昌人，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：钢结构。

通信作者：于红燕（1989-），女，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：钢结构。