周长吉（农业农村部规划设计研究院，北京 100125）

长期以来中国日光温室骨架以琴弦结构和桁架结构为主流承力结构[1]。近年来随着日光温室结构向轻简化、组装式方向发展，单管结构日光温室逐步开始发展[2]，并有替代琴弦结构和桁架结构的趋势。椭圆管骨架是近年来推广面积较大的一种日光温室轻简化单管骨架结构形式，其构件截面积小，骨架挡光少；室内无立柱，便于机械化作业和种植布局；闭口截面，截面模量大，平面外稳定性好，杆件承载能力强，因此在各地日光温室发展区都有应用。

2020 年11月24～30日在甘肃省的设施农业考察中，也看到大量椭圆管结构日光温室，而且还创新发展出多种变形，其中有非常合理的创新结构，也有明显不合理的结构形式。本文就本次在甘肃设施农业考察中看到的椭圆管日光温室骨架及其各种变形和连接节点进行系统总结和梳理，供业界同仁们研究和改进。

椭圆管骨架的结构形式

椭圆管骨架按照其结构的承力范围分可分为屋面承力骨架和整体承力骨架。屋面承力骨架只承载前屋面和后屋面的荷载（统称为屋面荷载），并将屋面荷载传递到后墙和前基础；整体承力骨架是在屋面承力骨架的基础上增加了后墙立柱，形成温室屋面梁和后墙柱一体化的承力体系，温室后墙不再参与结构承力。前者主要用于后墙为承重墙的温室结构；后者则主要用于后墙非承重的组装结构体系。

屋面承力骨架

屋面承力骨架按照前屋面骨架和后屋面骨架的连接方式不同可分为圆弧过渡连接（图1）和折线直接连接（图2）两种方式。圆弧过渡连接方式，前屋面骨架和后屋面骨架为一根管通过辊压弯曲而成，在前屋面骨架和后屋面骨架的连接点处（屋脊部位）基本没有应力集中（或应力集中较小，视弯曲弧度大小），这种结构更适合于柔性材料覆盖的温室后屋面，如果温室为刚性材料后屋面，则后屋面在屋脊处的密封必须处理好。

前屋面和后屋面圆弧过渡连接的屋面承力骨架，根据前屋面和后屋面拱杆间是否设置拉结弦杆又分为无弦杆、短弦杆和长弦杆几种结构（图1）。实际工程中，设置弦杆与否，以及弦杆设置多长、弦杆是水平设置还是倾斜设置主要取决于温室后屋面的长短、温室屋脊通风口的位置以及后屋面的荷载大小。柔性材料覆盖的短后屋面，可不设弦杆，但设置弦杆确实能够改善屋脊部位前后屋面拱杆的内力分布，有利于提高结构的承载能力。

图1 前屋面和后屋面圆弧过渡连接的屋面承力骨架及弦杆布置方式

对于前屋面和后屋面折线直接连接的屋面承力骨架，为了减小屋脊处前后屋面拱杆的应力集中，一般都在前后屋面拱杆间设置拉结弦杆。但在甘肃的考察中看到，为节约用材，很多温室采用了带弦杆骨架和不带弦杆骨架间隔布置的多种布置形式，有带弦杆与不带弦杆骨架间隔设置的（图2a），有带弦杆骨架间设置2 根不带弦杆骨架的（图2b），还有连续2 根带弦杆骨架间设置1 根不带弦杆骨架的（图2c）。为了方便标记和命名，以下将带弦杆骨架标记为“1”，不带弦杆骨架标记为“0”，则上述布置方式可分别标记为“10”型、“100”型和“110”型。按照这种规则，骨架全部带弦杆布置的方式可标记为“11”型，骨架全部不带弦杆的布置方式可标记为“00”型。在设计和施工中为简化标记，一般“11”型和“00”型布置方式可认定为默认标记，不做标注，也不会引起安装错误。

图2 前屋面和后屋面折线直接连接的屋面承力骨架及弦杆布置方式

带弦杆骨架和不带弦杆骨架究竟以什么样的布置形式更合理？这个问题似乎应该和主副梁结构温室一样对待。将带弦杆拱架视为主梁，不带弦杆拱架视为副梁，在结构强度计算中，应以一组主副梁结构为一个计算单元进行强度校核。为简化计算，设计中经常将副梁的荷载全部等效附加在主梁上而只对主梁进行强度校核，副梁只起辅助承载作用可不做强度校核，因为按照结构破坏“各个击破”的原则，当副梁的承载超过极限承载能力发生变形或破坏后，其承受的荷载将全部转移到主梁，因此保守的简化设计方法是合理的。实际运行过程中，副梁确实能协助主梁承担一定的荷载，因此只计算主梁而不计算副梁的简化计算方法应该是一种更偏于安全的保守计算方法。在安装施工中应严格按照设计计算的主副梁设置要求布置，绝不可以随意取消骨架的弦杆，或在带弦杆骨架间随意增设不带弦杆骨架。

带弦杆骨架上弦杆究竟如何设置？一般弦杆在后屋面拱杆的连接位置多在屋面拱杆杆长的上部（靠近屋脊部位）1/3、中部、下部1/3 和基部；在前屋面拱杆的连接位置多在屋脊通风口的上沿和下沿。由于弦杆在前后屋面拱杆上的连接位置不同，从外形上看就出现了短弦杆、长弦杆、中长弦杆以及水平弦杆、倾斜弦杆等多种形式（图1b、图1c、图2、图3），其中倾斜弦杆基本以从后屋面向前屋面向上倾斜为主，几乎没有从后屋面向前屋面向下倾斜的布置形式。总体来讲，弦杆的长度越长，在弦杆连接前后屋面拱杆的范围内拱架的应力分布越均匀，但结构总体用材量也最多。

在甘肃设施农业的考察中还看到了一种极短的弦杆（图3c）并与中长弦杆的骨架间隔布置。这种极短弦杆的做法虽然较无弦杆骨架在屋脊部位对骨架的局部应力分布有所改进，但对结构的整体承力影响不大，总体上和无弦杆的骨架承载能力相差无几，设计和施工中也应按主副梁结构进行强度验算。

图3 弦杆的长度

整体承力骨架

整体承力骨架是将前屋面拱杆、后屋面拱杆以及后墙立柱全部组装设计在一根骨架上，也称为“一体式”骨架。这种结构基本室内无立柱，因此，不会影响室内的机械化作业和作物的种植布局。从承力的形式看，和非对称屋面的塑料大棚基本相同，所不同的只是作用的荷载大小以及风荷载体形系数和雪荷载分布系数的差别。

和后墙承重的屋面承力骨架一样，一体式骨架前屋面拱杆、后屋面拱杆和后墙立柱之间的连接也分为圆弧过渡连接（图4a、图4b，以下称为圆拱形梁柱一体化结构）和折线连接（图4c，以下称为折线形梁柱一体化结构）两种形式。当然，从理论上讲也可能有前屋面拱杆、后屋面拱杆和后墙立柱相邻杆件之间两两圆弧过渡连接或两两折线连接的组合形式。

为了增强结构承载后屋面荷载的能力，一体化组装结构在生产中还出现了一些变形。一种是在后墙与后立柱之间架设一根水平横梁（图4b），将后墙作为承重墙部分承担后屋面的荷载，一体化组装结构的立柱可以作为后墙立柱（后墙向后倾斜，柱脚设在后墙墙根），也可以作为室内走道立柱（柱脚设置在后走道南侧边沿）。这种做法立柱基本不影响温室室内耕作和种植，但前提条件是后墙必须能够承重。

图4 梁柱一体结构

对于后墙不能承重的装配式结构，为了增强结构的后屋面承载能力，也便于操作人员上后屋面进行屋面设备的安装和维修作业，设计者专门设计了一种双立柱装配结构（图5）。这种结构是在传统的梁柱一体化结构的外侧（北侧）增加一根立柱，并在其柱顶设置水平横梁与梁柱一体化结构的立柱相连（图5b），水平横梁形成的平台正好形成了温室后屋面的操作平台（图5a），双立柱之间的室内空间正好可以设置室内走道（图5b）。这种结构既增强了温室结构的承载能力，又不影响室内种植和耕作（耕作区没有立柱），实际上是一种增大温室种植区面积的有效结构形式（与同跨度一体化结构相比，作业走道后移，相当于增加了作业走道宽度的种植面积）。

图5 双立柱一体化组装结构

椭圆管骨架构件之间的连接构造

椭圆管骨架作为一种排架结构，自身连接主要以焊接连接为主，一般采用对接焊接。对接焊接后应对焊口进行除渣和防锈处理。除了主体骨架自身的连接外，作为一个整体承力体系，主体骨架尚需要在两端分别与基础或后墙顶面连接，骨架中部还要与纵向系杆连接，对于带弦杆的骨架，弦杆也是主体骨架上重要的连接杆件。以下分别就上述连接节点的连接方法进行详细介绍。

屋脊弦杆与屋面拱杆的连接

屋脊弦杆与前后屋面主体拱杆之间的连接形式主要有两种形式：一种是焊接，另一种是用抱箍连接（图6）。焊接连接可以在工厂焊接，也可以在现场焊接。为了延长结构的使用寿命，焊接连接的拱杆在焊接后应该对焊口进行除渣和做防锈处理。图6a 不做防锈处理的做法非常不利于提高结构的使用寿命。建议在今后的日常运行中，注意观察并及早涂刷防锈漆以对构件形成长期的保护。

图6 骨架与弦杆的连接方法

在不破坏构件表面镀锌层的条件下，屋脊弦杆与主体拱杆之间建议尽可能采用抱箍连接。抱箍一般采用开口“凸形箍”。针对不同形状的屋脊弦杆，抱箍的连接方式略有不同。对于方管（矩形管）弦杆，通常的连接方式是用抱箍环抱屋面拱杆后将弦杆的端头插入凸形箍的开口，用螺栓贯穿凸形箍和弦杆，拧紧螺母即可（图7a）。对于圆管弦杆，可先将圆管两端压平后开孔，用短螺栓副如同方管弦杆连接屋面拱杆一样连接即可（图7b）。

图7 骨架与弦杆的抱箍连接法

屋面拱杆与纵向系杆的连接

纵向系杆是沿温室长度方向通长布置连接相邻温室拱架的杆件，一般多用圆管。其主要作用是减小温室主体骨架侧向变形的长细比，保证温室拱架不发生侧向位移或变形。纵向系杆包括连接屋面拱杆的系杆和连接后墙立柱的系杆。两种类型系杆的用材和连接方式基本相同，目前组装结构的椭圆管骨架基本都采用专用连接件连接。

由于拱杆（立柱）与纵向系杆是处于相互垂直的两个平面内的构件，而且采用压膜线压紧塑料薄膜时，为了保证塑料薄膜有一定的下压深度，以便能绷紧塑料薄膜，设计要求前屋面拱杆与纵向系杆之间要保持一定的距离，越是拱杆变形弧度大的地方，要求纵向系杆和拱杆之间的距离应越大。

按照上述要求，设计者专门设计了组装结构椭圆管拱架与纵向系杆的专用连接件，主要有两种形式：一种称为“键销夹”（图8），另一种称为“键销箍”（图9）。

图8 连接骨架与系杆的键销夹

两种连接件连接纵向系杆的方式基本相同，都采用“键销”法紧固，即将纵向系杆插入连接件尾部的开口凹槽内，用一根变截面的键销插入连接件的尾部并封闭凹槽开口，锤击键销尾部（大头端）可将纵向系杆锁死在连接件的凹槽内，反向锤击键销的头部（小头端）可拆卸出纵向系杆。因此，这种连接件完全是一种可拆卸的结构组装件。

连接件在连接屋面拱杆或立柱一侧，键销夹和键销箍有一定的差异。键销夹是用连接件的夹口从拱杆的下部（或立柱的室内侧）夹住拱杆（立柱），用自攻自钻螺钉将连接件双侧铆钉在拱杆（立柱）上（图8a、图8b）。有的温室安装连接件与拱杆（立柱）的连接没有采用自攻自钻螺钉连接的方式，而是采用了现场焊接连接的方式（图8c）。这种焊接连接不仅破坏了承力构件和连接件表面的镀锌层，而且也给未来结构的拆装带来很大的困难。实际安装中建议尽量采用自攻自钻螺钉连接。

采用键销箍连接屋面拱杆（立柱）时，连接件是采用抱扣拱杆（立柱）后用螺栓横穿抱箍颈部，在锁死抱箍与拱杆（立柱）的同时，将连接件的两个开口边也连接在了一起（图9）。这种做法构件无焊接、无钻孔，完全不破坏拱杆（立柱）和连接件，拆装方便，在可能的条件下应尽可能选用这种连接方式。惟一的缺点是抱箍在拱杆的上表面有局部凸起，在塑料薄膜压紧后可能会使其形成局部应力，对塑料薄膜的使用寿命有一定影响。

为了解决塑料薄膜在屋面拱杆上压紧的问题，屋面拱杆与纵向系杆的连接件也采用了不同的规格，对压膜深度要求深的地方（拱杆弧度变化大的地方），采用“长尾”连接件（图8a），在压膜深度要求小或没有压膜深度要求（立柱）的地方，采用“短尾”连接件（图8b、图9）。这里所说的“长尾”或“短尾”，是根据连接件从固定拱杆（立柱）的下（内）表面到固定纵向系杆的键销之间的距离来划分的，一般拱杆（立柱）与纵向系杆紧贴连接的连接件称为“短尾”连接件，拱杆与纵向系杆保持一定距离的连接件称为“长尾”连接件。

图9 连接骨架与系杆的键销箍

后屋面拱杆与后墙的连接

传统的桁架结构和C 形钢单管结构，骨架在温室后墙和在前墙基础上的连接大都采用直接连接的形式，在基础（圈梁）上预埋埋件，将骨架焊接或栓接到预埋件上[1-2]。理论上讲，椭圆管骨架也可以采用这种方式连接。但在甘肃省设施农业的调研中看到，椭圆管骨架与后墙的连接大都采用了“卧梁”的连接方式。这里所说的“卧梁”是指水平铺设在墙体顶面的一根梁。采用“卧梁”连接的方法可有效保证骨架安装位置的精准就位，也能保证骨架的整体性，彻底消除了因某个或某些拱杆的基础局部沉降或变形而引起整个结构体系的变形甚至垮塌。

实践中所用的“卧梁”可以是传统的钢筋混凝土圈梁（图10a），也可以是槽钢或工字钢（图10b），还可以是与拱杆相同规格材料的椭圆管（图10c）。其中用椭圆管做卧梁的做法根据墙体的承重特点又有不同的做法。对承重墙体，椭圆管卧梁可以和圈梁一样平铺在后墙的顶面，从墙体内向上伸出预埋钢筋，在卧梁铺平定位后将预埋钢筋折弯扣紧卧梁即可（图10c），而对于非承重墙体，则可以在后墙立柱上伸出支撑杆，将椭圆管卧梁悬支在后墙的内表面（图11）。

图10 骨架在后墙顶面连接的卧梁

图11 椭圆管卧梁悬支在后墙上的固定方法

卧梁与椭圆管拱杆的连接有三种形式：一种是在卧梁上焊接U 形连接件，将椭圆管拱杆的端头插入U 形连接件的槽口，两侧用自攻自钻螺钉将U 形连接件与椭圆拱杆固定（图12a）；第二种是采用L 形连接板，在椭圆管端头的两侧分别安装L 形连接板，并与下部卧梁用自攻自钻螺钉固定（图11b），这种做法没有任何焊点，完全不破坏结构件表面的镀锌层，是一种比较合理的组装连接方法；第三种连接方式是在椭圆管骨架的端部焊接一块底板，安装时直接将该底板焊接到椭圆管卧梁上（图11c），这是一种全焊接连接方式，对结构件和连接件表面的镀锌层都有破坏，需要在日常运行中做好防护。

图12 后屋面拱杆与椭圆管卧梁在后墙上的连接方式

后屋面拱杆在椭圆管卧梁上的连接方法也完全适用于其在槽钢或工字钢卧梁上的连接。至于后屋面拱杆在钢筋混凝土圈梁上的连接可使用传统的圈梁中预埋件的形式，也可以在圈梁预埋件上焊接一根角钢，在角钢上再连接屋面拱杆，诸多连接方法，不多赘述。

前屋面拱杆、山墙立柱与基础的连接

前屋面拱杆和山墙立柱与基础的连接方式有多种形式。最简单的做法是像塑料大棚骨架一样的“插地”模式，即将拱杆或立柱直接插入温室地基中。这种做法没有基础，施工简单，但由于拱杆和立柱的截面积小，一是要求插入足够的深度才能保证在风荷载上拔力的作用下拱杆或立柱不会从地基中拔出（主要依靠插入地基椭圆管外表面的摩擦力来平衡风荷载作用在骨架基部的上拔力）；二是拱杆或立柱基部应铺垫石块、砖块或水泥块，以扩大拱杆（立柱）的断面积，避免拱杆（立柱）在结构自重、雪荷载、作物荷载等竖向荷载作用下向地基中下沉。

日光温室建设中骨架与基础连接常用的方法是采用钢筋混凝土圈梁，并在圈梁中预埋埋件，通过埋件将拱杆（立柱）与基础相连（图13a）。这种做法连接牢固，承载能力强，在设计荷载范围内基本不会发生骨架基部移位的问题。这种做法的缺点是骨架基部埋藏在混凝土基础或圈梁中，由于混凝土对钢材有腐蚀作用，长期运行后可能使钢构件在与混凝土接触的表面先期腐蚀，应注意观察，定期维护。

图13 前屋面拱杆与基础的连接方式

在甘肃省设施农业的调研中更多看到的还是用椭圆管卧梁来连接前屋面拱杆（图13b、图13c）和山墙立柱（图14a）。椭圆管卧梁与基础的连接形式有2 种：一种是平铺在连续的条形基础或圈梁上（图13b）；另一种是架支在独立基础上（图13c）。在圈梁或独立基础中预埋钢筋，并将预埋钢筋的端头伸出基础或圈梁表面，待椭圆管卧梁平铺定位后，将伸出的钢筋头折弯扣压在椭圆管卧梁的上表面（图14），即可将卧梁牢固固定在基础或圈梁顶面。基础中的预埋钢筋有的使用了双根（图14a、图14c），有的则使用了单根（图14b）。从安全的角度讲，双根固定肯定比单根固定更安全。

图14 卧梁与基础的固定

拱杆和立柱端部与椭圆管卧梁的连接方法，除了上述后屋面拱杆与后墙上椭圆管卧梁连接的角钢连接件双侧栓接拱杆（图15a）、拱杆底脚板焊接连接卧梁（图15b）的连接方法外，考察中还发现一种用“放大脚”的连接方式（图15c），即在立柱的基部焊接一段与立柱椭圆管外形尺寸紧配合的大直径椭圆管称为插管，直观看就像砖基础或钢筋混凝土基础的放大脚一样。插管短柱上部与立柱端部焊接，下部与椭圆管卧梁焊接，从而实现立柱与卧梁的连接，也或许是插管短柱是事先插管到椭圆管卧梁上，对立柱进行精准定位，椭圆管立柱内插进插管短柱中。紧配合的插管，如果插入深度足够（取决于插管短柱的长度）可不做任何其他连接，如果插入深部不足，可用立柱双侧自攻自钻螺钉连接、螺栓贯通连接或连接界面焊接等方式连接。用插接连接的方式不削弱构件截面，也不会造成构件表面镀锌层破坏，应该说是一种理想的连接方式。在插接连接的基础上再附加上述栓接或焊接将更加保险。

图15 立柱或拱杆与椭圆管卧梁的连接