冰雹是果树生产的主要自然灾害之一，轻则使得树体枝叶受伤，重则造成毁园。雹灾的防控是果树生产的主要内容之一，运用防雹网可以阻止、缓冲冰雹对果树的危害，还可防止作物病害危害，降低作物内部空气温湿度，对果树生长发育、光合作用、呼吸作用、营养物质转运等生理过程存在影响，能够改善果树的抗逆性和果实品质
［1-6］。防雹网在实际应用中因缺乏设计依据，造成建造不规范，在极端天气之下容易倒塌，主要原因包括立柱下部基础过小、拱梁跨度大、坡度太小等
［7-8］。结构优化设计是提高防雹网抗灾能力的关键，目前国内对防雹网研究多集中在防雹网对果园环境及果实的影响及防雹网自动控制系统方面
［9-10］，结构设计优化研究缺乏，关于防雹网设计建造相关的国家和行业标准空白。为得到防雹网整体最优结构参数，本研究基于延安地区的风雪、冰雹等荷载，使用有限元软件建立防雹网模型，分析最不利荷载组合下防雹网主体结构构件内力；在确保结构安全的条件下，分析扣除风雪荷载、增大端榀钢架立柱壁厚、向内倾斜端榀钢架立柱、改变端部开间长度对结构内力大小和分布的影响，以期获得防雹网结构的优化方法，为陕西延安地区防雹网设计建造优化提供理论依据。
1 防雹网结构选型
1.1 防雹网总体尺寸
本研究选定双坡型防雹网为研究对象，其横向钢架由立柱、水平梁、上下斜梁及横向斜拉索构成平面内稳定体系，通过纵向水平钢丝联结，并于端部设置纵向斜拉索保证纵向体系稳定。其中横向钢架立柱间距为4 m，纵向钢架间距为20 m；立柱地面以上高度为5 m，埋入地下基础部分长度为1 m。立柱距地面4 m高处设水平梁，水平梁至柱顶间设上斜梁，横向钢架端部立柱在距地面高度3.5 m处至水平梁端部设下斜梁。由上斜梁形成双坡屋面，并布设纵向防雹网，防雹网通过固定环和绑绳与纵向水平钢丝联结，固定环纵向布置间距300~500 mm，中间形成一定的空隙，便于冰雹掉落，端部与上斜梁通过固定点连接；并在端榀钢架设置牵引电机及转向轮及纵向牵引钢丝，通过钢丝的牵引，以及固定环顺纵向水平钢丝的滑动，使防雹网完成开合等动作。防雹网1个控制单元的平面尺寸为30 m×90 m，包括横向钢架5榀，分别为端榀钢架1、中间榀钢架2、中间榀钢架3、中间榀钢架4、端榀钢架5，间距20 m；每榀含立柱6根，分别为立柱1~6，间距4 m，以及周边横向及纵向斜拉索向外扩展5 m。
图1为防雹网1个控制单元的结构组成。
1.2 结构构件参数
本研究对陕西、山东、北京等地果园防雹网进行了调研，目前防雹网主要结构构件端榀钢架立柱、中间榀钢架立柱均为材质Q235、规格为φ76×2.5的圆管；水平梁、上斜梁和下斜梁均为材质Q235、规格为φ46×1.2的圆管；斜拉索和纵向水平钢丝是极限抗拉强度为1 570 MPa、直径分别为12和3 mm的钢丝绳；防雹网材质为高密度聚乙烯、孔洞11 mm。
1.3 荷载及荷载组合
防雹网主体结构按农业设施进行结构设计，设计工作年限一般不超过15 a，设计安全等级取3级。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》
［11］，因其自重较轻，不考虑地震作用。防雹网在实际使用中的荷载主要包括风、雪、冰雹及安装维护等荷载，其中冰雹是目标荷载。冰雹在下落过程中由重力加速对防雹网及张拉索的冲击效应，随冰雹直径大小的不同，撞击速度和撞击能量均有所变化
［12-13］。
本研究选取直径为40 mm的冰雹进行分析，其质量为30.2 g，撞击末速度26.3 m/s，冲击能量10.4 J
［14］。按单位时间单位面积内仅有1粒冰雹冲击至防雹网上，对冰雹的冲击力通过动量公式进行转换。由于防雹网及钢丝绳等均为柔性材料，会延长与冰雹冲击的作用时间。单位时间取0.2 s，单位面积取0.04 m
2，由动量定理可计算出单位面积内冰雹冲击的力为0.097 5 kN/m
2，则冰雹荷载（
H）标准值为0.097 5 kN/m
2。
依据GB/T 51183—2016《农业温室结构荷载规范》
［15］和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》
［16］分析确定防雹网其他各项荷载。永久荷载（
G）包括钢结构自重（
G1）和防雹网自重（
G2），其中防雹网质量45g/m
2［7］，荷载标准值为0.441×10
-3 kN/m
2；屋面活荷载（
L）标准值为0.1 kN/m
2；风荷载（
W）标准值可根据延安地区15 a基本风压0.25 kN/m
2、风压高度变化系数0.76、风荷载体型系数迎风面1.02、背风面0.18计算取值；延安地区15 a基本雪压0.18 kN/m
2，积雪分布系数0.8，则均布雪荷载（
S）标准值为0.144 kN/m
2。通过综合分析得到防雹网的3种最不利荷载工况：1.0
G+1.0
W+1.2×0.7S、1.0
G+1.2
S+1.0×0.6
W和1.0
G+1.2
H。
1.4 边界条件分析
防雹网的立柱基础多采用直径200~300 mm的圆柱形混凝土，埋深1 m，高出地面50~200 mm，主要是避免柱脚腐蚀损坏。此种形式可承担较大的轴力，无法承担弯矩，边界条件为铰接。斜拉索锚固采用圆柱形混凝土基础地埋，直径400~500 mm，埋深1 m。水平梁为定尺构件通长布置，2根杆件交接处采用搭接或焊接处理，设定为通长连续。上、下斜梁为单根构件折弯后与立柱连接，立柱柱顶以及斜梁下口处均设置纵向钢丝绳张紧，端部设斜拉索钢丝绳，连接形式均为铰接。
2 防雹网结构内力分析
2.1 结构内力分析软件
本研究结构内力分析采用Sap2000通用有限元软件。此软件适用范围广泛，可对集成化的通用结构进行分析与设计，适用于桥梁、工业和民用建筑、电力设施、农业设施等
［17-20］，也可用于一些特殊结构的设计。软件建模和内力计算的基本步骤为：1）在Sap2000有限元软件中，绘制轴网线，定义材料与截面，建立三维模型；2）设置边界条件；3）定义荷载组合，施加荷载；4）计算分析得到主要构件的内力，设定相关参数，进行构件设计。
2.2 内力计算与分析
通过对防雹网控制单元建立模型，应用Sap2000有限元软件进行内力分析。在建模中，因钢丝绳等柔性材料几何刚度会随着加载过程中变形增大而不断变化，为此本研究采用考虑几何非线性效应及大变形效应的非线性分析。通过软件计算得出最不利工况（
G+
W+
S）下钢架立柱的应力比（计算应力与许用应力之比）和轴力，结果见
表1。
可见，端榀钢架立柱应力比严重超标，立柱压弯稳定计算超限，即主体结构无法满足全工况使用。由立柱平衡条件分析可知，端榀钢架立柱纵向一侧是水平拉索，另一侧为纵向斜拉索，基于柱顶节点平衡的需求，立柱除承担竖向荷载外，还需要承担纵向斜拉索的竖向分力，导致端榀钢架立柱的轴力普遍增大；同时由于横向斜拉索的附加轴力影响，立柱1至立柱6的轴力呈现边柱大并向中间扩散的形态。依据计算模型的立柱轴力分析，端榀钢架立柱3的轴力为40.97 kN，而立柱1的轴力扩大到了49.42 kN，远超弹性临界力28.85 kN。
3 防雹网结构优化分析
研究分析防雹网结构设计及内力分布特点发现，应力比超限主要体现在立柱上，其中轴力在应力比的构成中占绝对主导，因此在防雹网结构优化设计中要重点分析立柱轴力的变化及影响。在确保结构安全的条件下，研究分析扣除风雪荷载、增大端榀钢架立柱壁厚、向内倾斜端榀钢架立柱、改变开间长度等对结构内力大小和分布的影响，从而得到防雹网结构的优化方法。
3.1 扣除风雪荷载对结构内力的影响
防雹网在风雪荷载共同作用下，整体结构荷载明显超限。实际工程中，风、雪工况下防雹网极易出现立柱折弯、倒塌、斜拉索拉出等破坏情况。随着气象预报技术和远程智慧控制的发展，防雹网可根据天气实时情况在短时间内实现铺放和收起。在遇到大雪天气时，可主动收起防雹网，避免防雹网上积雪以及由此带来的雨、雪混合工况对主体结构的破坏。为此在防雹网系统的设计中，可直接将雪、风荷载及其荷载组合剔除。通过软件计算得出扣除风雪荷载情况下钢架立柱的应力比和轴力见
表2：相比于考虑风雪荷载的最不利工况，端榀钢架立柱应力比有明显改善，但端榀钢架立柱的轴力均超过弹性临界力，为此还需要通过其他优化方式，增大立柱承载力或减少立柱内力。
3.2 增大端榀钢架立柱壁厚对结构内力的影响
防雹网整体结构的内力分布呈现区域特征明显且为对称分布（
表1），为此可依据内力分布的大小对结构构件进行差异化设计，大内力对应大构件，小内力对应小构件。由轴压构件稳定条件可知，增大立柱截面可增大其稳定系数或增大截面面积均可降低应力比，从而满足承载力的需求并且降低建造成本。增大立柱截面等方法主要针对的是端榀钢架立柱，中间榀钢架立柱的内力相差不大。当端榀钢架立柱的壁厚由2.5 mm增至4.0 mm时，钢架立柱应力比见
表3。其弹性临界力为43.48 kN，比原立柱截面的弹性临界力增加约50%，应力比减小36%，最大应力比为1.029，考虑到钢管的冷弯制作过程的硬化冷弯效应，主体结构基本满足承载需求。
3.3 向内倾斜端榀钢架立柱对结构内力的影响
端榀钢架立柱由于额外承担纵向斜拉索的竖向分力，导致轴压力超限，承载力不足，为此可通过调整立柱布置，使立柱柱底向内侧偏移，改变其柱顶平衡条件，从而减小其承担的轴力。端榀钢架立柱向内倾斜，柱顶间距保持20 m不变，端部开间的柱底距离缩短。倾斜角度为6°，对应柱底向内移动的水平距离约0.523 m，倾斜12°时柱底向内移动的水平距离1.04 m，倾斜18°时柱底向内移动的水平距离为1.545 m。由于仅调整了端榀钢架立柱，对中间榀钢架立柱的轴力影响很小。端榀钢架立柱倾斜不同角度后，其轴力及变化率结果见
表4。可见，端榀立柱轴力均有降低，随倾斜角度的增大，轴力逐渐减小，且随角度增大，轴力减小的幅度也在逐渐减小。基于内力减少的需求以及种植面积的影响，建议倾斜12°左右较为合适。
3.4 改变端部开间长度对结构内力的影响
开间长度直接影响立柱荷载，可通过减小端部开间长度减少端榀立柱的内力。考虑2种端部开间长度变化方案：
方案A，仅移动端榀钢架1，使其向内侧移动5 m，即第1个开间长度由20 m调整为15 m；
方案B，同时移动端榀钢架1和端榀钢架5，使其向内侧移动5m，第1个开间和第4个开间长度由20 m调整为15 m。
2种开间长度调整情况下立柱轴力的变化见
表5。对轴力进行分析发现，中间榀钢架立柱轴力基本无变化，端榀钢架立柱轴力减少。单侧端榀钢架内移，2个端榀钢架立柱的轴力均有减小，其中被移动的端榀钢架立柱轴力减小7%，未移动的端榀钢架立柱轴力减小3%；当2个端榀钢架均向内侧偏移时，端榀钢架立柱轴力均减小10%。
4 结 论
本研究以平面尺寸为30 m×90 m的防雹网控制单元为研究对象，利用Sap2000通用有限元分析软件构建模型，计算分析最不利荷载组合工况下的防雹网结构构件内力，在确保结构安全的条件下分析了扣除风雪荷载、增大端榀钢架立柱壁厚、向内倾斜端榀钢架立柱、改变端部开间长度等对结构内力大小和分布的影响，得出如下结论：
1）防雹网设计时，冰雹荷载可用屋面活荷载进行包络设计；当扣除风雪荷载时，整体结构应力比明显下降，除端榀钢架立柱外均满足承载力需求。
2）端榀钢架立柱壁厚由2.5 mm增至4.0 mm时，弹性临界力可提升50%，应力比可减小36%，主体结构满足安全需求。
3）端榀钢架立柱内倾可减少立柱负荷，钢架立柱倾斜12°，柱底向内侧平移约1 m时，轴力减少约15%。
4）单侧端部开间长度由20 m减少至15 m时，对应端榀钢架立柱轴力减少7%，另一侧端榀钢架立柱轴力减少3%；两侧端部开间长度均减少5 m时，端榀钢架立柱轴力均减少10%。
农业农村部规划设计研究院自主研发项目(QD202412)
农业农村部规划设计研究院农规英才项目(QNYC-2024-10)
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