本文是一篇土木工程论文，本文综合运用现场实测与数值模拟相结合的研究方法，建立准确的数值模型开展深化研究和拓展分析。
1 前言
1.1 研究背景与意义
我国是一个农业大国和人口大国，由于人均土地资源的日益匮乏和对农产品数量与质量日益增长的需求，必须坚定不移地走“设施强农”之路。提高农业综合生产能力必须优化农业产业结构，要巩固蔬菜产业优势，需大力发展设施蔬菜和智慧农业大棚。随着适合不同地区、不同自然条件的设施技术不断提升以及资金的持续投入，我国设施农业面积由20世纪70年代的0.7万公顷，发展到2017年底已突破370万公顷，约占世界设施农业总面积的80%，截至2022年面积已有400万公顷，我国成为名副其实的设施农业大国。
我国农业温室大棚以塑料大棚为主，塑料大棚在设施农业生产中应用广泛，对促进农业可持续发展十分重要（付玉芳等, 2020）。我国塑料大棚中拱棚占比最大，拱形塑料大棚具有结构简单，耗材较少，抵抗自然灾害、延长作物生长期等优点，能够实现作物稳产增产。疫情期间，大棚所产生的经济、社会效益更为明显，有效缓解了各地果蔬供应压力。但塑料大棚仍存在结构设计不合理、缺乏规范和标准、防灾能力差、夏季棚内温度过高等问题（图1-1），大大降低了生产效益。塑料大棚是轻型结构，对风荷载十分敏感，大风时易发生破坏（Kendirli, 2006; 王健等, 2007; 张连永等, 2008; 陶冶等, 2014; 王军林等, 2017; Kim et al., 2019）。随着农业生产不断发展，小跨度普通拱形塑料大棚因室内空间小、作业环境差，无法满足机械化生产的要求，这就要求棚内具有较大跨度和高度来保证充足的作业空间。我国夏季大部分地区多风、气温较高、多暴雨，现有普通大跨度拱棚虽较好解决了机械化操作等问题、提高了土地利用率，但跨度增大使其对抗风性能具有更高要求（马宁等, 2016; 郄丽娟等, 2019; 孙锦等, 2019）。同时，棚内高温不利于农作物生长，为保证棚内具有适宜的温湿度环境，应注重对棚内微环境进行调控，从而提高农作物产量和生产效益。在上述背景之下，对普通大跨度拱棚的结构优化及抗风、通风性能的研究十分必要。
1.2 棚型发展研究现状
由于不同地区的温湿度及风力大小存在明显的差异，国内众多学者结合当地的环境特点不断设计并应用新型的塑料大棚，为提升塑料大棚的抗灾害能力进行持续探索。杨小锋等（2016）采用多重覆盖、基础加固、无立柱空间，优化设计出一种经济型、可抗13级台风及适合机械化作业的GP—C5250A钢管塑料大棚，其降温理想、抗风性好、便于机械化作业、装卸方便，同时能保证设施结构稳定性。侯莹莹（2018）在风荷载下设施塑料大棚的优化方向中提到，由于大棚的顶部和两侧作为受风时风力的过渡区，受力最为复杂，容易发生破坏，应对设施塑料大棚的顶部和两侧进行优化和加固，确保设施塑料大棚的整体封闭性和稳定性。为研究不同棚型对大棚抗风能力的影响，国内外许多学者对温室开始遭受损失时的临界风速和风险概率进行研究，确立了区域性风压力指标与抗风等级。吕家圣（2013）提到不同形式的温室建筑对风荷载的敏感程度差异巨大，对大风灾害防御和设施结构优化设计的前提是确定风压力的指标。杨再强等（2012）通过研究设施大棚表面风压分布规律，计算设施大棚各区域发生风灾的临界风速。刘建等（2017）通过台风对海南大棚造成的破坏进行分析，得到海南地区大棚抗风荷载的取值以及抗风等级的2个最低标准。陈笑娟等（2019）对河北省设施农业的抗风能力进行风险预警等级划分，研究得到日光温室和大、中、小拱棚开始出现损失的临界风速分别为18 m/s、12 m/s、8 m/s和6 m/s，并确定了抗风等级。大跨度塑料大棚被广泛应用，其在结构安全性及夏季通风降温性能方面优势突出。刘建等（2015）根据海南夏秋蔬菜生产的自然条件，提出一种新型抗台风单栋大跨度的塑料拱棚，显著提高结构安全性，大棚两端及两侧能形成良好的自然通风，建造用地灵活，后期维护使用方便。魏鑫等（2016）对8~20 m跨度的塑料大棚进行了环境测试与分析，结果表明16 m跨度的塑料大棚能保持较高光照强度，在降温、保湿方面具有较大优势，在夏季更具有推广性。董晓星等（2018）开发出了大跨度塑料大棚，大大提高了土地利用率和采光性，顶部和侧面通风口设置提高了夏季通风效果。王克磊等（2021）设计了一种新型大跨度单体塑料大棚，对大棚内外温度和光照环境进行测试与分析，结果表明适当增加大棚跨度可提高机械化作业效率，改善棚内温光分布，具有推广使用的可行性。
2 工程概况与数值模拟
2.1 工程概况
大跨度M型大棚（以下简称M型大棚）包括若干个沿纵向依次设置的M型棚架单元（图2-1），棚架单元通常为桁架结构，相邻M型棚架单元之间通过卡簧与纵拉杆相连，纵拉杆平行于水平面设置。在其中间深凹位置沿纵向设置排水天沟，排水天沟呈梯形断面，排水坡度为0.5%~1.0%，当天沟长度在40 m以内时可单向排水，超过40 m时采用双向排水为宜，材质采用厚度为0.5 mm的彩钢板。排水天沟下设横梁与支撑立柱，立柱采用截面积为50 mm×100 mm的热镀锌方管，垂直于地面埋置，埋深0.5 m，纵向间距为3.0 m。通风口设置在M型大棚两侧肩部位置及中间深凹V型区域两侧位置，共4道。在通风口上下两侧及山墙位置布置压膜槽，于M型棚架单元之间布置压膜线。棚门设置在山墙上，门宽度2.0~2.5 m，高度2.0~2.4 m，采用推拉形式开合。M型塑料大棚的跨度、肩高、脊高均具有较大尺寸，有足够空间实现多层覆盖，可实现棚内机械化作业，从而提高生产作业效率。
M型大棚具有普通大跨度拱棚净空高、通透性好、适于机械化作业等优点，且优化后的M型大棚较普通大跨度拱棚无论是在封闭还是开口状态下均具有更优的抗风性能，其棚顶“V”型结构更利于通风，能为作物提供更适宜的生长环境。普通大跨度拱棚与M型大棚均位于山东济南莱芜（北纬36.24°，东经117.35°）试验站（图2-2），此区域为温带季风气候。大棚均呈南北走向，几何特征为：棚高5 m，肩高2.2 m；跨度方向总宽20 m，总长60 m。温室用po膜覆盖，两侧均配有连续的侧向通风口（卷帘式），下侧距离地面0.3 m高，最大开口为1.0 m。
2.2 工况设置
（1）不同风向角下M型大棚与普通大跨度拱棚的抗风性能与对比分析
本研究采用CFD方法，基于棚体结构对称性和当地主导风向，选取0°、30°、45°、60°和90°五种典型的风向角，对实际工程背景下的M型大棚与普通大跨度拱棚的表面风压分布规律及大小进行分析，并计算分区风荷载体型系数定量评价抗风性能。其中，0°对应大棚的跨度方向，90°对应大棚的长度方向。结合风压分布规律、大棚的形状结构及功能对棚面和山墙进行分区，棚身分区如图2-4所示。
X轴方向以M型塑料大棚的V型区域、棚肩为界，分为迎风面棚顶（W）、中间棚顶（T）、背风面棚顶（L），Z轴方向取距离两侧山墙10 m（L/6）的位置进行划分，将棚面划分为左侧（L）、中部（M）及右侧（R），最终将棚面划分为LW、MW、RW、LT、MT、RT、LL、ML、RL共9个区域。将90°风向角下迎风面山墙定义为左侧山墙，背风面山墙定义为右侧山墙，两侧山墙以M型大棚V型区域为界划分为LG1、LG2、LG3和RG1、RG2、RG3共6个区域。
（2）M型大棚V型角度的优化
大棚形状结构对棚体表面的风压有很大影响，因此首先对M型大棚棚顶V型区域的角度（V）进行优化，以得到抗风最优的M型大棚棚型结构。如图2-4（b）所示，V型区域底部连接立柱，立柱高度保持不变，棚顶最高处向两侧产生偏移，从而使V变化。结合棚顶V型区域的通风功能，以30°、60°、75°、85°、90°、95°、105°、120°、150°共9种角度为变量建立大棚模型。通过计算分区风荷载体型系数对夏季主导风向（0°风向角）下大棚的表面风压进行量化。
3 通风口关闭时大跨度农业大棚抗风性能研究与对比分析 ........................ 32
3.1 不同风向角下棚外风场 ......................... 32
3.1.1 0°风向角 ................................. 32
3.1.2 斜风向（30°、45°、60°风向角） ........................... 32
4 通风口开启时大跨度农业大棚抗风性能研究与对比分析 .................... 43
4.1 通风口不同开启方式下的气流分布 .................... 43
4.2 整体风压分布 ......................... 45
5 大跨度农业大棚通风降温性能研究与对比分析 ................... 54
5.1 通风降温性能 .................................. 54
5.2 气流分布 ......................... 56
5 大跨度农业大棚通风降温性能研究与对比分析
5.1 通风降温性能
图5-1为大棚内测点从通风口开启至1200 s内的温度变化图，作物内测点高度为0.8 m，冠层测点在作物上方0.2 m处。分析可知棚内测点温度在通风口开启300 s左右基本可以达到稳定状态。随着作物高度的增加，棚内降温减慢。M型大棚与普通大跨度拱棚的温差在作物高度1.8 m时达到最大值。
6 结论与展望
6.1 结论
为了提高普通大跨度拱棚的抗风性能，减少风致破坏带来的损失，同时实现良好的通
