太陽(yáng)能電池板輕鋼廠房結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)與施工

杲 磊,吳高賢

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

太陽(yáng)能電池板輕鋼廠房結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)與施工

杲 磊,吳高賢

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

該文介紹了既有門(mén)式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面增加太陽(yáng)能電池板后廠房結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)與施工方案。

鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房; 太陽(yáng)能電池板; 加固設(shè)計(jì)

近年來(lái),隨著太陽(yáng)能電池技術(shù)的不斷進(jìn)步、成熟,將太陽(yáng)能組件和建筑構(gòu)件加以整合,形成太陽(yáng)能屋面,實(shí)現(xiàn)“光伏發(fā)電——建筑照明一體化”成為當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)的一大趨勢(shì)。和其它類型房屋相比,門(mén)式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)房屋屋面具有面積大、遮擋少、日照良好、易于太陽(yáng)能電池板支架安裝這四大優(yōu)勢(shì),因而成為目前大規(guī)模太陽(yáng)能電池板安裝場(chǎng)所的最佳選擇。

對(duì)于既有門(mén)式鋼架房屋,由于其本身跨度一般較大、設(shè)計(jì)荷載一般較小,故而對(duì)荷載變化較為敏感。新增加的太陽(yáng)能電池板及其支架荷載必然會(huì)引起原有結(jié)構(gòu)梁、柱、檁條、基礎(chǔ)等構(gòu)件的承載力不足,需采取加固措施后方可安裝太陽(yáng)能電池組件。

1 加固設(shè)計(jì)

1.1 加固設(shè)計(jì)方案的選取應(yīng)遵循以下三個(gè)原則

1)由于待加固廠房一般都在正常使用,設(shè)計(jì)方案應(yīng)保證原有廠房的正常使用功能不受或盡量少受影響。

2)由于待加固廠房結(jié)構(gòu)在加固前已處于受荷狀態(tài),加固施工可能因焊接引起原有構(gòu)件產(chǎn)生局部應(yīng)力集中或焊接變形。因此,加固設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減少焊接量,盡可能的消除焊接變形和焊接殘余應(yīng)力以免對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

3)由于加固施工一般都為高空作業(yè)且施工操作面較小、施工難度較大,應(yīng)盡量選取加固工程量相對(duì)較小、便于施工的設(shè)計(jì)方案。

加固設(shè)計(jì)方案總圖,見(jiàn)圖1。

1.2 屋面梁

梁的加固形式較多,按照不同廠房的不同情況,有以下三種方法。

1)跨度較小、無(wú)吊車的廠房:當(dāng)房屋正常使用凈高允許時(shí),可采用在梁柱節(jié)點(diǎn)附近斜撐的方法(圖1(a)),此方法加固工作量最小、焊接量也最小。

2)跨度較大、無(wú)吊車的廠房:當(dāng)廠房上部?jī)艨兆銐驎r(shí),可以原屋面梁作為桁架上弦桿,另外增設(shè)桁架下弦桿和腹桿組成平面桁架(圖1(b)),此方法還需相應(yīng)設(shè)置桁架下弦水平支撐和平面外垂直支撐,加固工作量較大,對(duì)廠房使用空間影響也較大。但由于桁架與原結(jié)構(gòu)之間只是通過(guò)桁架腹桿連接,此方法優(yōu)點(diǎn)是焊接量較小,對(duì)焊接變形控制較為有利。

3)有吊車且吊車上部?jī)艨沼邢薜膹S房:直接加焊T形鋼以加大原屋面梁截面高度(圖1(c)),采用此方法設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照鋼架彎矩包絡(luò)圖盡可能的降低加固區(qū)段長(zhǎng)度。此方法的施工重點(diǎn)在于施工時(shí)對(duì)焊接變形的控制,當(dāng)跨度較大時(shí),如仍然采用加焊T形鋼方案則意味著更大的焊接量和更大的焊接變形風(fēng)險(xiǎn),對(duì)此應(yīng)特別慎重考慮。

1.3 鋼架柱

1)1.2中屋面梁加固方案1)、2)在加固屋面梁的同時(shí),對(duì)鋼柱也起到了加固作用。

2)如加荷后鋼柱應(yīng)力為平面外穩(wěn)定應(yīng)力控制,可在柱平面外弱軸方向直接加焊T形鋼(圖1(d));也可以直接增設(shè)柱間水平系桿以減小平面外計(jì)算長(zhǎng)度,新增加的柱間水平系桿一定要與原結(jié)構(gòu)柱間支撐系統(tǒng)的斜撐連接,否則起不到支撐作用。

3)如加荷后鋼柱應(yīng)力為平面內(nèi)強(qiáng)度應(yīng)力控制,直接在柱強(qiáng)軸方向加焊T形鋼以加大柱截面高度(圖1(c))。

1.4 屋面檁條

1)單層壓型鋼板屋面:相對(duì)原有屋面檁條采取隔一加一的形式增設(shè)C形檁條,通過(guò)新加檁條分擔(dān)原屋面檁條負(fù)荷。新加檁條與原有屋面檁條之間必須通過(guò)檁條平面外支撐系統(tǒng)連成一體以保證屋面坡向荷載傳遞的連續(xù)性,同時(shí)也能降低新加檁條平面外計(jì)算長(zhǎng)度。

2)雙層壓型鋼板屋面:為避免破壞屋面內(nèi)板,以鋼架梁為支托增設(shè)與屋面檁條垂直的橫向支撐梁以降低檁條跨度(圖1(e)),和方法一相比。此方法施工難度變大,施工時(shí)必須以鋼架梁為支座設(shè)置小型千斤頂將橫向支撐梁與原有屋面檁條頂緊。

1.5 基礎(chǔ)(僅討論天然地基)

由于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計(jì)算一般都按最小地基反力為零應(yīng)力控制,當(dāng)增加太陽(yáng)能組件荷載后鋼架柱底彎矩增長(zhǎng)率將超過(guò)軸力增長(zhǎng)率,導(dǎo)致復(fù)核計(jì)算時(shí)基底出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。對(duì)高壓縮性地基,當(dāng)基底長(zhǎng)期出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)時(shí),會(huì)導(dǎo)致地基土變形、基礎(chǔ)傾斜,而低壓縮性地基則不然,因此,我們應(yīng)該根據(jù)地基基礎(chǔ)的具體情況具體對(duì)待。

1)天然地基持力層為中等壓縮及以上時(shí),可允許零應(yīng)力區(qū)出現(xiàn),零應(yīng)力區(qū)長(zhǎng)度以不超過(guò)15%為宜,對(duì)低壓縮性地基土(如卵石、礫石),零應(yīng)力區(qū)長(zhǎng)度可進(jìn)一步放寬。但無(wú)論何種情況,地基最大反力均不得超過(guò)1.2倍地基承載力設(shè)計(jì)值。

2)天然地基持力層為高壓縮性時(shí),加載復(fù)核后基礎(chǔ)底面不允許零應(yīng)力區(qū)出現(xiàn),不足時(shí)需采取加固措施加大基礎(chǔ)面積和基礎(chǔ)厚度。

1.6 注意事項(xiàng)

加固設(shè)計(jì)還要注意對(duì)原有鋼架梁柱拼接節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓和柱腳錨栓承載力變化進(jìn)行檢查。

2 加固施工

加固施工之前施工單位應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙和廠房實(shí)際情況編制詳細(xì)的施工方案,施工方案重點(diǎn)如下。

1)應(yīng)制定詳細(xì)的焊接工藝以控制焊接變形和應(yīng)力集中。

2)由于待加固廠房一般都在正常使用,應(yīng)分別針對(duì)車間生產(chǎn)人員和施工人員安全制定具體防護(hù)措施,有條件時(shí)可合理安排加固施工和車間生產(chǎn)交錯(cuò)進(jìn)行。

3)當(dāng)廠房?jī)?nèi)有易燃物堆放時(shí),應(yīng)采取防護(hù)措施以避免焊接時(shí)焊渣掉落引起失火。

4)施工操作平臺(tái):(1)對(duì)雙梁橋式吊車廠房可直接利用吊車頂面作為移動(dòng)的操作平臺(tái);(2)對(duì)單梁吊車廠房可利用既有吊車梁為支座,另外制作桁架式移動(dòng)操作平臺(tái);(3)跨度較小且無(wú)吊車廠房可利用柱頂縱向系桿設(shè)置可移動(dòng)的懸掛平臺(tái);(4)其它情況需設(shè)置支撐在地面上的移動(dòng)腳手。

3 加固工程實(shí)例

3.1 工程概況

加固廠房位于安徽寧國(guó)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū),為單層多跨門(mén)式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)。廠房平面尺寸為150 m×100 m(縱向柱距6 m,橫向共4跨、單跨跨度25 m),廠房剖面尺寸見(jiàn)圖2,廠房加固之前已投入正常生產(chǎn)使用。

基本風(fēng)壓值為0.35 k N/m2,地面粗糙類別為B類,基本雪壓值為0.50 k N/m2。建筑抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為6度,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g。

場(chǎng)地內(nèi)基礎(chǔ)持力層起伏較大,持力層較深部位采用了人工挖孔樁(一柱一樁),持力層較淺部位為天然地基上的獨(dú)立基礎(chǔ),基礎(chǔ)持力層為風(fēng)化粉砂巖,地基土承載力特征值fɑk=500 k Pa。原天然獨(dú)基設(shè)計(jì)尺寸從A軸到E軸分別為1.9 m×2.9 m、1.7 m×2.7 m、1.7 m×2.7 m、1.7 m×2.7 m、1.9 m×2.9 m,基底標(biāo)高在-2～-3 m間變化(多數(shù)深于-2.4 m)。

原有廠房屋面為雙層壓型鋼板內(nèi)加巖棉保溫,恒荷載為0.25 k N/m2,新增太陽(yáng)能電池板及其支架荷載為0.2 k N/m2,廠房?jī)啥丝绺饔幸慌_(tái)LDB型10 t電動(dòng)單梁吊車。原廠房主鋼架材質(zhì)為Q345B、檁條為Q235B,剛架新加固用鋼構(gòu)件主材采用Q345B,其余新增構(gòu)件均采用Q235B鋼。

3.2 原廠房結(jié)構(gòu)復(fù)核

1)主鋼架:加載后鋼架楔形梁段BC應(yīng)力超限,平面外穩(wěn)定應(yīng)力比為1.08;梁柱拼接節(jié)點(diǎn)A、D兩處M20高強(qiáng)螺栓拉力最大值超過(guò)10.9級(jí)摩擦型預(yù)拉力值的80%,不符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.2.2.2的要求。

2)屋面檁條:原檁條規(guī)格為C180 m×70 m×20 m×2.2 m,檁距1.5 m,中部設(shè)一道拉條。加載前按0.25 k N/m2恒載得出的檁條平面內(nèi)強(qiáng)度控制應(yīng)力為:σmax=185.954＜205 N/mm2,加載后按0.45 k N/m2恒載得出的檁條平面內(nèi)強(qiáng)度控制應(yīng)力σmax=257.48＞205 N/mm2。

3)基礎(chǔ):原廠房獨(dú)立基礎(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下基底已經(jīng)出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū),獨(dú)立基礎(chǔ)尺寸在邊柱為1.9 m× 2.7 m,中柱為1.7 m×2.7 m,基礎(chǔ)埋置深度按-2.4 m計(jì)算復(fù)核。加載后按新的柱底反力對(duì)原基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)核,結(jié)果如下:邊柱基底地基反力最大值為191 k Pa、最小值為-40 k Pa,零應(yīng)力區(qū)長(zhǎng)度占基礎(chǔ)長(zhǎng)度的比例為17.2%;中柱基底地基反力最大值為197 k Pa、最小值為-9 k Pa,零應(yīng)力區(qū)長(zhǎng)度占基礎(chǔ)長(zhǎng)度的比例為4.3%。

3.3 廠房加固措施

1)主鋼架:鋼架楔形梁段BC如圖所示采用了加焊150 mm T形鋼方案,復(fù)核后梁平面外穩(wěn)定應(yīng)力比降至0.95。由于梁柱拼接節(jié)點(diǎn)A、D處僅為高強(qiáng)螺栓承載力不足,故只加焊了1 m×150 mm T形鋼以降低該位置螺栓拉力,同時(shí)又增加了U形卡件(構(gòu)造見(jiàn)附圖)卡住梁柱端板以分擔(dān)螺栓負(fù)荷。

2)屋面檁條:采用圖1(e)加固方式,將檁條由6 m跨單跨簡(jiǎn)支變成了3跨連續(xù)檁,按0.45 k N/m2恒載復(fù)核的檁條平面內(nèi)強(qiáng)度控制應(yīng)力σmax=155.26＜205 N/mm2,滿足規(guī)范要求:由于基礎(chǔ)持力層“第3層中風(fēng)化粉砂巖”的壓縮性非常低,基礎(chǔ)不會(huì)出現(xiàn)由于地基不均勻受力而引起的基礎(chǔ)傾斜。

另外,加載復(fù)核后的地基反力最大值Pmax=175 k Pa＜1.2fɑk=1.2×280=336 k Pa,且基礎(chǔ)沖切、配筋均符合規(guī)范要求,故基礎(chǔ)不再處理。

4 高女兒墻積雪荷載對(duì)門(mén)式剛架的影響

1)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 5009—2012中7.1.2規(guī)定:對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu),應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓。7.1.2條對(duì)應(yīng)的條文說(shuō)明解釋如下:對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)主要指大跨、輕質(zhì)屋蓋結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)的雪荷載經(jīng)常是控制性荷載、極端雪荷載作用下容易造成結(jié)構(gòu)整體破壞,后果特別嚴(yán)重,顯然,門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)屬于典型的對(duì)雪荷載敏感結(jié)構(gòu)。

2)2008年全國(guó)性雪災(zāi)造成了大量輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面局部破壞甚至結(jié)構(gòu)整體倒塌,造成屋面積雪遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)取值的首要原因是當(dāng)年降雪量巨大,還有一個(gè)重要原因就是屋面高女兒墻造成的雪載局部堆積。以雙坡屋面為例,當(dāng)風(fēng)雪同時(shí)發(fā)生時(shí),迎風(fēng)向坡面積雪在風(fēng)載作用下順風(fēng)方向向背風(fēng)向坡面遷移,最后在背風(fēng)面高女兒墻處徹底受阻堆積至女兒墻頂高度,導(dǎo)致局部區(qū)域雪載遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值,進(jìn)而引起屋面壓型鋼板、檁條破壞,引起鋼架梁柱失穩(wěn)破壞,如果再伴隨著小雨,將干雪變成濕雪,致使積雪荷載進(jìn)一步增大,危害也就更大了。

3)該文加固廠房女兒墻高1.6 m,地理位置接近浙江,積雪密度按200 kg/m3計(jì)算,當(dāng)女兒墻位置處積雪堆滿后的局部最大荷載達(dá)到160×2=320 kg/m3。若按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》7.2.1將積雪分布不均勻系數(shù)取最大值2,其對(duì)應(yīng)的女兒墻位置處最大雪壓僅為55×2=110 kg/m3,兩者差距較大,可以說(shuō)規(guī)范取值在這種極端情況下是不安全的。

4)對(duì)設(shè)置女兒墻的門(mén)式鋼架廠房,屋面沒(méi)有太陽(yáng)能板時(shí),如發(fā)生大雪,可以安排人員上屋面清掃積雪,如鋪設(shè)了太陽(yáng)能板,則會(huì)為人員上屋面清掃積雪造成困難,成為安全隱患。為解決這個(gè)問(wèn)題,我們?cè)诩庸虝r(shí)要求將背風(fēng)屋面一側(cè)女兒墻在內(nèi)天溝以上墻面壓型鋼板全部或局部拆除以避免在風(fēng)作用下該處積雪過(guò)量堆積。

5 加固施工時(shí)對(duì)壓型鋼板屋面的影響

1)壓型鋼板是采用鍍鋅鋼板、冷軋鋼板、彩色鋼板等作原料,經(jīng)輥壓冷彎成各種波形的壓型板,建筑常用鍍鋁鋅鋼板是AZ150,即鍍層重量為150 g/m,鋼板單面鍍層的最小厚度為20μm。

2)太陽(yáng)能電池安裝對(duì)屋面造成的最大影響是對(duì)壓型鋼板涂層造成的損傷。太陽(yáng)能電池板支架與壓型鋼板普遍采用波峰鎖邊咬合的固定方式,鎖邊咬合不可避免的對(duì)鋼板涂層產(chǎn)生一定損傷,再者,施工時(shí)電池板及其支架在屋面拖動(dòng)也會(huì)損傷壓型鋼板涂層。對(duì)此,首先應(yīng)該嚴(yán)格施工操作管理,精細(xì)操作,必要時(shí)建議在屋面鋪設(shè)臨時(shí)防護(hù)層,對(duì)由此造成的涂層局部損傷應(yīng)在安裝完畢后仔細(xì)檢查,現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)噴防腐涂料。

6 設(shè)計(jì)建議

以該文加固工程為例,原設(shè)計(jì)單榀鋼架用鋼量為9 022 kg,檁條用鋼量(含支撐)為5 kg/m2,如果在初始設(shè)計(jì)時(shí)就計(jì)入屋面太陽(yáng)能組件荷載20 kg/m2,計(jì)算得出的新設(shè)計(jì)單榀鋼架用鋼量為9 150 kg;檁條截面不變,由簡(jiǎn)支檁改為連續(xù)檁即可,用鋼量增加10%,約為5.5 kg/m2。通過(guò)兩者對(duì)比分析,如果該加固工程在初始設(shè)計(jì)時(shí)就計(jì)入屋面太陽(yáng)能組件荷載,廠房整體用鋼量增加值約2 kg/m2。此外,綜合考慮基礎(chǔ)、錨栓等費(fèi)用影響,總造價(jià)增加約30元/m2,而從我們已經(jīng)完工的幾個(gè)工程造價(jià)來(lái)看,后加太陽(yáng)能加固費(fèi)用約為200元/m2(其主要費(fèi)用為措施費(fèi)和人工費(fèi)),顯然,初始設(shè)計(jì)一次性計(jì)入太陽(yáng)能組件荷載更為合理。

目前,隨著我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電運(yùn)用規(guī)模的不斷增大,將會(huì)有越來(lái)越多的輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面成為太陽(yáng)能電池屋面。通過(guò)上述工程造價(jià)的比對(duì),我們建議在今后的輕鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的一次性計(jì)入太陽(yáng)能組件荷載。

7 實(shí)際加固效果

近幾年,太陽(yáng)能發(fā)電已成為我公司支柱產(chǎn)業(yè)之一,大規(guī)模太陽(yáng)能電池板已鋪設(shè)在我院玻璃工業(yè)園區(qū)、中航三鑫一、二線、寧國(guó)開(kāi)發(fā)區(qū)等廠房的屋面上,該文所述的各種加固方法在這些項(xiàng)目中均有使用,加固后均通過(guò)驗(yàn)收,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 陳振河.淺談門(mén)式輕鋼結(jié)構(gòu)施工的體會(huì)[J].山西建筑,2003,29(4):93-94.

[2] 黃凱旋,黃順良.門(mén)式輕鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)探討[J].化工設(shè)計(jì),2000,29(6):21-25.

[3] 張昭云.關(guān)于門(mén)式輕鋼結(jié)構(gòu)柱底抗剪鍵設(shè)置的探討[J].有色金屬設(shè)計(jì),2010,37(2):31-35.

[4] 李新泰,王合乾,焦 平.門(mén)式輕鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J].山西建筑,2013,39(5):29-31.

[5] 劉 焦,郭 恒,朱 賀.飛門(mén)式輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].山西建筑,2007,33(33):87-88.

Structural Reinforcement Design and Construction of Light-weight Steel Factory Buildings with Solar Panels

GAO Lei,WU Gɑo-xiɑn
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

This article introduces a structural reinforcement and constrcution plan for light-weight steel factory buildings with protal rigid frames after the installation of solar panels on the roofs.

light-weight steel factory buildings; solar panels; reinforcement design

2014-05-15.

杲 磊(1970-),高級(jí)工程師.E-mail:812249980@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.016