杲 磊,吳高賢

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

太陽能電池板輕鋼廠房結構加固設計與施工

杲 磊,吳高賢

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

該文介紹了既有門式鋼架輕鋼結構廠房屋面增加太陽能電池板后廠房結構的加固設計與施工方案。

鋼架輕鋼結構廠房; 太陽能電池板; 加固設計

近年來,隨著太陽能電池技術的不斷進步、成熟,將太陽能組件和建筑構件加以整合,形成太陽能屋面,實現“光伏發(fā)電——建筑照明一體化”成為當前建筑設計的一大趨勢。和其它類型房屋相比,門式鋼架輕鋼結構房屋屋面具有面積大、遮擋少、日照良好、易于太陽能電池板支架安裝這四大優(yōu)勢,因而成為目前大規(guī)模太陽能電池板安裝場所的最佳選擇。

對于既有門式鋼架房屋,由于其本身跨度一般較大、設計荷載一般較小,故而對荷載變化較為敏感。新增加的太陽能電池板及其支架荷載必然會引起原有結構梁、柱、檁條、基礎等構件的承載力不足,需采取加固措施后方可安裝太陽能電池組件。

1 加固設計

1.1 加固設計方案的選取應遵循以下三個原則

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

2)由于待加固廠房結構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件產生局部應力集中或焊接變形。因此,加固設計應盡可能減少焊接量,盡可能的消除焊接變形和焊接殘余應力以免對原結構產生不利影響。

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,應盡量選取加固工程量相對較小、便于施工的設計方案。

加固設計方案總圖,見圖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、無吊車的廠房:當房屋正常使用凈高允許時,可采用在梁柱節(jié)點附近斜撐的方法(圖1(a)),此方法加固工作量最小、焊接量也最小。

2)跨度較大、無吊車的廠房:當廠房上部凈空足夠時,可以原屋面梁作為桁架上弦桿,另外增設桁架下弦桿和腹桿組成平面桁架(圖1(b)),此方法還需相應設置桁架下弦水平支撐和平面外垂直支撐,加固工作量較大,對廠房使用空間影響也較大。但由于桁架與原結構之間只是通過桁架腹桿連接,此方法優(yōu)點是焊接量較小,對焊接變形控制較為有利。

3)有吊車且吊車上部凈空有限的廠房:直接加焊T形鋼以加大原屋面梁截面高度(圖1(c)),采用此方法設計時應嚴格按照鋼架彎矩包絡圖盡可能的降低加固區(qū)段長度。此方法的施工重點在于施工時對焊接變形的控制,當跨度較大時,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險,對此應特別慎重考慮。

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,對鋼柱也起到了加固作用。

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

3)如加荷后鋼柱應力為平面內強度應力控制,直接在柱強軸方向加焊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:相對原有屋面檁條采取隔一加一的形式增設C形檁條,通過新加檁條分擔原屋面檁條負荷。新加檁條與原有屋面檁條之間必須通過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,同時也能降低新加檁條平面外計算長度。

2)雙層壓型鋼板屋面:為避免破壞屋面內板,以鋼架梁為支托增設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,施工時必須以鋼架梁為支座設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(僅討論天然地基)

由于鋼結構基礎計算一般都按最小地基反力為零應力控制,當增加太陽能組件荷載后鋼架柱底彎矩增長率將超過軸力增長率,導致復核計算時基底出現零應力區(qū)。對高壓縮性地基,當基底長期出現零應力區(qū)時,會導致地基土變形、基礎傾斜,而低壓縮性地基則不然,因此,我們應該根據地基基礎的具體情況具體對待。

1)天然地基持力層為中等壓縮及以上時,可允許零應力區(qū)出現,零應力區(qū)長度以不超過15%為宜,對低壓縮性地基土(如卵石、礫石),零應力區(qū)長度可進一步放寬。但無論何種情況,地基最大反力均不得超過1.2倍地基承載力設計值。

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

1.6 注意事項

加固設計還要注意對原有鋼架梁柱拼接節(jié)點高強螺栓和柱腳錨栓承載力變化進行檢查。

2 加固施工

加固施工之前施工單位應結合設計圖紙和廠房實際情況編制詳細的施工方案,施工方案重點如下。

1)應制定詳細的焊接工藝以控制焊接變形和應力集中。

2)由于待加固廠房一般都在正常使用,應分別針對車間生產人員和施工人員安全制定具體防護措施,有條件時可合理安排加固施工和車間生產交錯進行。

3)當廠房內有易燃物堆放時,應采取防護措施以避免焊接時焊渣掉落引起失火。

4)施工操作平臺:(1)對雙梁橋式吊車廠房可直接利用吊車頂面作為移動的操作平臺;(2)對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操作平臺;(3)跨度較小且無吊車廠房可利用柱頂縱向系桿設置可移動的懸掛平臺;(4)其它情況需設置支撐在地面上的移動腳手。

3 加固工程實例

3.1 工程概況

加固廠房位于安徽寧國經濟開發(fā)區(qū),為單層多跨門式鋼架輕鋼結構。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),廠房剖面尺寸見圖2,廠房加固之前已投入正常生產使用。

基本風壓值為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。建筑抗震設防類別為丙類,抗震設防烈度為6度,場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第一組,設計基本地震加速度值為0.05 g。

場地內基礎持力層起伏較大,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立基礎,基礎持力層為風化粉砂巖,地基土承載力特征值fɑk=500 k Pa。原天然獨基設計尺寸從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,基底標高在-2～-3 m間變化(多數深于-2.4 m)。

原有廠房屋面為雙層壓型鋼板內加巖棉保溫,恒荷載為0.25 k N/m2,新增太陽能電池板及其支架荷載為0.2 k N/m2,廠房兩端跨各有一臺LDB型10 t電動單梁吊車。原廠房主鋼架材質為Q345B、檁條為Q235B,剛架新加固用鋼構件主材采用Q345B,其余新增構件均采用Q235B鋼。

3.2 原廠房結構復核

1)主鋼架:加載后鋼架楔形梁段BC應力超限,平面外穩(wěn)定應力比為1.08;梁柱拼接節(jié)點A、D兩處M20高強螺栓拉力最大值超過10.9級摩擦型預拉力值的80%,不符合《鋼結構設計規(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,中部設一道拉條。加載前按0.25 k N/m2恒載得出的檁條平面內強度控制應力為: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強度控制應力σmax=257.48＞205 N/mm2。

3)基礎:原廠房獨立基礎在標準組合作用下基底已經出現零應力區(qū),獨立基礎尺寸在邊柱為1.9 m× 2.7 m,中柱為1.7 m×2.7 m,基礎埋置深度按-2.4 m計算復核。加載后按新的柱底反力對原基礎進行復核,結果如下:邊柱基底地基反力最大值為191 k Pa、最小值為-40 k Pa,零應力區(qū)長度占基礎長度的比例為17.2%;中柱基底地基反力最大值為197 k Pa、最小值為-9 k Pa,零應力區(qū)長度占基礎長度的比例為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,復核后梁平面外穩(wěn)定應力比降至0.95。由于梁柱拼接節(jié)點A、D處僅為高強螺栓承載力不足,故只加焊了1 m×150 mm T形鋼以降低該位置螺栓拉力,同時又增加了U形卡件(構造見附圖)卡住梁柱端板以分擔螺栓負荷。

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

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

4 高女兒墻積雪荷載對門式剛架的影響

1)《建筑結構荷載規(guī)范》GB 5009—2012中7.1.2規(guī)定:對雪荷載敏感的結構,應采用100年重現期的雪壓。7.1.2條對應的條文說明解釋如下:對雪荷載敏感的結構主要指大跨、輕質屋蓋結構,此類結構的雪荷載經常是控制性荷載、極端雪荷載作用下容易造成結構整體破壞,后果特別嚴重,顯然,門式鋼架結構屬于典型的對雪荷載敏感結構。

2)2008年全國性雪災造成了大量輕鋼結構廠房屋面局部破壞甚至結構整體倒塌,造成屋面積雪遠遠超過設計取值的首要原因是當年降雪量巨大,還有一個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,當風雪同時發(fā)生時,迎風向坡面積雪在風載作用下順風方向向背風向坡面遷移,最后在背風面高女兒墻處徹底受阻堆積至女兒墻頂高度,導致局部區(qū)域雪載遠超設計值,進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計算,當女兒墻位置處積雪堆滿后的局部最大荷載達到160×2=320 kg/m3。若按《建筑結構荷載規(guī)范》7.2.1將積雪分布不均勻系數取最大值2,其對應的女兒墻位置處最大雪壓僅為55×2=110 kg/m3,兩者差距較大,可以說規(guī)范取值在這種極端情況下是不安全的。

4)對設置女兒墻的門式鋼架廠房,屋面沒有太陽能板時,如發(fā)生大雪,可以安排人員上屋面清掃積雪,如鋪設了太陽能板,則會為人員上屋面清掃積雪造成困難,成為安全隱患。為解決這個問題,我們在加固時要求將背風屋面一側女兒墻在內天溝以上墻面壓型鋼板全部或局部拆除以避免在風作用下該處積雪過量堆積。

5 加固施工時對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)太陽能電池安裝對屋面造成的最大影響是對壓型鋼板涂層造成的損傷。太陽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鋼板涂層產生一定損傷,再者,施工時電池板及其支架在屋面拖動也會損傷壓型鋼板涂層。對此,首先應該嚴格施工操作管理,精細操作,必要時建議在屋面鋪設臨時防護層,對由此造成的涂層局部損傷應在安裝完畢后仔細檢查,現場補噴防腐涂料。

6 設計建議

以該文加固工程為例,原設計單榀鋼架用鋼量為9 022 kg,檁條用鋼量(含支撐)為5 kg/m2,如果在初始設計時就計入屋面太陽能組件荷載20 kg/m2,計算得出的新設計單榀鋼架用鋼量為9 150 kg;檁條截面不變,由簡支檁改為連續(xù)檁即可,用鋼量增加10%,約為5.5 kg/m2。通過兩者對比分析,如果該加固工程在初始設計時就計入屋面太陽能組件荷載,廠房整體用鋼量增加值約2 kg/m2。此外,綜合考慮基礎、錨栓等費用影響,總造價增加約30元/m2,而從我們已經完工的幾個工程造價來看,后加太陽能加固費用約為200元/m2(其主要費用為措施費和人工費),顯然,初始設計一次性計入太陽能組件荷載更為合理。

目前,隨著我國太陽能發(fā)電運用規(guī)模的不斷增大,將會有越來越多的輕鋼結構廠房屋面成為太陽能電池屋面。通過上述工程造價的比對,我們建議在今后的輕鋼結構廠房設計時盡可能的一次性計入太陽能組件荷載。

7 實際加固效果

近幾年,太陽能發(fā)電已成為我公司支柱產業(yè)之一,大規(guī)模太陽能電池板已鋪設在我院玻璃工業(yè)園區(qū)、中航三鑫一、二線、寧國開發(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目中均有使用,加固后均通過驗收,取得了良好的經濟效益和社會效益。

[1] 陳振河.淺談門式輕鋼結構施工的體會[J].山西建筑,2003,29(4):93-94.

[2] 黃凱旋,黃順良.門式輕鋼結構現狀與設計探討[J].化工設計,2000,29(6):21-25.

[3] 張昭云.關于門式輕鋼結構柱底抗剪鍵設置的探討[J].有色金屬設計,2010,37(2):31-35.

[4] 李新泰,王合乾,焦 平.門式輕鋼結構檢測鑒定中幾個問題的探討[J].山西建筑,2013,39(5):29-31.

[5] 劉 焦,郭 恒,朱 賀.飛門式輕鋼結構應用現狀[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-),高級工程師.E-mail:812249980@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.016