太陽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

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

太陽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

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

該文介紹了既有門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面增加太陽能電池板后廠房結(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; 太陽能電池板; 加固設(shè)計(jì)

近年來,隨著太陽能電池技術(shù)的不斷進(jìn)步、成熟,將太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合,形成太陽能屋面,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。和其它類型房屋相比,門式鋼架輕鋼結(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(shè)計(jì)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(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較小、便于施工的設(shè)計(jì)方案。

加固設(shè)計(jì)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(dāng)房屋正常使用凈高允許時,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、無吊車的廠房:當(dāng)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(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)之間只是通過桁架腹桿連接,此方法優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)時應(yīng)嚴(yán)格按照鋼架彎矩包絡(luò)圖盡可能的降低加固區(qū)段長度。此方法的施工重點(diǎn)在于施工時對焊接變形的控制,當(dāng)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(fēng)險,對此應(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,對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:相對原有屋面檁條采取隔一加一的形式增設(shè)C形檁條,通過新加檁條分擔(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(jì)算長度。

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)增加太陽能組件荷載后鋼架柱底彎矩增長率將超過軸力增長率,導(dǎo)致復(fù)核計(jì)算時基底出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。對高壓縮性地基,當(dāng)基底長期出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)時,會導(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)的具體情況具體對待。

1)天然地基持力層為中等壓縮及以上時,可允許零應(yīng)力區(qū)出現(xiàn),零應(yīng)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(yīng)力區(qū)長度可進(jìn)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(shè)計(jì)值。

2)天然地基持力層為高壓縮性時,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,有條件時可合理安排加固施工和車間生產(chǎn)交錯進(jìn)行。

3)當(dāng)廠房內(nèi)有易燃物堆放時,應(yīng)采取防護(hù)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(shè)置可移動的懸掛平臺;(4)其它情況需設(shè)置支撐在地面上的移動腳手。

3 加固工程實(shí)例

3.1 工程概況

加固廠房位于安徽寧國經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),為單層多跨門式鋼架輕鋼結(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(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10.9級摩擦型預(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)長度占基礎(chǔ)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(yīng)力區(qū)長度占基礎(chǔ)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(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,同時又增加了U形卡件(構(gòu)造見附圖)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門式剛架的影響

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條對應(yīng)的條文說明解釋如下:對雪荷載敏感的結(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,門式鋼架結(jié)構(gòu)屬于典型的對雪荷載敏感結(jié)構(gòu)。

2)2008年全國性雪災(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)超過設(shè)計(jì)取值的首要原因是當(dāng)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(dāng)風(fēng)雪同時發(fā)生時,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,可以說規(guī)范取值在這種極端情況下是不安全的。

4)對設(shè)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(shè)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(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(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(chǎn)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(yīng)該嚴(yán)格施工操作管理,精細(xì)操作,必要時建議在屋面鋪設(shè)臨時防護(hù)層,對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)時就計(jì)入屋面太陽能組件荷載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(shè)計(jì)時就計(jì)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(chǔ)、錨栓等費(fèi)用影響,總造價增加約30元/m2,而從我們已經(jīng)完工的幾個工程造價來看,后加太陽能加固費(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)入太陽能組件荷載更為合理。

目前,隨著我國太陽能發(fā)電運(yùn)用規(guī)模的不斷增大,將會有越來越多的輕鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)時盡可能的一次性計(jì)入太陽能組件荷載。

7 實(shí)際加固效果

近幾年,太陽能發(fā)電已成為我公司支柱產(chǎn)業(yè)之一,大規(guī)模太陽能電池板已鋪設(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(xiàng)目中均有使用,加固后均通過驗(yàn)收,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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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