太阳能电池板轻钢厂房结构加固设计与施工

杲 磊,吴高贤

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

太阳能电池板轻钢厂房结构加固设计与施工

杲 磊,吴高贤

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

该文介绍了既有门式钢架轻钢结构厂房屋面增加太阳能电池板后厂房结构的加固设计与施工方案。

钢架轻钢结构厂房; 太阳能电池板; 加固设计

近年来,随着太阳能电池技术的不断进步、成熟,将太阳能组件和建筑构件加以整合,形成太阳能屋面,实现“光伏发电——建筑照明一体化”成为当前建筑设计的一大趋势。和其它类型房屋相比,门式钢架轻钢结构房屋屋面具有面积大、遮挡少、日照良好、易于太阳能电池板支架安装这四大优势,因而成为目前大规模太阳能电池板安装场所的最佳选择。

对于既有门式钢架房屋,由于其本身跨度一般较大、设计荷载一般较小,故而对荷载变化较为敏感。新增加的太阳能电池板及其支架荷载必然会引起原有结构梁、柱、檩条、基础等构件的承载力不足,需采取加固措施后方可安装太阳能电池组件。

1 加固设计

1.1 加固设计方案的选取应遵循以下三个原则

1)由于待加固厂房一般都在正常使用,设计方案应保证原有厂房的正常使用功能不受或尽量少受影响。

2)由于待加固厂房结构在加固前已处于受荷状态,加固施工可能因焊接引起原有构件产生局部应力集中或焊接变形。因此,加固设计应尽可能减少焊接量,尽可能的消除焊接变形和焊接残余应力以免对原结构产生不利影响。

3)由于加固施工一般都为高空作业且施工操作面较小、施工难度较大,应尽量选取加固工程量相对较小、便于施工的设计方案。

加固设计方案总图,见图1。

1.2 屋面梁

梁的加固形式较多,按照不同厂房的不同情况,有以下三种方法。

1)跨度较小、无吊车的厂房:当房屋正常使用净高允许时,可采用在梁柱节点附近斜撑的方法(图1(a)),此方法加固工作量最小、焊接量也最小。

2)跨度较大、无吊车的厂房:当厂房上部净空足够时,可以原屋面梁作为桁架上弦杆,另外增设桁架下弦杆和腹杆组成平面桁架(图1(b)),此方法还需相应设置桁架下弦水平支撑和平面外垂直支撑,加固工作量较大,对厂房使用空间影响也较大。但由于桁架与原结构之间只是通过桁架腹杆连接,此方法优点是焊接量较小,对焊接变形控制较为有利。

3)有吊车且吊车上部净空有限的厂房:直接加焊T形钢以加大原屋面梁截面高度(图1(c)),采用此方法设计时应严格按照钢架弯矩包络图尽可能的降低加固区段长度。此方法的施工重点在于施工时对焊接变形的控制,当跨度较大时,如仍然采用加焊T形钢方案则意味着更大的焊接量和更大的焊接变形风险,对此应特别慎重考虑。

1.3 钢架柱

1)1.2中屋面梁加固方案1)、2)在加固屋面梁的同时,对钢柱也起到了加固作用。

2)如加荷后钢柱应力为平面外稳定应力控制,可在柱平面外弱轴方向直接加焊T形钢(图1(d));也可以直接增设柱间水平系杆以减小平面外计算长度,新增加的柱间水平系杆一定要与原结构柱间支撑系统的斜撑连接,否则起不到支撑作用。

3)如加荷后钢柱应力为平面内强度应力控制,直接在柱强轴方向加焊T形钢以加大柱截面高度(图1(c))。

1.4 屋面檩条

1)单层压型钢板屋面:相对原有屋面檩条采取隔一加一的形式增设C形檩条,通过新加檩条分担原屋面檩条负荷。新加檩条与原有屋面檩条之间必须通过檩条平面外支撑系统连成一体以保证屋面坡向荷载传递的连续性,同时也能降低新加檩条平面外计算长度。

2)双层压型钢板屋面:为避免破坏屋面内板,以钢架梁为支托增设与屋面檩条垂直的横向支撑梁以降低檩条跨度(图1(e)),和方法一相比。此方法施工难度变大,施工时必须以钢架梁为支座设置小型千斤顶将横向支撑梁与原有屋面檩条顶紧。

1.5 基础(仅讨论天然地基)

由于钢结构基础计算一般都按最小地基反力为零应力控制,当增加太阳能组件荷载后钢架柱底弯矩增长率将超过轴力增长率,导致复核计算时基底出现零应力区。对高压缩性地基,当基底长期出现零应力区时,会导致地基土变形、基础倾斜,而低压缩性地基则不然,因此,我们应该根据地基基础的具体情况具体对待。

1)天然地基持力层为中等压缩及以上时,可允许零应力区出现,零应力区长度以不超过15%为宜,对低压缩性地基土(如卵石、砾石),零应力区长度可进一步放宽。但无论何种情况,地基最大反力均不得超过1.2倍地基承载力设计值。

2)天然地基持力层为高压缩性时,加载复核后基础底面不允许零应力区出现,不足时需采取加固措施加大基础面积和基础厚度。

1.6 注意事项

加固设计还要注意对原有钢架梁柱拼接节点高强螺栓和柱脚锚栓承载力变化进行检查。

2 加固施工

加固施工之前施工单位应结合设计图纸和厂房实际情况编制详细的施工方案,施工方案重点如下。

1)应制定详细的焊接工艺以控制焊接变形和应力集中。

2)由于待加固厂房一般都在正常使用,应分别针对车间生产人员和施工人员安全制定具体防护措施,有条件时可合理安排加固施工和车间生产交错进行。

3)当厂房内有易燃物堆放时,应采取防护措施以避免焊接时焊渣掉落引起失火。

4)施工操作平台:(1)对双梁桥式吊车厂房可直接利用吊车顶面作为移动的操作平台;(2)对单梁吊车厂房可利用既有吊车梁为支座,另外制作桁架式移动操作平台;(3)跨度较小且无吊车厂房可利用柱顶纵向系杆设置可移动的悬挂平台;(4)其它情况需设置支撑在地面上的移动脚手。

3 加固工程实例

3.1 工程概况

加固厂房位于安徽宁国经济开发区,为单层多跨门式钢架轻钢结构。厂房平面尺寸为150 m×100 m(纵向柱距6 m,横向共4跨、单跨跨度25 m),厂房剖面尺寸见图2,厂房加固之前已投入正常生产使用。

基本风压值为0.35 k N/m2,地面粗糙类别为B类,基本雪压值为0.50 k N/m2。建筑抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为6度,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度值为0.05 g。

场地内基础持力层起伏较大,持力层较深部位采用了人工挖孔桩(一柱一桩),持力层较浅部位为天然地基上的独立基础,基础持力层为风化粉砂岩,地基土承载力特征值fɑk=500 k Pa。原天然独基设计尺寸从A轴到E轴分别为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,基底标高在-2～-3 m间变化(多数深于-2.4 m)。

原有厂房屋面为双层压型钢板内加岩棉保温,恒荷载为0.25 k N/m2,新增太阳能电池板及其支架荷载为0.2 k N/m2,厂房两端跨各有一台LDB型10 t电动单梁吊车。原厂房主钢架材质为Q345B、檩条为Q235B,刚架新加固用钢构件主材采用Q345B,其余新增构件均采用Q235B钢。

3.2 原厂房结构复核

1)主钢架:加载后钢架楔形梁段BC应力超限,平面外稳定应力比为1.08;梁柱拼接节点A、D两处M20高强螺栓拉力最大值超过10.9级摩擦型预拉力值的80%,不符合《钢结构设计规范》7.2.2.2的要求。

2)屋面檩条:原檩条规格为C180 m×70 m×20 m×2.2 m,檩距1.5 m,中部设一道拉条。加载前按0.25 k N/m2恒载得出的檩条平面内强度控制应力为:σmax=185.954＜205 N/mm2,加载后按0.45 k N/m2恒载得出的檩条平面内强度控制应力σmax=257.48＞205 N/mm2。

3)基础:原厂房独立基础在标准组合作用下基底已经出现零应力区,独立基础尺寸在边柱为1.9 m× 2.7 m,中柱为1.7 m×2.7 m,基础埋置深度按-2.4 m计算复核。加载后按新的柱底反力对原基础进行复核,结果如下:边柱基底地基反力最大值为191 k Pa、最小值为-40 k Pa,零应力区长度占基础长度的比例为17.2%;中柱基底地基反力最大值为197 k Pa、最小值为-9 k Pa,零应力区长度占基础长度的比例为4.3%。

3.3 厂房加固措施

1)主钢架:钢架楔形梁段BC如图所示采用了加焊150 mm T形钢方案,复核后梁平面外稳定应力比降至0.95。由于梁柱拼接节点A、D处仅为高强螺栓承载力不足,故只加焊了1 m×150 mm T形钢以降低该位置螺栓拉力,同时又增加了U形卡件(构造见附图)卡住梁柱端板以分担螺栓负荷。

2)屋面檩条:采用图1(e)加固方式,将檩条由6 m跨单跨简支变成了3跨连续檩,按0.45 k N/m2恒载复核的檩条平面内强度控制应力σmax=155.26＜205 N/mm2,满足规范要求:由于基础持力层“第3层中风化粉砂岩”的压缩性非常低,基础不会出现由于地基不均匀受力而引起的基础倾斜。

另外,加载复核后的地基反力最大值Pmax=175 k Pa＜1.2fɑk=1.2×280=336 k Pa,且基础冲切、配筋均符合规范要求,故基础不再处理。

4 高女儿墙积雪荷载对门式刚架的影响

1)《建筑结构荷载规范》GB 5009—2012中7.1.2规定:对雪荷载敏感的结构,应采用100年重现期的雪压。7.1.2条对应的条文说明解释如下:对雪荷载敏感的结构主要指大跨、轻质屋盖结构,此类结构的雪荷载经常是控制性荷载、极端雪荷载作用下容易造成结构整体破坏,后果特别严重,显然,门式钢架结构属于典型的对雪荷载敏感结构。

2)2008年全国性雪灾造成了大量轻钢结构厂房屋面局部破坏甚至结构整体倒塌,造成屋面积雪远远超过设计取值的首要原因是当年降雪量巨大,还有一个重要原因就是屋面高女儿墙造成的雪载局部堆积。以双坡屋面为例,当风雪同时发生时,迎风向坡面积雪在风载作用下顺风方向向背风向坡面迁移,最后在背风面高女儿墙处彻底受阻堆积至女儿墙顶高度,导致局部区域雪载远超设计值,进而引起屋面压型钢板、檩条破坏,引起钢架梁柱失稳破坏,如果再伴随着小雨,将干雪变成湿雪,致使积雪荷载进一步增大,危害也就更大了。

3)该文加固厂房女儿墙高1.6 m,地理位置接近浙江,积雪密度按200 kg/m3计算,当女儿墙位置处积雪堆满后的局部最大荷载达到160×2=320 kg/m3。若按《建筑结构荷载规范》7.2.1将积雪分布不均匀系数取最大值2,其对应的女儿墙位置处最大雪压仅为55×2=110 kg/m3,两者差距较大,可以说规范取值在这种极端情况下是不安全的。

4)对设置女儿墙的门式钢架厂房,屋面没有太阳能板时,如发生大雪,可以安排人员上屋面清扫积雪,如铺设了太阳能板,则会为人员上屋面清扫积雪造成困难,成为安全隐患。为解决这个问题,我们在加固时要求将背风屋面一侧女儿墙在内天沟以上墙面压型钢板全部或局部拆除以避免在风作用下该处积雪过量堆积。

5 加固施工时对压型钢板屋面的影响

1)压型钢板是采用镀锌钢板、冷轧钢板、彩色钢板等作原料,经辊压冷弯成各种波形的压型板,建筑常用镀铝锌钢板是AZ150,即镀层重量为150 g/m,钢板单面镀层的最小厚度为20μm。

2)太阳能电池安装对屋面造成的最大影响是对压型钢板涂层造成的损伤。太阳能电池板支架与压型钢板普遍采用波峰锁边咬合的固定方式,锁边咬合不可避免的对钢板涂层产生一定损伤,再者,施工时电池板及其支架在屋面拖动也会损伤压型钢板涂层。对此,首先应该严格施工操作管理,精细操作,必要时建议在屋面铺设临时防护层,对由此造成的涂层局部损伤应在安装完毕后仔细检查,现场补喷防腐涂料。

6 设计建议

以该文加固工程为例,原设计单榀钢架用钢量为9 022 kg,檩条用钢量(含支撑)为5 kg/m2,如果在初始设计时就计入屋面太阳能组件荷载20 kg/m2,计算得出的新设计单榀钢架用钢量为9 150 kg;檩条截面不变,由简支檩改为连续檩即可,用钢量增加10%,约为5.5 kg/m2。通过两者对比分析,如果该加固工程在初始设计时就计入屋面太阳能组件荷载,厂房整体用钢量增加值约2 kg/m2。此外,综合考虑基础、锚栓等费用影响,总造价增加约30元/m2,而从我们已经完工的几个工程造价来看,后加太阳能加固费用约为200元/m2(其主要费用为措施费和人工费),显然,初始设计一次性计入太阳能组件荷载更为合理。

目前,随着我国太阳能发电运用规模的不断增大,将会有越来越多的轻钢结构厂房屋面成为太阳能电池屋面。通过上述工程造价的比对,我们建议在今后的轻钢结构厂房设计时尽可能的一次性计入太阳能组件荷载。

7 实际加固效果

近几年,太阳能发电已成为我公司支柱产业之一,大规模太阳能电池板已铺设在我院玻璃工业园区、中航三鑫一、二线、宁国开发区等厂房的屋面上,该文所述的各种加固方法在这些项目中均有使用,加固后均通过验收,取得了良好的经济效益和社会效益。

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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-),高级工程师.E-mail:812249980@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.016