钢结构厂房屋盖安置光伏发电站的加固设计.docx

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1、钢结构厂房屋盖安置光伏发电站的加固设计*摘要：对既有钢结构厂房加固后在其屋顶安装光伏发电站，具有非常现实的意义。通过对既有厂房基础补充树根桩、加大承台截面、柱外包型钢、钢梁增加预应力钢索加固，有效地提高既有厂房的承载力，使屋顶光伏发电站顺利实施。加固技术的综合应用为同类工程提供参考。关键词：钢结构；厂房；加固；设计；光伏发电站太阳能光伏发电因其具有清洁、安全、便利、高效、可再生、可持续发展等优点，现已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。太阳能电池组件（光伏电板）作为发电系统的重要构件，需要安置到最利于接收阳光的位置，而工业厂房的屋顶因为面积大并且较为平坦，是理想的安置场所1。以江苏常熟9

2、.8MWP屋顶光伏发电项目的建设为例，介绍钢结构厂房加固后安装屋顶光伏发电站的相关设计研究工作。1工程背景本项目需要安置光伏发电站的既有厂房有两幢，为2006年建设并投入使用的电缆生产车间和阻燃电缆车间，目前两个车间处于满额工作状态，因此业主要求建筑结构加固期间，尽可能减少对生产的影响。两个车间的建筑结构基本情况如下:27()48()图1电缆生产车间平面布置1）电缆生产车间如图1所示，建筑面积为35833m2,4连跨，每跨33m,柱距9m,檐口结构高度为9mo屋面为实腹式工字形变截面Q345B钢梁，梁截面宽为250mm,高为6501250mm,翼缘板厚10mm,腹板厚8mm。C30混凝土柱截面

3、450mmX600mm；基础为静压预应力方桩，截面尺寸为250mmX250mm,有效桩长为817m,中柱为3桩台基础，边柱为5桩台基础。单桩承载力Ra为210kNo2）阻燃电缆车间建筑面积为24084m2,3连跨，每跨26叱局部6连跨（3跨26In和3跨22m）,柱距9m,檐口高度为9.8mo屋面为Q345B实腹式工字形变截面钢梁，材料梁截面宽为220mm和250mm两种，截面高550950nun,翼缘板厚10mm,腹板厚6mm。混凝土柱、桩基均与电缆生产车间相同。限于篇幅，以下仅以电缆生产车间为例。2确定荷载和结构验算2. 1恒载的确定原设计屋面考虑恒载标准值为O.20kNm2o屋面拟增设的

4、光伏电板规格为1640mm990mm40mm,自重为0.125kNm2,考虑安装支架、楝条、连接件等构件重量，屋面增加恒载标准值达到0.35kNrn2o因此，光伏发电站安置到屋顶后，屋面恒载标准值可取0.55kNm2o1. 2活荷载的确定依据GB50009-2001建筑结构荷载规范，按不上人屋面活荷载标准值考虑0.5kNm2o依据业主设计任务书，不作增减，考虑活荷载标准值为0.5kNm2o要求施工单位进行屋面加固和布置光电板时，施工材料和设备不能集中堆放，并进行施工荷载的校核，其标准值不能超过05kNm2o若出现活荷载超限情况应采取临时加固措施，确保施工安全和结构安全。2. 3建模验算采用PK

5、PM结构设计软件进行既有建筑建模分析，考虑光伏设备增加的荷载和施工荷载。经过验算，获得最不利工况下既有结构承载力情况：桩基承载力不满足，桩平均竖向力最大相差27.现；局部承台配筋不满足，配筋率相差7.6%；中柱承载力满足，边柱承载力不满足，最大相差116.3%；钢梁承载力不满足，最大相差55%。3加固方案设计3. 1桩基与承台的加固依据PKPM验算结果，边柱的桩基承载力不足部位，如图2所示，进行对称补树根桩处理，树根桩直径350mm,桩长15m,配筋6根直径为12mm钢筋，单桩极限承载力标准值为350kN,桩身混凝土强度等级为C20o对既有桩承台进行植筋，并将四周混凝土保护层凿去，露出既有钢筋

6、后，焊接新增钢筋，加大加厚桩承台，增加大承台的截面面积，使新补桩与既有桩共同受力。图2桩基础加固示意3.2 混凝土柱的加固考虑缩小结构加固工作对现有的车间生产的影响，尽量不采用湿作业。对于边柱承载力不足的问题，如图3所示，采用外包角钢的方法进行加固。角钢11OoX8a-中柱；b-边柱图3柱加固示意3.3 钢梁的加固按照业主的要求，钢梁的加固尽量不能影响既有车间的生产。因此，现场的焊接和湿作业要尽量少，并且脚手架搭设也应少些。基于这些要求，决定采用体外预应力加固方法进行钢梁的承载力加固。该种加固方法具有以下特点：D加固工作可在不卸载、不停产的条件下进行；2）施加预应力可直接减小变形，迅速消除应力

7、和内力峰值；3）可消除应力滞后现象，充分利用钢索的高强特性，提高加固效率；4）降低加固费用和使用成本。3. 3.1两种加固方案D方案一：连跨加固。如图4所示，连跨加固方案，即采用通长的双排钢索连续穿过几跨钢梁的下方，钢索两端延伸到墙外，通过墙外新增混凝土框架结构张拉钢索，形成张拉结构。既有柱向钢索施加向上的支撑力，钢索上设置钢撑杆向钢梁施加支撑力，从而实现屋面新增光伏发电设备的荷载通过该张拉结构传递至基础。图4连跨加固方案2）方案二：单跨加固。如图5所示，单跨加固方案，即采用双排钢索加固钢梁，钢索在单跨钢梁的两端通过锚具装置锚固张拉，使既有钢梁变成张弦梁2。每跨钢梁下设置双撑杆，提高既有钢梁的

8、承载力，有效传递屋面新增光伏发电设备的荷载至柱和基础。图5单跨加固方案3）加固方案论证与选用。针对两种加固方案，组织专家进行论证。专家组一致认为，两种方案皆为可行，其中方案一更为新颖，但是对施工单位的施工技术水平要求较高；方案二传力路径明确，易于施工。最终业主方选择方案二作为实施方案。方案一未能被选用的另一个重要原因是，业主认为：在室外每隔9m新增混凝土框架，将会影响厂区的景观绿化。3. 3.2加固节点设计1）梁端节点设计。如图6所示，在钢梁端部安装钢索的锚固装置，通过4组M30摩擦型连接高强螺栓连接组件，消除了室内高空焊接等影响厂内生产的作业，方便加固施工。ba-正面；b-侧面；图6梁端节点

9、设计示意2）撑杆端节点设计。如图7所示，撑杆上端与既有钢梁较接，并通过加劲钢管将轴压力均匀传递到钢梁的上、下翼缘，撑杆组件与钢梁的连接是通过钢板胶和M12螺栓锁紧，消除了焊接作业。撑杆的下端设置了应力调节装置，可以实现微调钢索的张拉力。一钢板胶加劲钢管。啊X5?I,锁紧螺栓M12销钉螺栓M30瑞钢板150X150X10撑杆133X5a-上端；b一下端图7撑杆端节点设计示意3）屋面节点设计。如图8所示，沿着既有钢梁，每隔15m布置一只钢支座，露出既有屋面，钢支座与既有钢梁采用钢板胶和锁紧夹具连接。支座出屋面后与通长的钢管505焊接，支座穿过屋面的位置，采用密封胶做第一道防水；然后，沿着钢梁方向铺

10、设防水金属板（铝合金板），将其弯折呈“。”形，覆盖在650X5的钢管上，形成第二道防水；其后沿着钢管，采用“5”形夹具对称夹持；最后，在“5”形夹具上安装楝条和光伏电板支架。楝条C220x75既有钢梁“5”形夹具钢管505防水金属板既有屋面支座锁紧钢夹光伏电板支架a-正面；b-侧面；图8屋面节点设计示意4施工注意事项厂房钢梁的加固施工过程中，应重点注意以下几点：1）钢索优先考虑选用成品索，应根据设计要求在工厂对索体进行测长、标记和下料,索长下料应考虑预应力和温度作用。2）选用Q345B加固钢梁，加固所用的结构支座、钢索连接等主要构件应在工厂加工完成。3）梁端的张拉节点应进行1：1的节点模型承载

11、力试验（3组），确保节点在持续24h受荷载530kN的作用下，其变形和预应力损失处于控制范围内。根据试验结果，对梁端节点进行优化设计后，大批量进行加工。4）在批量加固工作开展之前，应对每种跨度和形式的钢梁选取2进行加固后加载检测试验，标定应力调节装置的位移-应力关系，依据试验获得的位移-应力关系进行批量加固作业。5）钢索加固安装、张拉顺序、分级控制、索力大小应按照预应力施工张拉分析报告进行。5结语通过对既有钢结构厂房加固，成功地实施了9.8MWP屋顶光伏发电站的安装，本项目运营1年多的情况表明：采用综合加固技术，达到优良效果，产生良好的经济效益和社会效益，可作为屋顶光伏发电工程建设示范项目推广应用。参考文献：1王艳国.光伏屋顶项目发电系统设计与分析J.中国勘察设计，2012（1）：81-83.2黄明鑫,大型张弦梁结构的设计与施工M济南：山东科学技术出版社，2005.3沈小平.大跨度钢梁的加固设计与施工J.安徽建筑，2008,160（3）：152-166.4石建军，姜袁,钢结构设计原理M.北京：北京大学出版社,2007.5GB50007-2002建筑地基基础设计规范S