多層輕鋼廠房加固設(shè)計(jì)研究

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[摘要]文章對(duì)某2層輕鋼廠房屋面增加光伏設(shè)備后的加固設(shè)計(jì)和抗震性能能力進(jìn)行了研究。研究表明該廠房屋面增加光伏荷載后，屋面梁和檁條的承載力及彈塑性位移角均超過(guò)了規(guī)范限值。屋面鋼梁采用粘貼鋼板加固，Z型檁條采用增設(shè)角鋼加固，從而滿足了承載力要求。采用在1層增加柱間角鋼支撐的方法滿足了結(jié)構(gòu)抗震能力的要求。

[關(guān)鍵詞]輕鋼廠房；光伏建筑一體化；加固設(shè)計(jì)；層間位移角

光伏建筑一體化是將光伏構(gòu)件和傳統(tǒng)建筑相結(jié)合，使其成為一種能自主發(fā)電供建筑使用的低能耗建筑，它的研究和發(fā)展有利于緩解建筑業(yè)發(fā)展中的環(huán)境問(wèn)題。光伏與建筑的一體化設(shè)計(jì)研究可分為兩種：一種是新建的光伏建筑一體化建筑，屋面自帶光伏板，或者考慮了后續(xù)增加的光伏板荷載的影響；另一種是在既有的建筑屋面新增光伏板，但研究表明多層廠房增加光伏板以后，鋼梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不滿足要求[1]，一般需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。第一種形式稱為BIPV，第二種形式稱為BAPV[2]。文章以某多層輕鋼廠房為工程背景，采用PKPM軟件對(duì)多層輕鋼廠房加光伏荷載進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和抗震性能分析，從而為光伏建筑的設(shè)計(jì)和決策提供一些參考意見(jiàn)和建議。

1工程概況

某多層鋼結(jié)構(gòu)廠房，一層為框架，二層為輕型門(mén)式剛架。屋面坡度20∶1，跨度32m，寬度76m，柱距7.6m，鋼框架柱總高為11.8m。由于發(fā)展新能源需要，在鋼屋面新增了光伏屋面板。本工程抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組；地面粗糙度為B類，場(chǎng)地土類別為IV類。結(jié)構(gòu)荷載如下：基本風(fēng)壓為0.45kN/m2；基本雪壓為0.35kN/m2；2層樓面活荷載為5kN/m2；屋面靜載為0.25kN/m2；主鋼架活載為0.3kN/m2。廠房結(jié)構(gòu)布置立面圖和屋面檁條布置圖見(jiàn)圖1、圖2，主要構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表1。一般光伏屋面新增荷載取值在0.15kN/m2~0.25kN/m2之間，其組成包括：光伏組件自重、支架梁及連接件自重、配套設(shè)備（光伏接線箱、并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)能裝置等）。本工程中屋面光伏組件平鋪于廠房頂，不考慮支架柱荷載。其中光伏組件自重：15kg/m2（多晶硅光伏組件，尺寸：1.45m×0.67m~1.95m×1.0m），鋁合金支架連接件及配套設(shè)備約1.2kg/m2。綜上分析，本工程根據(jù)實(shí)際計(jì)算取：0.162kN/m2。

2BAPV輕鋼廠房計(jì)算模型

模型1層為鋼框架，梁柱之間采用剛接。2層至屋面結(jié)構(gòu)采用2跨門(mén)式鋼架，鋼梁與鋼柱之間剛接，檁條、側(cè)向支撐與主剛架之間的連接采用鉸接。廠房結(jié)構(gòu)的PKPM三維分析模型見(jiàn)圖3。

3結(jié)構(gòu)分析及加固設(shè)計(jì)方案

3.1結(jié)構(gòu)分析

增加光伏后屋面靜載由0.25kN/m2調(diào)整為0.412kN/m2，主鋼架應(yīng)力比簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。主鋼架及檁條的計(jì)算結(jié)果前后對(duì)比見(jiàn)表2（選取應(yīng)力比最不利構(gòu)件）。由上可知，根據(jù)增加光伏后計(jì)算結(jié)果，屋面梁及檁條承載力不滿足要求，需進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。彈性層間位移角為θe=1/297<[θe]=1/250，滿足規(guī)范要求；最大彈塑性層間位移角（2樓樓面處）為θp=1/44>[θp]=1/50，不滿足規(guī)范要求，因此，結(jié)構(gòu)的抗震能力需要進(jìn)行加固提高。

3.2加固設(shè)計(jì)方案

鋼梁平面內(nèi)應(yīng)力比超限，采用“粘貼鋼板”的加固方法。本工程在應(yīng)力比超限的鋼梁上下翼緣各新增3mm的鋼板，新增鋼板與原結(jié)構(gòu)鋼梁采用結(jié)構(gòu)膠粘貼連接。其中，上翼緣增加的鋼板粘貼在翼緣內(nèi)側(cè)，下翼緣增加的鋼板粘貼在翼緣外側(cè)，見(jiàn)圖5（a）。Z型檁條采用“增設(shè)型鋼”加固的方法。上下翼緣板分別增設(shè)L40×3角鋼，以增強(qiáng)原有檁條的上下翼緣板截面，新增角鋼與原來(lái)的Z型檁條采用普通螺栓連接，見(jiàn)圖5（b）。彈塑性層間位移角不滿足，說(shuō)明結(jié)構(gòu)增加了屋面荷載后，承受的地震作用增大以至于原有的抗側(cè)剛度不足，加固方法采用在1層縱向兩邊的跨中增設(shè)角鋼柱間支撐（L80×6）。加柱間支撐后的PKPM模型，見(jiàn)圖6。加固后的屋面靜載變?yōu)?.442kN/m2（經(jīng)計(jì)算，加固角鋼及普通螺栓折算成面荷載為0.03kN/m2），加固后主鋼架及檁條均滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3（與加固前的應(yīng)力比最不利構(gòu)件對(duì)應(yīng)）。加固后的廠房結(jié)構(gòu)最大彈性層間位移角θe=1/475<[θe]=1/250，彈塑性層間位移角（2層樓面處）θp=1/71＜[θp]=1/50，均滿足要求。

4彈塑性時(shí)程分析

本工程結(jié)構(gòu)規(guī)則且總高度不大，但為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)加固前后的抗側(cè)能力，仍然對(duì)該廠房采用時(shí)程分析法進(jìn)行了分析。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）中第5.1.2條規(guī)定[3]，采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3。選取地震波時(shí)主要考慮：地震動(dòng)幅值、地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間和頻譜特性[4]。文章選取地震波為T(mén)H001TG065_CAPEMENDOCINO4-25-1992FORTUNABLVD波（以下簡(jiǎn)稱TH001TG065波）、TH018TG065_CHRISTCHURCHNEWZEALAND2-21-2011TPLC波（以下簡(jiǎn)稱TH018TG065波）和一組RH1TG065人工波，這3條地震波均滿足上述要求，加速度峰值在罕遇地震下為220mm/s2[5]。圖7為輸入的三條地震波的加速度曲線。罕遇地震作用下，主方向最大層間位移角曲線見(jiàn)圖8。7度罕遇地震時(shí)，根據(jù)輸入的3條地震波分析結(jié)果可見(jiàn)：（1）圖8（a）所示，原結(jié)構(gòu)在增加光伏荷載后且尚未加固前，最大層間位移角發(fā)生在1層頂，最大值θp=1/49>[θp]=1/50，不滿足要求，同本文3.1節(jié)分析結(jié)論；（2）圖8(b)所示，加固后廠房結(jié)構(gòu)，最大層間位移角也是在1層頂，最大值θp=1/67＜[θp]=1/50，滿足要求，同本文3.2節(jié)分析結(jié)論。由于本文僅是驗(yàn)證性分析，故只取3條波分析，若要獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，可以取更多的地震波進(jìn)行分析。

5結(jié)論

文章對(duì)某2層BAPV輕鋼廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和加固設(shè)計(jì)，加固后結(jié)構(gòu)的承載力和抗震能力均滿足規(guī)范要求。一般單層輕鋼廠房屋面增加光伏荷載后，鋼梁和檁條承載力不滿足要求；而多層輕鋼廠房除了關(guān)注鋼梁和檁條外，還需關(guān)注抗震能力指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求，并采取合理可行的方案進(jìn)行加固。

參考文獻(xiàn)

[1]張軍，李晨，張?zhí)K俊.輕鋼結(jié)構(gòu)廠房超荷載后加固設(shè)計(jì)[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2017(6):80-81.

[2]楊小攀.工業(yè)廠房光伏屋面一體化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].成都：西南科技大學(xué)，2016.

[3]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50011—2010[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]周楓桃.大跨度鋼結(jié)構(gòu)無(wú)站臺(tái)柱雨棚靜力分析和動(dòng)力響應(yīng)分析[D].成都:西南交通大學(xué)，2009.

[5]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

作者：于成勇 梁培新 曹志剛 王英春 王師 單位：國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院