工程设计 钢结构厂房屋盖安置光伏发电站的加固设计＊ 蒋凤昌 钟文乐 袁学锋 奚友方。 居平国。 （１．泰州职业技术学院，江苏泰州２２５３００； ２．江苏省第一建筑安装股份有限公司博士后科研工作站，江苏泰州２２５３００； ３．江苏永泰建造工程有限公司，江苏泰州２２５３００） 摘 要：对既有钢结构厂房加固后在其屋硕安装光伏发电站，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 ＤＯＩ：１０．１３２０６／ｊ．￣ｇ２０１５０１０１０ ＳＴＲＥＮＧＴＨＥＮＩＮＧ ＤＥＳＩＧＮ ＦｏＲ ＳＴＥＥＬ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＦＡＣＴｏＲＹ ＢＵＩＬＤＩＮＧ ＷＩＴＨ ＰＶ ＰｏＷＥＲ ＳＴＡＴＩｏＮ ｏＮ ＴＨＥ ＲｏｏＦ Ｊｉａｎｇ Ｆｅｎｇｃｈａｎｇ ＇ Ｚｈｏｎｇ Ｗｅｎｌｅ Ｙｕａｎ Ｘｕｅｆｅｎｇ Ｘｉ Ｙｏｕｆａｎｇ Ｊｕ Ｐｉｎｇｇｕｏ。 （１．Ｔａｉｚｈｏｕ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉｚｈｏｕ ２２５３００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎｏ．１ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｔａｉｚｈｏｕ ２２５３００，Ｃｈｉｎａ ３．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙｏｎｇｔａｉ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｔａｉｚｈｏｕ ２２５３００，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｔ ｉｓ ｍｅａｎｉｎｇｆｕｌ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｃｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ＰＶ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ．Ｓｏｍｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｓａｃｈ ａｓ ｒｅｐｌｅｎｉｓｈｉｎｇ ｐｉｌｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ， ｗｒａｐｐｉｎｇ ｆｏｒｍｅｄ ｓｔｅｅｌ ｆｏｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｔｅｅｌ ｒｏｐｅｓ ｆｏｒ ｓｔｅｅｌ ｂｅａｍｓ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｔａｋｅｎ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＶ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｊ ｅｃｔｓ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆａｃｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ；ｄｅｓｉｇｎ；ＰＶ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ 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ｌ＿ｌｊ。以江苏 常熟９．８ ＭＷｐ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 图１ 电缆生产车间平面布置 高度为９ １ＴＩ。屋面为实腹式工字形变截面Ｑ３４５Ｂ 钢梁，梁截面宽为２５０ ｍｍ，高为６５０～１ ２５０ ｍｍ，翼 缘板厚１０ ｍｍ，腹板厚８ ｍｍ。Ｃ３０混凝土柱截面 ４５０ ｍｍ×６００ ｉｎｍ；基础为静压预应力方桩，截面尺 寸为２５０ ｍｍ×２５０ ｍｍ，有效桩长为８～１７ ｍ，中柱 ＊江苏省３３３高层次人才培养工程基金资助（２０１２）；江苏省高 校“青蓝 Ｉ＝程”中青年学术带头人培养基金资助（２０１ ２）；泰州市混凝 土结构加固与修复工程研发中心建设基金资助。 第一作者：蒋凤昌，男，１９７０年出生，博士后，副教授，高级工程 师，英国皇家特许工料测量师，国家一级注册结构工程师。 Ｅｍａｉｌ：ｊｆｅｌ９７０＠１６３．ｃｏｒｎ 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问和阻 燃电缆车问，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： １）电缆生产车问如图１所示，建筑面积为 ３５ ８３３ ＩＴＩ。，４连跨，每跨３３ ｍ，柱距９ ｍ，檐口结构 收稿日期：２Ｏ１４—０８—２１ 钢结构 ２０１５年第１期第３Ｏ卷总第１９３期 蒋风昌，等：钢结构厂房屋盖安置光伏发电站的加固设计 为３桩台基础，边柱为５桩台基础。单桩承载力尺 为２１０ ｋＮ。 四周混凝土保护层凿去，露出既有钢筋后，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。 ２）阻燃电缆车间建筑面积为２４ ０８４ ｉｎ ，３连 跨，每跨２６ ｍ；局部６连跨（３跨２６ １ＴＩ和３跨 ２２ ｍ），柱距９ Ｉｎ，檐口高度为９．８ １ＴＩ。屋面为 Ｑ３４５Ｂ实腹式工字形变截面钢梁，材料梁截面宽为 ２２０ ｍｍ和２５０ ｍｍ两种，截面高５５０～９５０ ｍｍ，翼 缘板厚１０ ｍｍ，腹板厚６ ｍｍ。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。 图２桩基础加固示意 ２确定荷载和结构验算 ２．１ 恒载的确定 ３．２ 混凝土柱的加固 原设计屋面考虑恒载标准值为０．２０ ｋＮ／ｍ。。 屋面拟增设的光伏电板规格为１ ６４０ ｍｍＸ ９９０ ｍｍＸ ４０ ｍｍ，自重为０．１２５ ｋＮ／ｍ ，考虑安装支架、檩条、 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Ｌ１Ｏ（）ｘ ８ 连接件等构件重量，屋面增加恒载标准值达到 ０．３５ ｋＮ／ｍ 。因此，光伏发电站安置到屋顶后，屋 面恒载标准值可取０．５５ ｋＮ／ｍ。。 ２．２活荷载的确定 与角钢焊接 Ｉ ／。／』Ｉ 依据ＧＢ ５０００９—２００１｛建筑结构荷载规范》，按 不上人屋面活荷载标准值考虑０．５ ｋＮ／ｍ。。依据业 主设计任务书，不作增减，考虑活荷载标准值为 ０．５ ｋＮ／ｍ 。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０．５ ｋＮ／ｍ。。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ＰＫＰＭ结构设计软件进行既有建筑建模 — ａ～中柱Ｉｂ边柱 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２７．１％；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 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 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 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：１）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，迅速消除应力和内力峰值；３）可消除应力滞后 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３５０ ｍｍ，桩长１５ ｍ，配筋６根直径为１２ ｍｍ 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 钢筋，单桩极限承载力标准值为３５０ ｋＮ，桩身混凝 土强度等级为Ｃ２Ｏ。对既有桩承台进行植筋，并将 １）方案一：连跨加固。如图４所示，连跨加固方 ４３ 工程设计 案，即采用通长的双排钢索连续穿过几跨钢梁的下 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 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 张拉结构传递至基础。 ＩＩ ８０（１、 转向装置 ——、 ／ ｆ－钢梁 ；羔鉴兰 ＼ ／－ ｊ ［－转向装置 。 。—∞ 瓣 ／、 ９肌）（１逝 退竖±堡架 ＼、 ０黻 Ｊｌｌ舞雾瓤基１＿ｆ１＿’ 裹Ｔ＾≥ 氨囊瓣嬲 臻 ±０． ）（１…～ ～ 。 、 ５ 塑墨茎篁／ ／／／ｒ （双排） －、、 壁 ３３（Ｈ１Ｉ１ 既有桩基 Ｕ ｌ Ｕ （抗拔桩） Ｕｍｕ ｕ Ｊ Ｕ 『 既有桩基 ㈨ １ 既有桩基 Ｕ Ｊ Ｕ 哪 ≥ 一 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 梁 。每跨钢梁下设置双撑杆，提高既有钢梁的承 载力，有效传递屋面新增光伏发电设备的荷载至柱 和基础。 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 ９．Ｏ（Ｘ） 一 ≮＋纛。Ｉ 。 Ｉ ／ ＼ 。 ／～一＊ 耘 ———— —— Ｊ （双排） 既有中十｝／ 羞 一 ±０ｌ１Ｉｍ ，Ｉ 塑望壁Ｉ 广 既有桩慕 壁！ ／ ｛（ＩｌＨ） ＼钢索 、、既有中柱 （双排） 既有桩基 ５ 一Ｉ ｌ ●３３Ｏ（Ｘ） 既有桩基 。 川 （ Ｕ ，Ｕ Ｕ ＝ ＝ （ 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， 下端设置了应力调节装置，可以实现微调钢索的张 拉力。 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。 ３）屋面节点设计。如图８所示，沿着既有钢梁， 每隔１．５ ｍ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（ｂ５０×５焊接，支座穿过屋面的 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 ９ ｍ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 位置，采用密封胶做第一道防水；然后，沿着钢梁方 向铺设防水金属板（铝合金板），将其弯折呈“Ｑ”形， 覆盖在￣５０×５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 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。 ２）撑杆端节点设计。如图７所示，撑杆上端与 既有钢梁铰接，并通过加劲钢管将轴压力均匀传递 具上安装檩条和光伏电板支架。 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： 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 ４４ １）钢索优先考虑选用成品索，应根据设计要求 钢结构 ２Ｏ１５年第１期第３Ｏ卷总第１９３期 蒋凤昌，等：钢结构厂房屋盖安置光伏发电站的加固设计 ＿———一檩条Ｃ２２（ ｊ～“ ’ ’ ｌ １ １支座一 ～ ａ 光伏电板支架 Ｊ ２ Ｊ ［３６Ｃ 檩条Ｃ２２０×７５ 防水金属板 既有屋面 支座 锁紧钢夹 既有钢粱 ｂ ｂ ａ一正面．ｂ一侧面； ａ一正面；ｂ一侧面； 图６梁端节点设计示意 图８屋面节点设计示意 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榀进行加固后加载检测试验，标 定应力调节装置的位移一应力关系，依据试验获得 ×１０ 的位移一应力关系进行批量加固作业。 撑杆ｍｌ 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 ９．８ ＭＷｐ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。 ｂ ａ一上端；ｂ－－下端 参考文献 图７撑杆端节点设计示意 ［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 在工厂对索体进行测长、标记和下料，索长下料应考 计，２Ｏ１２（１）：８１—８３． 虑预应力和温度作用。 ［２］黄明鑫．大型张弦梁结构的设计与施工［Ｍ］．济南：山东科学 ２）选用Ｑ３４５Ｂ加固钢梁，加固所用的结构支 技术出版社，２００５． －Ｉ３］沈小平．大跨度钢梁的加固设计与施工［Ｊ］．安徽建筑，２００８， 座、钢索连接等主要构件应在工厂加工完成。 １６０（３）：１５２—１６６． ３）梁端的张拉节点应进行１：１的节点模型承 Ｅ４］石建军，姜袁．钢结构设计原理［Ｍ］．北京：北京大学出版 载力试验（３组），确保节点在持续２４ ｈ受荷载 社，２００７． ５３０ ｋＮ的作用下，其变形和预应力损失处于控制范 Ｅｓ］ＧＢ ５０００７—２００２建筑地基基础设计规范Ｅｓ］． Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１５（１），Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１９３ ４５