多層輕鋼廠房加固設計研究

導語：多層輕鋼廠房加固設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]文章對某2層輕鋼廠房屋面增加光伏設備后的加固設計和抗震性能能力進行了研究。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了規范限值。屋面鋼梁采用粘貼鋼板加固，Z型檁條采用增設角鋼加固，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構抗震能力的要求。

[關鍵詞]輕鋼廠房；光伏建筑一體化；加固設計；層間位移角

光伏建筑一體化是將光伏構件和傳統建筑相結合，使其成為一種能自主發電供建筑使用的低能耗建筑，它的研究和發展有利于緩解建筑業發展中的環境問題。光伏與建筑的一體化設計研究可分為兩種：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，鋼梁等結構構件承載力不滿足要求[1]，一般需要對結構進行加固處理。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軟件對多層輕鋼廠房加光伏荷載進行加固設計和抗震性能分析，從而為光伏建筑的設計和決策提供一些參考意見和建議。

1工程概況

某多層鋼結構廠房，一層為框架，二層為輕型門式剛架。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。由于發展新能源需要，在鋼屋面新增了光伏屋面板。本工程抗震設防烈度為7度（0.1g），設計地震分組為第一組；地面粗糙度為B類，場地土類別為IV類。結構荷載如下：基本風壓為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。廠房結構布置立面圖和屋面檁條布置圖見圖1、圖2，主要構件截面尺寸見表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、配套設備（光伏接線箱、并網逆變器、儲能裝置等）。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備約1.2kg/m2。綜上分析，本工程根據實際計算取：0.162kN/m2。

2BAPV輕鋼廠房計算模型

模型1層為鋼框架，梁柱之間采用剛接。2層至屋面結構采用2跨門式鋼架，鋼梁與鋼柱之間剛接，檁條、側向支撐與主剛架之間的連接采用鉸接。廠房結構的PKPM三維分析模型見圖3。

3結構分析及加固設計方案

3.1結構分析

增加光伏后屋面靜載由0.25kN/m2調整為0.412kN/m2，主鋼架應力比簡圖見圖4。主鋼架及檁條的計算結果前后對比見表2（選取應力比最不利構件）。由上可知，根據增加光伏后計算結果，屋面梁及檁條承載力不滿足要求，需進行加固設計。彈性層間位移角為θe=1/297<[θe]=1/250，滿足規范要求；最大彈塑性層間位移角（2樓樓面處）為θp=1/44>[θp]=1/50，不滿足規范要求，因此，結構的抗震能力需要進行加固提高。

3.2加固設計方案

鋼梁平面內應力比超限，采用“粘貼鋼板”的加固方法。本工程在應力比超限的鋼梁上下翼緣各新增3mm的鋼板，新增鋼板與原結構鋼梁采用結構膠粘貼連接。其中，上翼緣增加的鋼板粘貼在翼緣內側，下翼緣增加的鋼板粘貼在翼緣外側，見圖5（a）。Z型檁條采用“增設型鋼”加固的方法。上下翼緣板分別增設L40×3角鋼，以增強原有檁條的上下翼緣板截面，新增角鋼與原來的Z型檁條采用普通螺栓連接，見圖5（b）。彈塑性層間位移角不滿足，說明結構增加了屋面荷載后，承受的地震作用增大以至于原有的抗側剛度不足，加固方法采用在1層縱向兩邊的跨中增設角鋼柱間支撐（L80×6）。加柱間支撐后的PKPM模型，見圖6。加固后的屋面靜載變為0.442kN/m2（經計算，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范要求，計算結果見表3（與加固前的應力比最不利構件對應）。加固后的廠房結構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彈塑性時程分析

本工程結構規則且總高度不大，但為了進一步驗證分析結果及結構加固前后的抗側能力，仍然對該廠房采用時程分析法進行了分析。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）中第5.1.2條規定[3]，采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3。選取地震波時主要考慮：地震動幅值、地震動持續時間和頻譜特性[4]。文章選取地震波為TH001TG065_CAPEMENDOCINO4-25-1992FORTUNABLVD波（以下簡稱TH001TG065波）、TH018TG065_CHRISTCHURCHNEWZEALAND2-21-2011TPLC波（以下簡稱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圖8。7度罕遇地震時，根據輸入的3條地震波分析結果可見：（1）圖8（a）所示，原結構在增加光伏荷載后且尚未加固前，最大層間位移角發生在1層頂，最大值θp=1/49>[θp]=1/50，不滿足要求，同本文3.1節分析結論；（2）圖8(b)所示，加固后廠房結構，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節分析結論。由于本文僅是驗證性分析，故只取3條波分析，若要獲得更準確的結果，可以取更多的地震波進行分析。

5結論

文章對某2層BAPV輕鋼廠房結構進行了分析和加固設計，加固后結構的承載力和抗震能力均滿足規范要求。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注鋼梁和檁條外，還需關注抗震能力指標是否滿足規范要求，并采取合理可行的方案進行加固。

參考文獻

[1]張軍，李晨，張蘇俊.輕鋼結構廠房超荷載后加固設計[J].建筑技術開發，2017(6):80-81.

[2]楊小攀.工業廠房光伏屋面一體化設計及結構抗震性能研究[D].成都：西南科技大學，2016.

[3]建筑抗震設計規范：GB50011—2010[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[4]周楓桃.大跨度鋼結構無站臺柱雨棚靜力分析和動力響應分析[D].成都:西南交通大學，2009.

[5]高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

作者：于成勇 梁培新 曹志剛 王英春 王師 單位：國網內蒙古東部電力有限公司通遼供電公司 南京工程學院建筑工程學院