多层轻钢厂房加固设计研究

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[摘要]文章对某2层轻钢厂房屋面增加光伏设备后的加固设计和抗震性能能力进行了研究。研究表明该厂房屋面增加光伏荷载后，屋面梁和檩条的承载力及弹塑性位移角均超过了规范限值。屋面钢梁采用粘贴钢板加固，Z型檩条采用增设角钢加固，从而满足了承载力要求。采用在1层增加柱间角钢支撑的方法满足了结构抗震能力的要求。

[关键词]轻钢厂房；光伏建筑一体化；加固设计；层间位移角

光伏建筑一体化是将光伏构件和传统建筑相结合，使其成为一种能自主发电供建筑使用的低能耗建筑，它的研究和发展有利于缓解建筑业发展中的环境问题。光伏与建筑的一体化设计研究可分为两种：一种是新建的光伏建筑一体化建筑，屋面自带光伏板，或者考虑了后续增加的光伏板荷载的影响；另一种是在既有的建筑屋面新增光伏板，但研究表明多层厂房增加光伏板以后，钢梁等结构构件承载力不满足要求[1]，一般需要对结构进行加固处理。第一种形式称为BIPV，第二种形式称为BAPV[2]。文章以某多层轻钢厂房为工程背景，采用PKPM软件对多层轻钢厂房加光伏荷载进行加固设计和抗震性能分析，从而为光伏建筑的设计和决策提供一些参考意见和建议。

1工程概况

某多层钢结构厂房，一层为框架，二层为轻型门式刚架。屋面坡度20∶1，跨度32m，宽度76m，柱距7.6m，钢框架柱总高为11.8m。由于发展新能源需要，在钢屋面新增了光伏屋面板。本工程抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组；地面粗糙度为B类，场地土类别为IV类。结构荷载如下：基本风压为0.45kN/m2；基本雪压为0.35kN/m2；2层楼面活荷载为5kN/m2；屋面静载为0.25kN/m2；主钢架活载为0.3kN/m2。厂房结构布置立面图和屋面檩条布置图见图1、图2，主要构件截面尺寸见表1。一般光伏屋面新增荷载取值在0.15kN/m2~0.25kN/m2之间，其组成包括：光伏组件自重、支架梁及连接件自重、配套设备（光伏接线箱、并网逆变器、储能装置等）。本工程中屋面光伏组件平铺于厂房顶，不考虑支架柱荷载。其中光伏组件自重：15kg/m2（多晶硅光伏组件，尺寸：1.45m×0.67m~1.95m×1.0m），铝合金支架连接件及配套设备约1.2kg/m2。综上分析，本工程根据实际计算取：0.162kN/m2。

2BAPV轻钢厂房计算模型

模型1层为钢框架，梁柱之间采用刚接。2层至屋面结构采用2跨门式钢架，钢梁与钢柱之间刚接，檩条、侧向支撑与主刚架之间的连接采用铰接。厂房结构的PKPM三维分析模型见图3。

3结构分析及加固设计方案

3.1结构分析

增加光伏后屋面静载由0.25kN/m2调整为0.412kN/m2，主钢架应力比简图见图4。主钢架及檩条的计算结果前后对比见表2（选取应力比最不利构件）。由上可知，根据增加光伏后计算结果，屋面梁及檩条承载力不满足要求，需进行加固设计。弹性层间位移角为θe=1/297<[θe]=1/250，满足规范要求；最大弹塑性层间位移角（2楼楼面处）为θp=1/44>[θp]=1/50，不满足规范要求，因此，结构的抗震能力需要进行加固提高。

3.2加固设计方案

钢梁平面内应力比超限，采用“粘贴钢板”的加固方法。本工程在应力比超限的钢梁上下翼缘各新增3mm的钢板，新增钢板与原结构钢梁采用结构胶粘贴连接。其中，上翼缘增加的钢板粘贴在翼缘内侧，下翼缘增加的钢板粘贴在翼缘外侧，见图5（a）。Z型檩条采用“增设型钢”加固的方法。上下翼缘板分别增设L40×3角钢，以增强原有檩条的上下翼缘板截面，新增角钢与原来的Z型檩条采用普通螺栓连接，见图5（b）。弹塑性层间位移角不满足，说明结构增加了屋面荷载后，承受的地震作用增大以至于原有的抗侧刚度不足，加固方法采用在1层纵向两边的跨中增设角钢柱间支撑（L80×6）。加柱间支撑后的PKPM模型，见图6。加固后的屋面静载变为0.442kN/m2（经计算，加固角钢及普通螺栓折算成面荷载为0.03kN/m2），加固后主钢架及檩条均满足规范要求，计算结果见表3（与加固前的应力比最不利构件对应）。加固后的厂房结构最大弹性层间位移角θe=1/475<[θe]=1/250，弹塑性层间位移角（2层楼面处）θp=1/71＜[θp]=1/50，均满足要求。

4弹塑性时程分析

本工程结构规则且总高度不大，但为了进一步验证分析结果及结构加固前后的抗侧能力，仍然对该厂房采用时程分析法进行了分析。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）中第5.1.2条规定[3]，采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。选取地震波时主要考虑：地震动幅值、地震动持续时间和频谱特性[4]。文章选取地震波为TH001TG065_CAPEMENDOCINO4-25-1992FORTUNABLVD波（以下简称TH001TG065波）、TH018TG065_CHRISTCHURCHNEWZEALAND2-21-2011TPLC波（以下简称TH018TG065波）和一组RH1TG065人工波，这3条地震波均满足上述要求，加速度峰值在罕遇地震下为220mm/s2[5]。图7为输入的三条地震波的加速度曲线。罕遇地震作用下，主方向最大层间位移角曲线见图8。7度罕遇地震时，根据输入的3条地震波分析结果可见：（1）图8（a）所示，原结构在增加光伏荷载后且尚未加固前，最大层间位移角发生在1层顶，最大值θp=1/49>[θp]=1/50，不满足要求，同本文3.1节分析结论；（2）图8(b)所示，加固后厂房结构，最大层间位移角也是在1层顶，最大值θp=1/67＜[θp]=1/50，满足要求，同本文3.2节分析结论。由于本文仅是验证性分析，故只取3条波分析，若要获得更准确的结果，可以取更多的地震波进行分析。

5结论

文章对某2层BAPV轻钢厂房结构进行了分析和加固设计，加固后结构的承载力和抗震能力均满足规范要求。一般单层轻钢厂房屋面增加光伏荷载后，钢梁和檩条承载力不满足要求；而多层轻钢厂房除了关注钢梁和檩条外，还需关注抗震能力指标是否满足规范要求，并采取合理可行的方案进行加固。

参考文献

[1]张军，李晨，张苏俊.轻钢结构厂房超荷载后加固设计[J].建筑技术开发，2017(6):80-81.

[2]杨小攀.工业厂房光伏屋面一体化设计及结构抗震性能研究[D].成都：西南科技大学，2016.

[3]建筑抗震设计规范：GB50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[4]周枫桃.大跨度钢结构无站台柱雨棚静力分析和动力响应分析[D].成都:西南交通大学，2009.

[5]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

作者：于成勇 梁培新 曹志刚 王英春 王师 单位：国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司 南京工程学院建筑工程学院