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加固施工

益阳屋顶加光伏,怎么加固?

作者: 发布时间:2023-04-28 08:45:13点击:102709

信息摘要:

本厂房屋顶风荷载为风吸力,与重力风向相反,至此,可推导出原设计的控制荷载组合(以下均按老规范分项系数)为不组合风荷载的上述14的活控基本组合。本次增加第5项,增加光伏板前后,屋面檩条与屋桁架的荷载增加比例为:(1.2x5) / (1.2x1 + 1.4x4) = 20.5%。荷载增加较大,保证安全储备不变的前提下,此比例可对应为屋面檩条与屋桁架需要的承载力更大也需要同比例增加20.5%,屋面檩条与屋桁架需做承载力加固(稳定一并加固)。

       1·加固原则说明:


  本项目遗失原设计结构图,出了加固图纸,现场正在施工


  屋顶荷载分为:1恒载0.15kN/㎡,2活载0.50kN/㎡,3基本风压0.50kN/㎡(与体型系数相乘可等效成活载),4基本雪压0.55kN/㎡(可直接等效成活载),5厂房屋顶增加的光伏板系统荷载为0.15kN/㎡(属于恒载)。


  本厂房屋顶风荷载为风吸力,与重力风向相反,至此,可推导出原设计的控制荷载组合(以下均按老规范分项系数)为不组合风荷载的上述14的活控基本组合。本次增加第5项,增加光伏板前后,屋面檩条与屋桁架的荷载增加比例为:(1.2x5) / (1.2x1 + 1.4x4) = 20.5%。荷载增加较大,保证安全储备不变的前提下,此比例可对应为屋面檩条与屋桁架需要的承载力更大也需要同比例增加20.5%,屋面檩条与屋桁架需做承载力加固(稳定一并加固)。


  本厂房为排架结构,上述组合工况下柱子不承担弯矩和剪力,只有轴力增大20.5%。经简单验算,柱子应力比未超限,柱子无需加固。


  地基承载力验算工况为12项的标准组合,增加光伏板前后,地基荷载增加比例为:(1.0x5) / (1.0x1 + 1.0x2) = 23.1%。经基础压实10年以上的基础下地基承载力特征值可提高20%,基本可抵消增加的荷载比例23.1%。地基可不做加固处理。


  对于基础,由于厂房为轻型钢结构,其重量非常小,基础为构造配筋控制自身承载力,故基础无需加固。


  现以上述加固思路进行下文加固分析与建议......


  2·现加固方案合理性分析:


  1>关于屋面檩条加固

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       钢结构设计中,隅撑常常是用来做梁钢受压去面外支撑的,用来稳定H型钢梁柱受压区和减平面外计算长度的,不能用来减屋面檩条计算长度。隅撑下端固定在通长系杆上,对通长系杆有一个竖直向下的分力,通长系杆竖向刚度数值极小(此刚度不是轴向拉压刚度),所以起不到支撑隅撑的作用。屋架为桁架(均为杆件,无腹板和翼缘),隅撑也起不到支撑桁架的作用。本钢结构厂房为平面排架结构,用隅撑和通长系杆加固屋面檩条和屋桁架起不到任何作用,属于概念错误。


  2>关于柱子稳定性加固

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        原结构已设置柱间支撑,其支撑为角钢支撑,属于刚性支撑(可承受拉力和压力)。本次加固增设的支撑为φ20的圆钢支撑(圆钢即为HPB235钢筋),属于柔性支撑(只能承担拉力)。原结构刚性支撑为间隔5~6跨设置一道,本次加固的柔性支撑为间隔7~8跨设置一道。


  柱间支撑是用来抵抗水平荷载的(风荷载和地震荷载),屋顶加设光伏系统并未增大其水平荷载(地震荷载稍有增大,但可忽略,厂房水平荷载为风荷载控制),柱子无水平向平面外受力问题,也无平面外稳定问题。


  现加固方案增设的柱间支撑不仅很弱,间距也较大(超出规范限制),又重复设置,并且支撑会增大纵向温度应力,增设的柱间支撑起不到加固作用,属于概念错误。


  3>关于屋桁架纵向面外稳定加固

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        加固图纸未见设置屋桁架跨中下弦纵向刚性系杆,现场施工中有系杆(见上图)。本工程为排架结构,屋桁架为简支受力,下弦杆全部受拉(上弦杆全部受压),下弦拉杆不会失稳,无稳定问题,无需设置面外支撑的纵向刚性系杆。且屋桁架下弦支撑在柱子牛腿上,属于下承式屋架,此种构造也只需保证上弦杆有支撑即可(屋面檩条为上弦杆支撑)。所以施工中加设的这道跨中下弦纵向系杆也基本起不到加固作用,无需设置此道跨中下弦纵向系杆。


  综上,现加固方案基本起不到加固作用。加光伏之后相对原控制工况增大的20.5%的荷载需要利用原结构安全储备去扛,承载力加固无效,稳定性加固不起作用,大大降低结构安全性。如果遇上08年雪灾工况,屋顶雪荷载超过0.65kN/㎡(百年一遇雪荷载),开始使用结构安全储备之后,厂房有垮塌风险。亟需改变现有加固做法,采取更有效的加固方案(见“3·加固建议”),方可保证结构在极端工况下的安全。


  3·加固建议:


  为保证结构安全和原设计的安全储备,按控制工况增大的20.5%荷载等比例增加构件承载力(构件稳定性也会跟随承载力同时加固)。根据“1·加固原则说明”分析,只需加固屋面檩条与屋桁架,柱子、地基和基础均不需做加固处理。


  1>屋面檩条加固建议


  屋面檩条跨度均为6.0m,间距均为1.0m,采用C型冷弯热镀锌薄壁型钢,截面:C120x70x20x3.0。为了施工便利性,C型截面檩条都做成简支檩条,本项目亦是如此。简支檩条支座弯矩为0,跨中弯矩更大,截面强度无法充分利用。简支檩条施工较为便利,但截面承载力较为浪费,下图为简支檩条与连续檩条弯矩图:

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        由上图可见,弯矩不调幅的连续檩条更大弯矩在支座,其数值相较简支檩条弯矩降低1/3,可利用此原理进行屋面檩条加固。实际情况由于存在二次受力,支座加固成连续时,跨中已存在弯矩(恒载加部分活载产生,约为设计荷载的1/2),实际弯矩情况接近调幅0.5的连续檩条弯矩图,此时更大弯矩仍在跨中,但相较简支檩条弯矩仍然降低1/3。将简支檩条改变成连续檩条,可较大幅度提高现状檩条承载力,做法如下:

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        简支檩条变为连续檩条做法一经济性更好,但施工极不方便(施工空间小,屋面板影响焊接),可能无法施工。


  简支檩条变为连续檩条做法二成本较高,施工亦不便利,需事先在原檩条上开螺栓孔,且檩托处原螺栓头对L形檩条安装有影响。为保证连续檩条受力效果,也需让L形檩条上下顶紧原C形檩条内壁。


  至此,也可加大檩条截面,只在跨中1/2跨度长度区段内背对背焊接(断续焊即可)与现屋面檩条同规格的C型檩条,属于“硬扛法”,此种是加固施工比简支檩条变为连续檩条做法较为便利,但成本稍高,做法如下:

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        简支檩条加大截面加固做法经济型不如简支檩条变为连续檩条做法一,但加固施工较为方便,加固原理简单,焊缝可以采取断续焊,能更好控制施工质量,不会对原结构产生不利影响,推荐此种做法。


  2>屋桁架加固建议


  屋面桁架为双坡梯形屋架和单坡梯形屋架,桁架弦杆和腹杆截面均为□100x4方管,全焊接构造,下弦杆全部受拉,上弦杆全部受压,采用施加预应力的加固方式是最为有效与经济的做法,且施工较为便利。在下弦杆下部设置预应力钢筋,施加一个反向荷载抵消下弦杆的拉应力和上弦杆的压应力,相当于变相提高了桁架的承载力,且加固时不需要卸载,并且不卸载加固还要好于卸载加固,非常适用于本工程加固,且成本较低。也可以改善桁架的挠度和变形,提高其刚度。做法见下图:

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      4·结论:


  根据以上分析,本工程原加固方案没有起到该有加固效果,结构加固基本无效。需要按上述加固建议做法重新做加固设计。


  (结构加固暂时属于小众行业,绝大部分结构工程师都是从事于新建结构设计,对于结构加固设计经验不足。结构加固不仅需要考虑现有结构的受力状态,还需要考虑各种不利因素的影响,考虑不到位就有可能引起工程事故,非常需要结构工程师的综合判断和分析能力的,需要极强的结构概念才能做好加固设计)


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