某鋼網(wǎng)架屋頂分布式光伏發(fā)電可行性分析研究

仇 偉，孟再生

（安徽省建院工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年來，在全球綠色發(fā)展的理念推動(dòng)下，分布式光伏發(fā)電規(guī)模得以快速發(fā)展，發(fā)電成本持續(xù)下降。在第十四個(gè)五年規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)的大背景下，部分企業(yè)大力推進(jìn)屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和。

有研究表明建筑物長(zhǎng)期使用后，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性能下降［1］情況。屋頂布設(shè)分布式光伏板，會(huì)增大網(wǎng)架上弦恒荷載，且隨著現(xiàn)行規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)安全要求的提高，荷載分項(xiàng)系數(shù)已于 2018 年由 1.2（1.35）、1.4 調(diào)整至 1.3、1.5，可能會(huì)存在部分建筑物屋頂承載能力不滿足要求，尤其是 2018 年之前設(shè)計(jì)、建造的建筑可能難以滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)安全及使用方面的要求［2，3］。

鋼網(wǎng)架屋蓋具有跨度大、空間開闊等使用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼?zhèn)浜附恿啃?、安裝靈活等施工優(yōu)勢(shì)，是大跨度、大層高建筑物常用的結(jié)構(gòu)形式，在工業(yè)建筑中被廣泛使用［4］。有相關(guān)研究表明周邊支撐網(wǎng)架和點(diǎn)支撐網(wǎng)架的抗連續(xù)倒塌性能較好［5］，壓桿的屈曲失穩(wěn)是引起網(wǎng)架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的主要原因，破壞較突然［6］。

為避免盲目施工導(dǎo)致屋面破壞甚至結(jié)構(gòu)坍塌，保障布設(shè)光伏板施工過程中施工完成后結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)既有建筑物進(jìn)行檢測(cè)鑒定和評(píng)估，分析實(shí)施的可行性十分必要。

1 工程概況

某工業(yè)建筑為單層鋼筋混凝土柱廠房，獨(dú)立基礎(chǔ)，排架結(jié)構(gòu)，鋼網(wǎng)架屋蓋，建筑高度約 13 m，于 2009 年竣工后投入使用。網(wǎng)架平面尺寸 102 m×48 m，周邊上弦支撐，正方四角錐，網(wǎng)格尺寸 3 m×3 m，網(wǎng)架矢高約 1.5 m。

該建筑混凝土排架結(jié)構(gòu)經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)、施工，驗(yàn)收資料齊全，結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)文件及變更文件相符。鋼網(wǎng)架設(shè)計(jì)單位不詳，且未調(diào)查到相關(guān)資料。現(xiàn)擬布設(shè)屋面太陽能光伏板恒載為 0.213 kN/m2。

2 重難點(diǎn)及對(duì)策

2.1 重點(diǎn)

該建筑物混凝土結(jié)構(gòu)資料齊全，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件、工序資料、竣工圖文件等缺失，不能采用隨機(jī)抽樣檢測(cè)方法來復(fù)核網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與工程相關(guān)資料的符合性。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，每個(gè)桿件的布置都對(duì)周邊桿件受力有顯著影響，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的實(shí)際布置進(jìn)行圖紙恢復(fù)是后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性鑒定和承載能力評(píng)估工作的前提。

2.2 難點(diǎn)及對(duì)策

鋼網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)桿件和連接節(jié)點(diǎn)多，如何確定桿件規(guī)格、螺栓球直徑、螺栓規(guī)格、節(jié)點(diǎn)連接狀況等對(duì)檢測(cè)鑒定和屋面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)估至關(guān)重要?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中主要存在的難點(diǎn)及相應(yīng)對(duì)策如下。

1）覆蓋范圍。該建筑的建筑高度約 13 m，需采用汽車吊、升降車等登高措施，而廠房?jī)?nèi)部放置生產(chǎn)原料、產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備，汽車吊、升降車等登高措施活動(dòng)范圍受限，部分區(qū)域無法輻射，存在盲點(diǎn)。

對(duì)策：廠房?jī)?nèi)布置有橋式吊車，移動(dòng)覆蓋網(wǎng)架全范圍，采用橋式吊車作為移動(dòng)平臺(tái)。

2）上弦桿及螺栓球、螺栓規(guī)格的檢測(cè)。網(wǎng)架矢高約1.5 m，考慮汽車吊、升降車等登高措施防護(hù)高度和下弦桿、腹桿的空間布置，檢測(cè)人員無法觸及上弦桿，進(jìn)一步否定了汽車吊、升降車等登高措施的可行性。廠房?jī)?nèi)橋式吊車平臺(tái)高度 10 m，采用橋式吊車作為移動(dòng)平臺(tái)，距上弦桿最大高度仍有 3 m。

對(duì)策：下弦桿、腹桿直徑和壁厚檢測(cè)確認(rèn)后，可確定不同直徑對(duì)應(yīng)的壁厚。對(duì)上弦桿直徑進(jìn)行檢測(cè)后，即可推定其壁厚。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量桿件尺寸、螺栓球直徑、螺栓規(guī)格。對(duì)游標(biāo)卡尺進(jìn)行加工改造，方法如圖 1 所示。

圖1 游標(biāo)卡尺加工改造示意圖

將游標(biāo)卡尺下口與伸縮桿固定連接，游標(biāo)卡尺上口綁上拉線、穿過限位環(huán)。檢測(cè)上弦桿直徑，首先，將上下口拉開距離大于預(yù)估桿件直徑；然后，通過伸縮桿將游標(biāo)卡尺送至受檢桿件后，下口抵住桿件下方，拉動(dòng)拉線使上口與桿件上部貼合；其次，水平移動(dòng)伸縮桿使游標(biāo)卡尺與桿件脫離，最后，收伸縮桿讀取游標(biāo)卡尺數(shù)值。檢測(cè)螺栓球直徑時(shí)，因可能存在直徑較大的球節(jié)點(diǎn)，游標(biāo)卡尺上下口可用鋼尺等加長(zhǎng)，固定平行。檢測(cè)螺栓規(guī)格時(shí)，可通過測(cè)量套筒e或s尺寸，如圖 2 所示。

圖2 套筒尺寸示意圖

依據(jù)GB/T 16939-2016《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓》［7］推定螺栓規(guī)格，如表 1 所示。

表1 常用套筒尺寸與螺栓規(guī)格對(duì)應(yīng)表 mm

3 鑒定過程

1）初步調(diào)查。查閱原設(shè)計(jì)施工資料，調(diào)查工業(yè)建筑物的歷史情況，考察現(xiàn)場(chǎng)并按資料核對(duì)實(shí)物現(xiàn)狀。

2）詳細(xì)調(diào)查。對(duì)網(wǎng)架的桿件尺寸、網(wǎng)架變形及檁條尺寸、屋面材質(zhì)等進(jìn)行調(diào)查檢測(cè)。

3）結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置、荷載等情況，建立計(jì)算模型，對(duì)結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

4）安全性鑒定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件評(píng)級(jí)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)評(píng)級(jí)和鑒定單元評(píng)級(jí)。

5）結(jié)論。綜合上述各種檢測(cè)鑒定成果，得出結(jié)構(gòu)安全性結(jié)論。

6）評(píng)估。結(jié)構(gòu)安全性鑒定結(jié)論滿足，進(jìn)行下一步評(píng)估工作。再計(jì)算模型添加屋面光伏板荷載，進(jìn)行承載能力評(píng)估。

4 調(diào)查與檢測(cè)

4.1 調(diào)查

4.1.1 地基基礎(chǔ)

該建筑物所在場(chǎng)地較平坦，無邊坡和毗鄰深基坑，未發(fā)現(xiàn)因地基基礎(chǔ)不均勻沉降或承載力不足導(dǎo)致的建筑物上部結(jié)構(gòu)的沉降裂縫、變形和位移。

4.1.2 上部承重結(jié)構(gòu)

該建筑物上部結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件未見因承載力不足等導(dǎo)致的受力裂縫、變形和損傷。

1）桿件變形。對(duì)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行外觀調(diào)查，重點(diǎn)調(diào)查是否存在變形桿件，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)存在部分桿件明顯彎曲，如圖 3 所示。

圖3 上弦桿變形

2）螺栓球節(jié)點(diǎn)連接。對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)連接處進(jìn)行外觀檢查，重點(diǎn)檢查對(duì)接焊縫質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)螺栓擰緊狀態(tài)，未見明顯異常。

3）支座節(jié)點(diǎn)連接。對(duì)支座節(jié)點(diǎn)連接處進(jìn)行外觀檢查，重點(diǎn)檢查支座螺栓球與肋板連接狀況和支座預(yù)埋鋼板與混凝土柱間是否脫空，未見明顯異常。

4.1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

圍護(hù)構(gòu)件及其構(gòu)造連接狀況良好，未見明顯老化損傷、破壞失效等現(xiàn)象。

4.2 檢測(cè)

該建筑混凝土結(jié)構(gòu)部分經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)和施工，結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)文件及變更文件相符，且工程資料齊全，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核查發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)文件、工程資料等相一致，故采信相關(guān)檢測(cè)報(bào)告和驗(yàn)收記錄，不再對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

4.2.1 網(wǎng)架撓度

使用全站儀對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度進(jìn)行檢測(cè)［8-10］，檢測(cè)方法采用無棱鏡法，跨度＞24 m，撓度測(cè)點(diǎn)分別位于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向和跨度方向的下弦端點(diǎn)、四分點(diǎn)和中點(diǎn)，布置如圖 4 所示。

圖4 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度測(cè)點(diǎn)布置

該建筑物可分為兩個(gè)鑒定單元，即兩個(gè)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在布置測(cè)點(diǎn)時(shí)需分別布置。在進(jìn)行撓度計(jì)算時(shí)，扣除了每個(gè)測(cè)點(diǎn)下弦桿的半徑。實(shí)測(cè)撓度取長(zhǎng)度方向和跨度方向的較大值。

4.2.2 構(gòu)件尺寸檢測(cè)

1）桿件。采用游標(biāo)卡尺和超聲波測(cè)厚儀對(duì)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件尺寸進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)鋼網(wǎng)架桿件實(shí)測(cè)結(jié)果和市場(chǎng)常用規(guī)格，推定桿件規(guī)格如表 2 所示。

表2 鋼網(wǎng)架桿件規(guī)格 mm

2）檁條。采用鋼卷尺、游標(biāo)卡尺和超聲波測(cè)厚儀對(duì)檁條尺寸進(jìn)行檢測(cè)，得到檁條尺寸及壁厚。

3）螺栓球節(jié)點(diǎn)。采用游標(biāo)卡尺對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)直徑進(jìn)行檢測(cè)，采用超聲波測(cè)厚儀對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)壁厚進(jìn)行檢測(cè)，得到螺栓球節(jié)點(diǎn)規(guī)格。

4）螺栓。采用游標(biāo)卡尺對(duì)套筒e或s尺寸進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果推定螺栓規(guī)格。

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置檢測(cè)結(jié)果如圖 5 所示。

圖5 鋼網(wǎng)架桿件布置

5 承載能力

5.1 驗(yàn)算參數(shù)

活荷載取值：上弦靜載取 0.3 kN/m2，不上人屋面均布活荷載取 0.5 kN/m2，下弦靜載取 0.05 kN/m2，基本風(fēng)壓取 0.35 kN/m2（R=50），基本雪壓取 0.50 kN/m2（R=50），溫差±30 ℃。

截面尺寸：按實(shí)測(cè)文件取值。

鋼材等級(jí)：桿件和檁條按設(shè)計(jì)文件取 Q235，鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度按 193 MPa 計(jì)。

5.2 驗(yàn)算結(jié)果

依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［11，12］，建立模型進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明鋼網(wǎng)架、檁條構(gòu)件滿足承載要求。

屋面增加太陽能光伏板，網(wǎng)架上弦恒載增加0.213 kN/m2，鋼網(wǎng)架存在部分超應(yīng)力桿件，不滿足承載要求，檁條不滿足承載要求。

6 安全性鑒定與承載能力評(píng)估

6.1 安全性鑒定

6.1.1 構(gòu)件安全性評(píng)級(jí)

混凝土柱構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)為 a 級(jí)。

彎曲的桿件安全性等級(jí)評(píng)為 c 級(jí)，占比＜20 %。其他桿件安全性等級(jí)評(píng)為 a 級(jí)。檁條的安全性等級(jí)評(píng)為 a 級(jí)。

6.1.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性評(píng)級(jí)

1）地基基礎(chǔ)。建設(shè)場(chǎng)地較為平整，非邊坡地帶，未發(fā)現(xiàn)顯著變形和滑移跡象及地坪沉降。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，綜合評(píng)定地基基礎(chǔ)的安全性等級(jí)為 A 級(jí)。

2）上部承重結(jié)構(gòu)。上部承重結(jié)構(gòu)的承載功能等級(jí)評(píng)定為 B 級(jí)；比較實(shí)測(cè)撓度值與計(jì)算撓度值大小，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，結(jié)構(gòu)整體性等級(jí)評(píng)定為 A 級(jí)。上部承重結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)評(píng)定為 B 級(jí)。

3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載功能等級(jí)評(píng)定為 A 級(jí)，構(gòu)造連接等級(jí)評(píng)定為 A 級(jí)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性等級(jí)評(píng)定為 A 級(jí)。

6.1.3 鑒定單元安全性評(píng)級(jí)

綜合地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性等級(jí)，該建筑物結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為二級(jí)，尚不明顯影響整體安全。應(yīng)對(duì) c 級(jí)構(gòu)件部位采取措施。

6.2 承載能力評(píng)估

依據(jù) 2001 版可靠度標(biāo)準(zhǔn)和 2018 版可靠性標(biāo)準(zhǔn)，按屋面增加恒載 0.213 kN/m2評(píng)估：檁條和部分鋼網(wǎng)架桿件不滿足承載要求。

該鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋頂須經(jīng)加固后方可布設(shè)分布式光伏發(fā)電設(shè)備。

7 結(jié)語

通過對(duì)該建筑物的結(jié)構(gòu)安全性鑒定和承載能力評(píng)估，明確了該建筑物的結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)和是否可以直接在屋頂布設(shè)光伏板，為相關(guān)單位進(jìn)行決策時(shí)提供了依據(jù)。

在對(duì)沒有圖紙的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)鑒定時(shí)，檢測(cè)難度較大。登高措施的選擇需視現(xiàn)場(chǎng)條件而定，需考慮登高措施的覆蓋范圍等。如何解決現(xiàn)場(chǎng)遇到的困難、提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度、適時(shí)地對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)檢測(cè)人員的綜合能力要求較高。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)架撓度檢測(cè)時(shí)存在若干問題，一是標(biāo)準(zhǔn)明確測(cè)點(diǎn)布置于跨度方向，未明確長(zhǎng)度方向的撓度是否需檢測(cè)；二是對(duì)于多跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，是否需分跨檢測(cè)撓度；三是撓度計(jì)算時(shí)是否需要考慮下弦桿半徑對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。建議檢測(cè)人員對(duì)長(zhǎng)度方向的撓度進(jìn)行檢測(cè)和分析，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體變形掌握更多數(shù)據(jù)；多跨網(wǎng)架中間支座的下弦桿件一般不會(huì)有明顯下?lián)希瑢?duì)網(wǎng)架撓度計(jì)算有較大影響，撓度計(jì)算值不能反映其真實(shí)的整體變形，建議對(duì)單跨≥ 24 m 的多跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度分跨檢測(cè)；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)跨度方向下弦桿件尺寸常見不一致，建議考慮桿件半徑的影響，測(cè)撓度更趨于實(shí)際變形狀況。Q