門式剛架結(jié)構(gòu)檁條加固方案研究

弭俊榮

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院）

0 引言

冷彎薄壁型鋼檁條作為一種性能良好的支撐構(gòu)件，因其輕質(zhì)高強(qiáng)的材料屬性，被廣泛應(yīng)用在各種輕鋼結(jié)構(gòu)廠房中，在門式剛架結(jié)構(gòu)廠房屋蓋體系中起到極其重要的作用。隨著地面電站的數(shù)量不斷增多，隨之而來的就是土地資源問題，由于廠房屋頂能夠滿足屋頂光伏電站的安裝要求，且施工方便快捷，于是有人就開始把目光聚焦到了廠房屋頂。但在多數(shù)我國已建成廠房中，由于原廠房設(shè)計(jì)時的荷載余量較小，在輕鋼廠房屋頂增設(shè)光伏板，會導(dǎo)致屋面荷載大于原設(shè)計(jì)荷載，這就需要對原有廠房進(jìn)行荷載校核，并對不滿足要求的廠房進(jìn)行加固，以滿足新的承載力要求?？赡軙胁糠謽I(yè)主要求，在施工過程中盡可能小的降低對廠房生產(chǎn)的影響，這就要求在對廠房進(jìn)行施工方案的制定時，盡可能地按實(shí)際工程需要對加固手段進(jìn)行篩選，盡可能地減小對廠房正常工作的影響[1-2]。

1 太陽能光伏板的加固方法

1.1 加密檁條

方法概述：鋼結(jié)構(gòu)廠房在工業(yè)廠房中應(yīng)用廣泛，隨著工業(yè)廠房屋頂?shù)拈_發(fā)與利用，需要對廠房屋頂進(jìn)行加固以滿足新的使用要求。檁條結(jié)構(gòu)主要承受來自屋面的均布荷載，通過在單位面積內(nèi)增加檁條數(shù)量可以大幅降低單根檁條所承受的外部荷載，從而提高屋蓋系統(tǒng)的整體承載能力。在檁條中間跨的承載力滿足要求，而邊跨檁條承載力超值的情況下，可以采用加密檁條的加固方法，減小單根檁條的承受荷載的截面面積。如果對既有建筑屋頂?shù)暮奢d承載力進(jìn)行重新驗(yàn)算后，發(fā)現(xiàn)僅局部區(qū)域承載力不滿足要求，可只對局部區(qū)域檁條進(jìn)行加固；如果僅邊跨部分的檁條承載力不滿足要求，可以放棄邊跨部分的設(shè)備鋪設(shè)，避免因局部加固加大費(fèi)用支出。局部加密檁條可以減少不必要的成本浪費(fèi),也可以有效平衡經(jīng)濟(jì)和受力的雙重要求。

構(gòu)造及優(yōu)勢：檁條加密的具體做法是校準(zhǔn)原有的冷彎薄壁鋼檁條，間隔布置加密布置檁條，檁條加密后屋面承載能力顯著加強(qiáng)，檁條數(shù)量增多后同時分擔(dān)屋面荷載，使屋面滿足新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。原屋面檁條與新加檁條組成一個整體系統(tǒng)，屋面受力情況重新分布，確保屋面坡向荷載傳遞的連續(xù)性。檁條的安裝過程中也涉及到了支撐與連接部件的安裝，因此加密檁條施工既有焊接作業(yè)又有螺栓緊固作業(yè)，這就要求施工過程中的精密把控，部件尺寸規(guī)格的選用要嚴(yán)格統(tǒng)一。檁條加密的方法設(shè)計(jì)相對較簡單，但施工過程中涉及到屋面的拆除及恢復(fù)等工作，不僅影響了廠房內(nèi)部的正常工作，而且現(xiàn)場需要新增檁托、與屋面板連接需要自攻螺釘?shù)葮?gòu)件，因此直接加密檁條的方法用鋼量較大、安裝成本大幅增加，導(dǎo)致許多新增屋頂分布式光伏電站項(xiàng)目成本偏高無法實(shí)現(xiàn)[3]。

1.2 加固為連續(xù)檁條

方法概述：檁條根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)的不同，可分為簡支檁條與連續(xù)檁條，輕鋼結(jié)構(gòu)屋面多采用冷彎薄壁簡支檁條。當(dāng)跨度較大或荷載較大時，使用連續(xù)檁條更加節(jié)約鋼材。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展，輕鋼結(jié)構(gòu)的跨度與荷載日益增大，連續(xù)檁條的使用日益增多。因?yàn)镃 型簡支檁條無法做到像Z 型檁條一樣通過搭接就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)，所以連續(xù)檁條普遍采用Z型檁條，但Z型檁條在制作加工及安裝過程中定位較為復(fù)雜，且Z 型鋼因構(gòu)造原因無法提供較好的洞口平整度，適用范圍受到很大的限制。結(jié)合國內(nèi)許多已建成的輕鋼結(jié)構(gòu)廠房，其普遍采用C 型簡支檁條，廠房由于屋面使用功能的改變、使用年限增長等原因?qū)е挛菝娴暮奢d增加，對檁條的承載力要求往往會隨著發(fā)生改變，為保證屋面系統(tǒng)的正常使用，可以將檁條加固為連續(xù)檁條。

構(gòu)造及優(yōu)勢:為了提高冷彎薄壁C 型簡支檁條的承載能力，可將相鄰的檁條在支座位置內(nèi)嵌薄壁C 型鋼，通過螺栓或粘接劑等連接方式加固為連續(xù)檁條。連續(xù)檁條相比較于簡支檁條，其受力更加均勻，屋面系統(tǒng)平面內(nèi)剛度和屋蓋的整體性能表現(xiàn)更好，而且可以減少約10%的用鋼量。在檁條中間支座位置產(chǎn)生了負(fù)彎矩，在檁條連續(xù)化加固后，增加了檁條的剛度、提升了檁條的極限承載能力、同時也減小了檁條跨中部位彎矩，但加固為連續(xù)檁條對延性的提升較小。改造連續(xù)檁條通過改變原簡支檁條的受力分布，使其解決屋面荷載改變后檁條承載力超限的問題，在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋蓋系統(tǒng)中，也可通過設(shè)置拉條來提高檁條結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該方案施工工期短，且對廠房正常使用影響較小。簡支檁條連續(xù)化加固方案對端跨影響較小，端跨不建議采取此方案[4-5]。

1.3 檁條增設(shè)隅撐

方法概述:在實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是簡支檁條，為確保廠房上部結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，常設(shè)置隅撐為其提供側(cè)向支持力，隅撐通常與檁條相連構(gòu)成一個系統(tǒng)。隅撐可以顯著降低檁條在豎向荷載作用下的正彎矩。隅撐的主要作用不是支撐檁條，相反是利用檁條來支撐梁或柱的下翼緣，與此同時其布置也對檁條產(chǎn)生支撐作用，通常在設(shè)計(jì)工作中計(jì)算檁條時，不考慮隅撐對檁條的支撐作用，但在實(shí)際工程中，隅撐的設(shè)置對檁條受力的影響是實(shí)際存在且不可忽略的。其作用主要表現(xiàn)在隅撐對檁條產(chǎn)生的支撐作用和對檁條產(chǎn)生的附加應(yīng)力方面，因此我們可以通過合理的布置來加強(qiáng)隅撐對檁條的支撐作用。

構(gòu)造及優(yōu)勢：設(shè)置隅撐后，考慮到隅撐對檁條的作用，檁條應(yīng)力分布情況將發(fā)生改變。實(shí)際工程中隅撐可以單側(cè)或雙側(cè)布置。單側(cè)布置隅撐不能對檁條起到支撐作用，雙側(cè)布置的隅撐能對檁條起到支撐作用，但僅雙側(cè)隅撐能對檁條產(chǎn)生附加應(yīng)力。相鄰鋼架橫梁隅撐的布置，要滿足同時布置在一個開間范圍內(nèi)才能產(chǎn)生支撐作用。對設(shè)置底板的冷彎薄壁C 型檁條，當(dāng)檁條的計(jì)算承載力不超過10%時，可以通過合理優(yōu)化組件，為各個檁條設(shè)置隅撐來優(yōu)化原構(gòu)件承載力。隅撐對檁條會產(chǎn)生縱向軸力，但通過支撐作用可以減少檁條所受的荷載。隅撐采取雙側(cè)布置時對連續(xù)檁條彎矩影響相對于簡支檁條而言較小?？紤]隅撐作用后的檁條在受力性能方面會產(chǎn)生巨大改變，特別是單側(cè)布置的檁條，其結(jié)構(gòu)形式會對檁條產(chǎn)生不良的影響。從整體安全性角度出發(fā)，單雙側(cè)隅撐的布置應(yīng)遵循設(shè)計(jì)使用條件與現(xiàn)場施工狀況靈活布置，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷或材料浪費(fèi)的情況[6]。

1.4 下?lián)问綑_條

方法概述：增加屋面荷載后，簡支檁條的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算不合格，為防止檁條的彎曲破壞，將原有檁條改造為格構(gòu)式檁條結(jié)構(gòu)，改造后檁條的受力情況表現(xiàn)良好。按照可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略原則，綜合考慮各方面因素對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，尋求用鋼量最為經(jīng)濟(jì)的加固改造方案。下?lián)问綑_條最突出的特點(diǎn)是同樣的情況下，用鋼量比普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省巨大。下?lián)问綑_條屬于較為復(fù)雜的格構(gòu)式檁條結(jié)構(gòu)，需預(yù)先制定加固改造方案，需要確定出合理的連接構(gòu)件尺寸與間距。下?lián)问綑_條最突出的問題就在于連接點(diǎn)處的焊接與確保下拉鋼筋預(yù)有一定的應(yīng)力。撐桿與檁條間采用焊接的方式連接，拉條通過在撐桿下部設(shè)置的鉆孔，拉條的兩端采用焊接的方式固定。因高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋一般不用作焊接，故下拉鋼筋取用普通鋼筋。

構(gòu)造及優(yōu)勢：在下?lián)问綑_條的構(gòu)造中，需在冷彎薄壁C 型檁條下端增設(shè)兩根撐桿，即將方鋼管在檁條腹板外側(cè)點(diǎn)焊，用普通鋼筋將方鋼管底部、鋼梁連接成為一個整體。拉條與檁條兩端或鋼梁端部進(jìn)行連接，并在撐桿下部為其提供支撐作用，整體結(jié)構(gòu)成中心對稱。在受力上可為檁條額外提供兩個支持力，能有效降低檁條跨中的彎矩與撓度，可見加固后檁條的受力效果較好。檁條腹板外側(cè)的焊接區(qū)域經(jīng)常會出現(xiàn)應(yīng)力相對集中的現(xiàn)象，一般通過加大方管截面面積或增加焊接長度的方法來解決。下?lián)问綑_條結(jié)構(gòu)布置橫向拉條后，能為檁條結(jié)構(gòu)提供一定的支持力，若未設(shè)置橫向拉條，方管由于力的作用會在橫向產(chǎn)生位移，造成構(gòu)件失穩(wěn)。選用的鋼筋不應(yīng)有較大的摩擦力，不然鋼筋產(chǎn)生伸長變形后與方管孔壁有摩擦作用，產(chǎn)生的摩擦力使方管在縱向移動，會導(dǎo)致下拉鋼筋受力性能降低[7-8]。

1.5 C型檁條開口側(cè)增設(shè)綴板

方法概述：冷彎薄壁C 型檁條是單軸對稱截面，其破壞形式一般表現(xiàn)為受壓上翼緣和腹板發(fā)生屈曲，在破壞時主要是由于C 型檁條截面不對稱導(dǎo)致的截面易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)側(cè)向支撐超出極限荷載后，構(gòu)件截面會發(fā)生失穩(wěn)破壞。檁條發(fā)生屈曲時，材料通常沒有達(dá)到屈曲強(qiáng)度，鋼材的性能達(dá)不到充分的利用。由于冷彎薄壁型鋼材的壁厚較薄，傳統(tǒng)加固方式不一定能完全適用。未經(jīng)加固的簡支檁條主要發(fā)生彎扭屈曲破壞，在彈性階段就會產(chǎn)生破壞，位移-荷載曲線呈線性，極限承載力低，材料性能無法得到充分利用；增設(shè)綴板加固后的檁條大多發(fā)生整體彎曲破壞，構(gòu)件部分截面達(dá)到了屈服強(qiáng)度，位移-荷載曲線有明顯的拐點(diǎn)，材料強(qiáng)度得到了充分的利用，構(gòu)件極限承載力提高較為顯著，證明增設(shè)連接綴板的加固性能良好。

構(gòu)造及優(yōu)勢：結(jié)合施工過程的可行性，提出在冷彎薄壁C 型檁條的卷邊外側(cè)位置按一定間隔距距離增設(shè)同一尺寸的連續(xù)綴板的加固方法，檁條卷邊外側(cè)與外界綴板通過自攻螺釘連接，加固后的受力性能有明顯的改善，其整體性也表現(xiàn)良好。采用不同間距和不同寬度的連接綴板進(jìn)行加固時，檁條的極限承載力也呈現(xiàn)出不同程度的改變；當(dāng)連接綴板的截面寬度一定時，隨著綴板間距的減小，檁條的抗彎剛度提高，極限承載力不斷增大；當(dāng)連接綴板的間隔距離一定時，隨著綴板的寬度增大，檁條的抗彎剛度提高，極限承載力不斷增大。隨著加固程度的提高，檁條破壞時的截面屈服范圍不斷增大，極限承載力也不斷提高。由于冷彎薄壁C 型檁條的翼緣及卷邊較薄，在加工時要預(yù)防應(yīng)力強(qiáng)化的出現(xiàn)。為考慮實(shí)際工程需要，建議在保證檁條提高一定承載力的前提下，降低用鋼量，盡可能的選取較窄的大間距連接綴板。[9]

1.6 C型檁條下翼緣增設(shè)L型角鋼

方法概述：隨著鋼結(jié)構(gòu)廠房的廣泛使用，剛結(jié)構(gòu)的加固問題日益成為社會上關(guān)注的熱點(diǎn)問題。剛結(jié)構(gòu)加固通常采用改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形法或增大構(gòu)件截面法。增大構(gòu)件的截面是通過加大構(gòu)件截面的截面面積來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的剛度增加，進(jìn)而增大框架的整體承載能力。采用增大構(gòu)件截面法時，首先要對結(jié)構(gòu)的已有缺陷與損傷情況進(jìn)行鑒定，并在不影響使用廠房凈空的前提下采用外加構(gòu)件的方式提高原構(gòu)件的承載力，為了便于施工，加固件的布置要適配原構(gòu)件的幾何形狀或變形形態(tài)，所選截面的截面形式對加固技術(shù)要求也存在一定的影響。在實(shí)際工程的施工過程中，采用適當(dāng)?shù)姆绞皆龃笤袠?gòu)件截面是一種最直接有效的檁條加固方法。

構(gòu)造及優(yōu)勢：增大截面加固法是最為傳統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)加固方法，加固構(gòu)件具有合理的傳力途徑，設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)相對較于成熟。現(xiàn)采用一種在增大截面法的基礎(chǔ)上，在冷彎薄壁C 型檁條的下翼緣通過抽芯鉚釘連接L 型角鋼構(gòu)成新的檁條截面的方法。在對結(jié)構(gòu)整體的缺陷與損傷進(jìn)行鑒定后的前提下，通過外加L 型角鋼與抽芯鉚釘?shù)膶_條的共同作用不僅提高了檁條的極限承載力，而且撓度也能滿足正常工作的要求。加固后的單根鋼檁條的應(yīng)變沿截面高度方向近似成線性分布，證明了采用抽芯鉚釘連接能夠較好地保證冷彎薄壁C 型檁條與L形角鋼構(gòu)件具有較好的整體工作性能.采用此加固方法具有施工速度快、易于操作，且不需要拆除屋面系統(tǒng)的優(yōu)勢，在施工過程中能極大限度的減小對廠房正常工作的影響。其主要短處就是現(xiàn)場施工的技術(shù)要求較高，而且會導(dǎo)致建筑凈空減小[10-11]。

2 結(jié)束語

綜上所述，輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋頂對于太陽能光伏電站的安裝有著巨大的優(yōu)勢，滿足光伏電站的建造要求，不但符合環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的發(fā)展理念，而且能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文總結(jié)屋頂分布式太陽能光伏電站的加固方法，并對各種方法所存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供了理論參考，以期在后續(xù)施工中，能夠綜合考慮施工可行性、施工進(jìn)度等情況，幫助不同實(shí)際工程選擇出最為合理的加固設(shè)計(jì)措施。