風荷載作用下屋頂槽式聚光鏡對建筑頂層結構的影響

蔣煥青 李正農 鄒瓊

摘? 要：屋頂槽式聚光鏡在城區可以充分利用太陽能資源，綠色環保，但在屋頂安裝高度約7 m的聚光鏡，風荷載作用下會對屋頂結構產生強烈影響.以某5層框架結構為例，首先采用ANSYS軟件建立安裝槽式聚光鏡前后的兩種框架結構有限元模型;然后施加荷載，分別對結構模型進行靜力計算，通過對頂層結構構件位移及內力對比分析，論證在風荷載下聚光鏡對房屋頂層結構的影響，并提出了幾種相應措施，可為安裝在屋頂上的其他結構或設施的結構設計研究提供參考.

關鍵詞：屋頂槽式聚光鏡;風荷載;框架結構;有限元分析;頂層結構

中圖分類號：TU312? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.015

0? ? 引言

隨著經濟的飛速發展，我國能源需求激增，環境污染和經濟發展之間的關系成為環境資源和經濟學領域關注的熱點問題[1].為緩解環境壓力，實現可持續發展，太陽能的開發和利用引起廣泛關注.太陽能熱發電系統主要有塔式、碟式和槽式.槽式聚光鏡是目前太陽能熱利用技術中最為成熟且造價較低的一種聚光形式，具有良好的商業化基礎[2].由于槽式聚光鏡系統特殊的工作性能及使用面積，在城區其局限性便體現出來[3].將槽式聚光鏡安裝在建筑屋頂便能較好地解決效率和成本問題.目前國內外對屋面式太陽能利用系統的發展研究主要集中在太陽能光伏板方面，國外對屋面光伏陣列風荷載進行了一系列的風洞實驗[4-7]，討論的主要影響因素包括光伏陣列安裝傾角、離開屋面的高度、陣列間距以及建筑物設計相關參數等.張愛社等[8]采用 CFD 分析討論了屋面光伏板的風荷載特性，劉芳芳等[9]以哈爾濱市作為寒區典型城市代表進行屋頂太陽能設備應用問題調研，45%的人認為存在屋頂結構的損壞現象.在風荷載下屋頂槽式聚光鏡的安裝，增大了屋頂結構的變形和內力，不僅威脅到建筑結構的耐久性和安全性，也會影響槽式聚光鏡的安全性和可靠性，但是到目前為止有關槽式聚光鏡對屋頂結構構件的影響分析還未見報道.

1? ? 數值模擬

1.1? ?建筑項目

1.1.1? 項目概況

某5層辦公樓，結構體系為地上南北走向的5層鋼筋混凝土框架結構，層高3.3 m.柱截面尺寸為0.45 m×0.45 m，梁截面尺寸為0.35 m×0.40 m，現澆鋼筋混凝土樓屋蓋板的厚度均為0.12 m，混凝土強度等級為C30，彈性模量為 30 000 MPa，重力密度為 25 kN/m3，樓面活荷載為2.5 kN/m2，屋面活荷載為2.0 kN/m2，結構縱向尺寸為31.3 m，橫向尺寸為13.2 m，開間3.6 m，進深4.2 m.

1.1.2? 框架結構有限元模型

ANSYS有限元分析過程中，框架結構固結在基礎上，梁、柱均采用BEAM188單元，現澆樓板采用SHELL181單元，框架結構模型劃分網格后的單元數為9 683個，節點數為13 011個，有限元模型如圖1中框架結構模型.

1.2? ?屋頂槽式聚光鏡

1.2.1? 槽式聚光鏡結構組成

本文槽式聚光鏡原型是位于某試驗基地的聚光鏡結構，系統主要由立柱、聚光鏡鏡面、鏡面支架、鏡架主梁、端板、集熱管、集熱管支架及傳動法蘭等裝置組成.

本文研究對象為槽式聚光鏡的主體結構，包括立柱、鏡架主梁、端板、鏡面支架和聚光鏡.聚光鏡通過鏡托與鏡面支架連接，鏡面支架是由方鋼管焊接而成，單個槽式聚光鏡鏡面支架在槽式聚光鏡長度方向設置了中拉桿用來提高鏡面支架的剛度.鏡面支架通過螺栓與鏡架主梁連接，鏡面主梁通過端板和傳動裝置與立柱連接.本文根據建筑物屋面尺寸的大小，布置兩個長度為12.61 m的槽式聚光鏡（由傳動裝置連接），單個槽式聚光鏡總裝配圖如圖2所示.其中立柱采用0.22 m×0.14 m×0.05 m矩形鋼管焊成，鏡架主梁采用0.05 m×0.05 m×0.004 m方鋼管焊成，寬高均為1.2 m的空間桁架，端板采用厚0.02 m鋼板，鏡面支架共24對，采用0.05 m×0.05 m×0.004 m方鋼管焊成.

1.2.2? 聚光鏡有限元模型

為了方便計算，在保證模型精確度的基礎上對槽式聚光鏡結構體系進行了合理的簡化.反光鏡截面形狀為拋物鏡面，略有弧度，但由于弧度很小，對整個結構分析影響較小，因此，采用平面鏡進行簡化分析.集熱管和集熱管支架剛度和質量小，對整個聚光鏡結構體系荷載和剛度影響較小，同時轉動和減速裝置的細部特征建模復雜，對聚光鏡整體結構影響較小，以上兩項在建模時予以忽略.

本文研究的聚光器結構裝置的鋼結構部分均采用Q235鋼材，聚光鏡的材料為特制鋼化玻璃，在定義槽式聚光鏡各結構構件的材料參數時采用表1中各項材料的性能參數.槽式聚光鏡鏡面及端板采用Shell18單元，其他構件均采用 Beam188單元，對于聚光鏡結構中的螺栓連接均設置約束邊界條件.槽式聚光鏡模型劃分網格采用自動劃分，劃分后的單元數為22 751個，節點數為67 085個.為保證聚光鏡立柱支座下屋面板的安全，在立柱支座處增設十字交叉梁.建立安裝有槽式聚光鏡的框架結構有限元模型如圖1所示.

1.2.3? 槽式聚光鏡風荷載

由于槽式聚光鏡系統的迎風面積大，且剛度較低，風荷載是其結構設計中最重要的控制荷載[10-11]，但是槽式聚光鏡的結構體型不同于目前《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）（簡稱《規范》）中的結構類別，我國還未制定相關的設計規范或技術標準.國內外對槽式聚光鏡等效風荷載的研究很少，因此，本文采用《規范》第8.1.1條中的風荷載公式來計算槽式聚光鏡的風荷載.

該工程項目位于長沙地區，查荷載規范基本風壓取0.35 kN/m2.槽式聚光鏡鏡面離屋頂高度的最大值為7.1 m，根據《規范》第8.2.1條，對于C類地面粗糙度類別，取風壓高度變化系數[μz]為 0.79. 鄒瓊[12]采用多階模態力法來計算槽式聚光鏡的風振系數，最大風振系數值出現在50-000 工況（工況表示為“鏡面豎向角-水平風向角”，其中鏡面角度示意圖如圖3所示）下，風振系數達到了3.4，并通過風洞試驗，計算出各分區的風荷載體型系數.本文根據風荷載的計算公式，最終確定槽式聚光鏡在50-000 工況下等效風荷載分區圖，如圖4所示.

2? ? 計算結果分析

考慮結構自重、樓面（屋面）活荷載及風荷載，依據荷載組合：1.3恒載+1.5活載;1.3恒載+1.5×0.7活載+1.5風荷載，對安裝槽式聚光鏡前后的有限元模型施加荷載，計算并對比分析頂層結構的屋面板、屋面梁、頂層柱內力及屋面梁板節點的豎向位移.

2.1? ? 屋面板彎矩及豎向位移對比

2.1.1? ?屋面板彎矩

框架結構中屋面板均屬于雙向板，設計時需考慮兩個方向的彎矩，對兩個方向的彎矩值進行對比.

在結構求解過程中，除屋頂增加槽式聚光鏡荷載外，其他結構體系、材料等級等結構構件和荷載信息相同.屋面板短向面彎矩M11.如圖5所示，僅框架結構時，屋面板彎矩最大值為? ? ? 1.883 kN·m，最小為-1.902 kN·m.如圖6所示，當屋頂安裝槽式聚光鏡時，在風荷載作用下，屋面板短向面彎矩最大值為3.668 kN·m，最小為? ? ? ? ? -3.815 kN·m，彎矩增大1.96～2.00倍.同樣對安裝屋頂槽式聚光鏡前后屋面板長向面彎矩進行比較，彎矩增大1.21～3.75倍，而且最大彎矩值的位置由跨度較大的邊板帶轉移到立柱下跨度較小的板帶.

2.1.2? 屋面板節點豎向位移

安裝槽式聚光鏡后，在風荷載作用下，屋頂荷載增加使得屋面板節點豎向位移有所變化.如? 圖7所示，僅框架結構時，屋面板節點豎向位移最大值為1.500 mm，最小為0.477 mm;如圖8所示，當屋頂安裝槽式聚光鏡后，屋面板節點豎向位移最大值為2.28 6 mm，最小為0.567 mm，位移增大1.19～1.52倍.但根據《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）第3.4.3條，其允許撓度值分別是? ? ? ? 3 600 mm/200=18 mm，2 400 mm/200=12? mm，屋面板撓度值均滿足規范規定要求，但是荷載引起撓度的增加會導致屋面板開裂.

2.2? ? 屋面梁內力及位移對比

2.2.1? 屋面梁彎矩

整體笛卡爾坐標系中梁單元坐標：跨度方向為單元的X軸，高度方向為Z軸，寬度方向為Y軸.由于屋頂增加槽式聚光鏡荷載，荷載由屋面板傳遞給屋面梁，屋面梁承受的荷載增加，內力也會增加.如圖9所示，僅框架結構時，屋面梁繞Y軸彎矩最大值為12.765 kN·m，最小為-12.446 kN·m.如圖10所示，當屋頂安裝槽式聚光鏡后，在風荷載作用下，屋面梁繞Y軸彎矩最大值為44.399 kN·m，最小為-60.311 kN·m，繞Y軸彎矩增大3.48 ～4.85倍;同樣對安裝屋頂槽式聚光鏡前后屋面梁繞Z軸彎矩進行比較，彎矩增大3.08～5.99倍.可見屋頂安裝槽式聚光鏡，在風荷載作用下，對屋面梁兩個方向的彎矩值影響很大，需采取措施以提高屋面梁正截面抗彎承載力，滿足安全性要求.

2.2.2? 屋面梁剪力

由于屋頂增加槽式聚光鏡荷載使屋面梁剪力也會有所變化.如圖11所示，僅框架結構時，屋面梁Y向剪力最大值為3.021 kN，最小為-3.021 kN.如圖12所示，當屋頂安裝槽式聚光鏡時，在風荷載作用下，屋面梁剪力最大值為37.461 kN，最小為-34.795 kN，屋面梁的Y向剪力值增大約11.50～12.40倍;同樣對安裝屋頂槽式聚光鏡前后屋面梁Z向剪力值進行比較，剪力值增大6.33～5.20倍.可見屋頂槽式聚光鏡在風荷載作用下對屋面梁剪力影響很大，需采取措施以提高屋面梁斜截面抗剪承載力，滿足安全性要求.

2.2.3? 屋面梁節點豎向位移對比

由于屋頂安裝槽式聚光鏡，在風荷載作用下，屋面梁彎矩和剪力增加，使得屋面梁節點豎向位移增加.如圖13所示，僅框架結構時，屋面梁節點豎向位移最大值為1.22 mm，最小為0.453 mm;如圖14所示，當屋頂安裝槽式聚光鏡后，在風荷載作用下，屋面梁節點豎向位移最大值為2.261 mm，最小為0.536 mm，屋面梁節點豎向位移增大1.18～1.85倍.但根據規范規定，其允許撓度值分別是? ? 3 600 mm/200=18 mm，2 400 mm/200=12 mm，屋面梁撓度值均滿足規范規定的要求，但是撓度增加會導致混凝土屋面梁開裂.

2.3? ?頂層柱軸向力

如圖15所示，僅框架結構時，頂層柱的軸向力最大值為121.834 kN，最小為39.094 kN;如圖16所示，當屋頂安裝槽式聚光鏡后，在風荷載作用下，頂層柱的軸向應力最大值為456.441 kN，最小為38.287 kN，頂層柱軸力增大約3.74倍.可見在風荷載作用下屋頂增加槽式聚光鏡對框架結構頂層柱軸向力影響很大，應采取措施提高柱的正截面承載力.

通過對頂層結構構件內力及位移對比分析，在風荷載作用下，安裝有槽式聚光鏡的屋面板彎矩增大1.21～3.75倍，屋面梁彎矩增大3.08～ 5.99倍，剪力增大5.2～12.4倍，頂層柱軸向應力增加3.74倍，屋面板節點豎向位移增大1.19～1.52倍，屋面梁節點豎向位移增大1.18～1.85倍，因此，槽式聚光鏡在風荷載作用下產生的附加荷載對建筑物頂層結構構件承載力和變形影響很大.

3? ? 應對措施

由上述可知，屋頂安裝槽式聚光鏡，在風荷載作用下使得頂層結構構件內力和變形增加.內力增加引起結構構件的承載力不足，降低了房屋結構的安全性.變形過大造成房屋粉刷層剝落，甚至引起屋頂滲漏，影響房屋的正常使用，同時也降低結構的耐久性.本文提出了在屋頂安裝槽式聚光鏡設計中增加建筑頂層結構強度和剛度的有利措施.

3.1? ?對既有建筑采取的措施

1）減輕荷載.由于槽式聚光鏡系統的迎風面積大、剛度低，風荷載會導致聚光鏡出現變形，造成系統能效損失，甚至發生鏡面破壞;同時也會增大建筑結構屋頂構件的內力和變形，因此，可以適當降低聚光鏡系統的高度.

2）屋頂結構構件加固.在屋面梁、板及頂層柱表面粘貼碳纖維，使用碳纖維布加固混凝土構件，以提高構件的承載力和耐久性.

3）屋面結構架空.當槽式聚光鏡在風荷載作用下對屋面產生的附加荷載較大時，為了降低對既有建筑的影響，可利用既有建筑墻柱的安全儲備，在頂層重新設置屋面梁板體系，以滿足頂層結構安全性的要求.

3.2? ?對擬建建筑采取的措施

1）優化結構布置.為了增強屋頂結構在槽式聚光鏡立柱處的整體性，使傳力可靠，安裝立柱時，可在連接處設置兩個方向交叉的鋼筋混凝土梁，或將立柱布置在柱和墻的位置，以減小對屋面結構的影響.

2）跨學科合作.為提高屋頂槽式聚光鏡系統的安全性及能效，需分析槽式聚光鏡支座布置方式及在風荷載作用下對屋頂結構的影響，保證槽式聚光鏡與屋頂結構的可靠連接.為實現屋頂槽式聚光鏡系統模塊化設計，需利用BIM技術進行設計模擬、管道碰撞檢查等;同時，要計算建筑屋頂結構的承載能力，驗算其變形及裂縫寬度，并解決屋面防潮、保溫及防火等問題，以上均需建筑結構工程師與槽式聚光鏡設備師等專業人員從工業設計和建筑結構設計領域進行深度合作研究，實現多學科多目標優化設計.

4? ? 結論

屋頂槽式聚光鏡的前景十分廣闊，所蘊含的市場潛力非常巨大，因此，發展適合我國的屋頂槽式聚光鏡對于我國生態型城市的建設、城市可持續發展具有重要的戰略意義.本文利用ANSYS有限元軟件對安裝屋頂槽式聚光鏡前后的框架結構進行數值模擬研究，獲得了相應的靜力分析結果.具體研究成果如下：

1）分析在風荷載作用下屋頂槽式聚光鏡對頂層結構構件的內力及變形的影響.屋頂槽式聚光鏡在風荷載作用下，會增大建筑頂層結構構件的位移及內力，尤其是對屋面板和屋面梁內力影響很大.

2）為提高建筑物頂層結構安全性和耐久性，本文從減輕槽式聚光鏡自重、加固房屋頂層結構、屋面結構架空、優化結構布置及跨學科合作等方面提出了有利措施，以減小屋頂槽式聚光鏡在風荷載作用下對屋頂結構構件的影響.

3）本文所得結論適用于與本文相近尺寸的槽式聚光鏡及建筑結構，對于尺寸與本文原型差異較大的可能與本文的研究成果會有一定的差別.

需要指出的是，本文是關于屋頂槽式聚光鏡對屋頂結構影響有限元分析的初步探索，還有許多問題需要做進一步實測和試驗研究.

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