某鋼網架屋頂分布式光伏發電可行性分析研究

仇 偉，孟再生

（安徽省建院工程質量檢測有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年來，在全球綠色發展的理念推動下，分布式光伏發電規模得以快速發展，發電成本持續下降。在第十四個五年規劃和 2035 年遠景目標的大背景下，部分企業大力推進屋頂分布式光伏發電項目，助力實現碳達峰碳中和。

有研究表明建筑物長期使用后，容易出現結構安全性能下降［1］情況。屋頂布設分布式光伏板，會增大網架上弦恒荷載，且隨著現行規范對結構安全要求的提高，荷載分項系數已于 2018 年由 1.2（1.35）、1.4 調整至 1.3、1.5，可能會存在部分建筑物屋頂承載能力不滿足要求，尤其是 2018 年之前設計、建造的建筑可能難以滿足現行規范對結構安全及使用方面的要求［2，3］。

鋼網架屋蓋具有跨度大、空間開闊等使用優勢，同時兼備焊接量小、安裝靈活等施工優勢，是大跨度、大層高建筑物常用的結構形式，在工業建筑中被廣泛使用［4］。有相關研究表明周邊支撐網架和點支撐網架的抗連續倒塌性能較好［5］，壓桿的屈曲失穩是引起網架結構連續倒塌的主要原因，破壞較突然［6］。

為避免盲目施工導致屋面破壞甚至結構坍塌，保障布設光伏板施工過程中施工完成后結構的安全性，對既有建筑物進行檢測鑒定和評估，分析實施的可行性十分必要。

1 工程概況

某工業建筑為單層鋼筋混凝土柱廠房，獨立基礎，排架結構，鋼網架屋蓋，建筑高度約 13 m，于 2009 年竣工后投入使用。網架平面尺寸 102 m×48 m，周邊上弦支撐，正方四角錐，網格尺寸 3 m×3 m，網架矢高約 1.5 m。

該建筑混凝土排架結構經正規設計、施工，驗收資料齊全，結構布置與設計文件及變更文件相符。鋼網架設計單位不詳，且未調查到相關資料。現擬布設屋面太陽能光伏板恒載為 0.213 kN/m2。

2 重難點及對策

2.1 重點

該建筑物混凝土結構資料齊全，但網架結構設計文件、工序資料、竣工圖文件等缺失，不能采用隨機抽樣檢測方法來復核網架結構與工程相關資料的符合性。網架結構為多次超靜定結構，每個桿件的布置都對周邊桿件受力有顯著影響，對網架結構的實際布置進行圖紙恢復是后續進行結構安全性鑒定和承載能力評估工作的前提。

2.2 難點及對策

鋼網架的結構桿件和連接節點多，如何確定桿件規格、螺栓球直徑、螺栓規格、節點連接狀況等對檢測鑒定和屋面結構承載能力評估至關重要?，F場檢測過程中主要存在的難點及相應對策如下。

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，而廠房內部放置生產原料、產品和機械設備，汽車吊、升降車等登高措施活動范圍受限，部分區域無法輻射，存在盲點。

對策：廠房內布置有橋式吊車，移動覆蓋網架全范圍，采用橋式吊車作為移動平臺。

2）上弦桿及螺栓球、螺栓規格的檢測。網架矢高約1.5 m，考慮汽車吊、升降車等登高措施防護高度和下弦桿、腹桿的空間布置，檢測人員無法觸及上弦桿，進一步否定了汽車吊、升降車等登高措施的可行性。廠房內橋式吊車平臺高度 10 m，采用橋式吊車作為移動平臺，距上弦桿最大高度仍有 3 m。

對策：下弦桿、腹桿直徑和壁厚檢測確認后，可確定不同直徑對應的壁厚。對上弦桿直徑進行檢測后，即可推定其壁厚。采用游標卡尺測量桿件尺寸、螺栓球直徑、螺栓規格。對游標卡尺進行加工改造，方法如圖 1 所示。

圖1 游標卡尺加工改造示意圖

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

圖2 套筒尺寸示意圖

依據GB/T 16939-2016《鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓》［7］推定螺栓規格，如表 1 所示。

表1 常用套筒尺寸與螺栓規格對應表 mm

3 鑒定過程

1）初步調查。查閱原設計施工資料，調查工業建筑物的歷史情況，考察現場并按資料核對實物現狀。

2）詳細調查。對網架的桿件尺寸、網架變形及檁條尺寸、屋面材質等進行調查檢測。

3）結構驗算。根據結構布置、荷載等情況，建立計算模型，對結構承重構件進行承載力驗算。

4）安全性鑒定。根據現場檢測和計算分析結果，對結構構件評級、結構系統評級和鑒定單元評級。

5）結論。綜合上述各種檢測鑒定成果，得出結構安全性結論。

6）評估。結構安全性鑒定結論滿足，進行下一步評估工作。再計算模型添加屋面光伏板荷載，進行承載能力評估。

4 調查與檢測

4.1 調查

4.1.1 地基基礎

該建筑物所在場地較平坦，無邊坡和毗鄰深基坑，未發現因地基基礎不均勻沉降或承載力不足導致的建筑物上部結構的沉降裂縫、變形和位移。

4.1.2 上部承重結構

該建筑物上部結構混凝土構件未見因承載力不足等導致的受力裂縫、變形和損傷。

1）桿件變形。對鋼網架結構桿件進行外觀調查，重點調查是否存在變形桿件，現場調查發現存在部分桿件明顯彎曲，如圖 3 所示。

圖3 上弦桿變形

2）螺栓球節點連接。對螺栓球節點連接處進行外觀檢查，重點檢查對接焊縫質量和節點螺栓擰緊狀態，未見明顯異常。

3）支座節點連接。對支座節點連接處進行外觀檢查，重點檢查支座螺栓球與肋板連接狀況和支座預埋鋼板與混凝土柱間是否脫空，未見明顯異常。

4.1.3 圍護結構系統

圍護構件及其構造連接狀況良好，未見明顯老化損傷、破壞失效等現象。

4.2 檢測

該建筑混凝土結構部分經正規設計和施工，結構布置與設計文件及變更文件相符，且工程資料齊全，對現場進行核查發現與設計文件、工程資料等相一致，故采信相關檢測報告和驗收記錄，不再對混凝土結構進行現場檢測。

4.2.1 網架撓度

使用全站儀對網架結構的撓度進行檢測［8-10］，檢測方法采用無棱鏡法，跨度＞24 m，撓度測點分別位于網架結構長度方向和跨度方向的下弦端點、四分點和中點，布置如圖 4 所示。

圖4 鋼網架結構撓度測點布置

該建筑物可分為兩個鑒定單元，即兩個鋼網架結構，在布置測點時需分別布置。在進行撓度計算時，扣除了每個測點下弦桿的半徑。實測撓度取長度方向和跨度方向的較大值。

4.2.2 構件尺寸檢測

1）桿件。采用游標卡尺和超聲波測厚儀對鋼網架結構桿件尺寸進行檢測，根據鋼網架桿件實測結果和市場常用規格，推定桿件規格如表 2 所示。

表2 鋼網架桿件規格 mm

2）檁條。采用鋼卷尺、游標卡尺和超聲波測厚儀對檁條尺寸進行檢測，得到檁條尺寸及壁厚。

3）螺栓球節點。采用游標卡尺對螺栓球節點直徑進行檢測，采用超聲波測厚儀對螺栓球節點壁厚進行檢測，得到螺栓球節點規格。

4）螺栓。采用游標卡尺對套筒e或s尺寸進行檢測，根據檢測結果推定螺栓規格。

鋼網架結構布置檢測結果如圖 5 所示。

圖5 鋼網架桿件布置

5 承載能力

5.1 驗算參數

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：按實測文件取值。

鋼材等級：桿件和檁條按設計文件取 Q235，鋼材設計強度按 193 MPa 計。

5.2 驗算結果

依據相關技術標準［11，12］，建立模型進行復核驗算，驗算結果表明鋼網架、檁條構件滿足承載要求。

屋面增加太陽能光伏板，網架上弦恒載增加0.213 kN/m2，鋼網架存在部分超應力桿件，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估

6.1 安全性鑒定

6.1.1 構件安全性評級

混凝土柱構件安全性等級評為 a 級。

彎曲的桿件安全性等級評為 c 級，占比＜20 %。其他桿件安全性等級評為 a 級。檁條的安全性等級評為 a 級。

6.1.2 結構系統安全性評級

1）地基基礎。建設場地較為平整，非邊坡地帶，未發現顯著變形和滑移跡象及地坪沉降。結合計算結果，綜合評定地基基礎的安全性等級為 A 級。

2）上部承重結構。上部承重結構的承載功能等級評定為 B 級；比較實測撓度值與計算撓度值大小，結合現場調查結果，結構整體性等級評定為 A 級。上部承重結構安全性等級評定為 B 級。

3）圍護結構系統。圍護結構的承載功能等級評定為 A 級，構造連接等級評定為 A 級。圍護結構系統的安全性等級評定為 A 級。

6.1.3 鑒定單元安全性評級

綜合地基基礎、上部承重結構及圍護結構系統的安全性等級，該建筑物結構安全性等級為二級，尚不明顯影響整體安全。應對 c 級構件部位采取措施。

6.2 承載能力評估

依據 2001 版可靠度標準和 2018 版可靠性標準，按屋面增加恒載 0.213 kN/m2評估：檁條和部分鋼網架桿件不滿足承載要求。

該鋼結構網架屋頂須經加固后方可布設分布式光伏發電設備。

7 結語

通過對該建筑物的結構安全性鑒定和承載能力評估，明確了該建筑物的結構安全性等級和是否可以直接在屋頂布設光伏板，為相關單位進行決策時提供了依據。

在對沒有圖紙的鋼網架結構進行檢測鑒定時，檢測難度較大。登高措施的選擇需視現場條件而定，需考慮登高措施的覆蓋范圍等。如何解決現場遇到的困難、提高檢測效率和準確度、適時地對檢測方法進行優化，對檢測人員的綜合能力要求較高。

依據標準進行網架撓度檢測時存在若干問題，一是標準明確測點布置于跨度方向，未明確長度方向的撓度是否需檢測；二是對于多跨網架結構，是否需分跨檢測撓度；三是撓度計算時是否需要考慮下弦桿半徑對計算結果的影響。建議檢測人員對長度方向的撓度進行檢測和分析，對網架結構整體變形掌握更多數據；多跨網架中間支座的下弦桿件一般不會有明顯下撓，對網架撓度計算有較大影響，撓度計算值不能反映其真實的整體變形，建議對單跨≥ 24 m 的多跨網架結構的撓度分跨檢測；網架結構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，測撓度更趨于實際變形狀況。Q