門式剛架結構檁條加固方案研究

弭俊榮

（聊城大學建筑工程學院）

0 引言

冷彎薄壁型鋼檁條作為一種性能良好的支撐構件，因其輕質高強的材料屬性，被廣泛應用在各種輕鋼結構廠房中，在門式剛架結構廠房屋蓋體系中起到極其重要的作用。隨著地面電站的數量不斷增多，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。但在多數我國已建成廠房中，由于原廠房設計時的荷載余量較小，在輕鋼廠房屋頂增設光伏板，會導致屋面荷載大于原設計荷載，這就需要對原有廠房進行荷載校核，并對不滿足要求的廠房進行加固，以滿足新的承載力要求。可能會有部分業主要求，在施工過程中盡可能小的降低對廠房生產的影響，這就要求在對廠房進行施工方案的制定時，盡可能地按實際工程需要對加固手段進行篩選，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：鋼結構廠房在工業廠房中應用廣泛，隨著工業廠房屋頂的開發與利用，需要對廠房屋頂進行加固以滿足新的使用要求。檁條結構主要承受來自屋面的均布荷載，通過在單位面積內增加檁條數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的荷載承載力進行重新驗算后，發現僅局部區域承載力不滿足要求，可只對局部區域檁條進行加固；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備鋪設，避免因局部加固加大費用支出。局部加密檁條可以減少不必要的成本浪費,也可以有效平衡經濟和受力的雙重要求。

構造及優勢：檁條加密的具體做法是校準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，檁條數量增多后同時分擔屋面荷載，使屋面滿足新的結構設計要求。原屋面檁條與新加檁條組成一個整體系統，屋面受力情況重新分布，確保屋面坡向荷載傳遞的連續性。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又有螺栓緊固作業，這就要求施工過程中的精密把控，部件尺寸規格的選用要嚴格統一。檁條加密的方法設計相對較簡單，但施工過程中涉及到屋面的拆除及恢復等工作，不僅影響了廠房內部的正常工作，而且現場需要新增檁托、與屋面板連接需要自攻螺釘等構件，因此直接加密檁條的方法用鋼量較大、安裝成本大幅增加，導致許多新增屋頂分布式光伏電站項目成本偏高無法實現[3]。

1.2 加固為連續檁條

方法概述：檁條根據連接節點的不同，可分為簡支檁條與連續檁條，輕鋼結構屋面多采用冷彎薄壁簡支檁條。當跨度較大或荷載較大時，使用連續檁條更加節約鋼材。隨著我國經濟水平的迅速發展，輕鋼結構的跨度與荷載日益增大，連續檁條的使用日益增多。因為C 型簡支檁條無法做到像Z 型檁條一樣通過搭接就能實現連續，所以連續檁條普遍采用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雜，且Z 型鋼因構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。結合國內許多已建成的輕鋼結構廠房，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導致屋面的荷載增加，對檁條的承載力要求往往會隨著發生改變，為保證屋面系統的正常使用，可以將檁條加固為連續檁條。

構造及優勢: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嵌薄壁C 型鋼，通過螺栓或粘接劑等連接方式加固為連續檁條。連續檁條相比較于簡支檁條，其受力更加均勻，屋面系統平面內剛度和屋蓋的整體性能表現更好，而且可以減少約10%的用鋼量。在檁條中間支座位置產生了負彎矩，在檁條連續化加固后，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，但加固為連續檁條對延性的提升較小。改造連續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，在輕鋼結構廠房屋蓋系統中，也可通過設置拉條來提高檁條結構穩定性。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 檁條增設隅撐

方法概述:在實際工程中應用最多的是簡支檁條，為確保廠房上部結構整體的穩定性，常設置隅撐為其提供側向支持力，隅撐通常與檁條相連構成一個系統。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生支撐作用，通常在設計工作中計算檁條時，不考慮隅撐對檁條的支撐作用，但在實際工程中，隅撐的設置對檁條受力的影響是實際存在且不可忽略的。其作用主要表現在隅撐對檁條產生的支撐作用和對檁條產生的附加應力方面，因此我們可以通過合理的布置來加強隅撐對檁條的支撐作用。

構造及優勢：設置隅撐后，考慮到隅撐對檁條的作用，檁條應力分布情況將發生改變。實際工程中隅撐可以單側或雙側布置。單側布置隅撐不能對檁條起到支撐作用，雙側布置的隅撐能對檁條起到支撐作用，但僅雙側隅撐能對檁條產生附加應力。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才能產生支撐作用。對設置底板的冷彎薄壁C 型檁條，當檁條的計算承載力不超過10%時，可以通過合理優化組件，為各個檁條設置隅撐來優化原構件承載力。隅撐對檁條會產生縱向軸力，但通過支撐作用可以減少檁條所受的荷載。隅撐采取雙側布置時對連續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生巨大改變，特別是單側布置的檁條，其結構形式會對檁條產生不良的影響。從整體安全性角度出發，單雙側隅撐的布置應遵循設計使用條件與現場施工狀況靈活布置，避免出現設計缺陷或材料浪費的情況[6]。

1.4 下撐式檁條

方法概述：增加屋面荷載后，簡支檁條的強度和剛度驗算不合格，為防止檁條的彎曲破壞，將原有檁條改造為格構式檁條結構，改造后檁條的受力情況表現良好。按照可持續發展戰略原則，綜合考慮各方面因素對結構受力性能的影響，尋求用鋼量最為經濟的加固改造方案。下撐式檁條最突出的特點是同樣的情況下，用鋼量比普通鋼結構節省巨大。下撐式檁條屬于較為復雜的格構式檁條結構，需預先制定加固改造方案，需要確定出合理的連接構件尺寸與間距。下撐式檁條最突出的問題就在于連接點處的焊接與確保下拉鋼筋預有一定的應力。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置的鉆孔，拉條的兩端采用焊接的方式固定。因高強預應力鋼筋一般不用作焊接，故下拉鋼筋取用普通鋼筋。

構造及優勢：在下撐式檁條的構造中，需在冷彎薄壁C 型檁條下端增設兩根撐桿，即將方鋼管在檁條腹板外側點焊，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行連接，并在撐桿下部為其提供支撐作用，整體結構成中心對稱。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。檁條腹板外側的焊接區域經常會出現應力相對集中的現象，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。下撐式檁條結構布置橫向拉條后，能為檁條結構提供一定的支持力，若未設置橫向拉條，方管由于力的作用會在橫向產生位移，造成構件失穩。選用的鋼筋不應有較大的摩擦力，不然鋼筋產生伸長變形后與方管孔壁有摩擦作用，產生的摩擦力使方管在縱向移動，會導致下拉鋼筋受力性能降低[7-8]。

1.5 C型檁條開口側增設綴板

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為受壓上翼緣和腹板發生屈曲，在破壞時主要是由于C 型檁條截面不對稱導致的截面易發生扭轉變形，當側向支撐超出極限荷載后，構件截面會發生失穩破壞。檁條發生屈曲時，材料通常沒有達到屈曲強度，鋼材的性能達不到充分的利用。由于冷彎薄壁型鋼材的壁厚較薄，傳統加固方式不一定能完全適用。未經加固的簡支檁條主要發生彎扭屈曲破壞，在彈性階段就會產生破壞，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；增設綴板加固后的檁條大多發生整體彎曲破壞，構件部分截面達到了屈服強度，位移-荷載曲線有明顯的拐點，材料強度得到了充分的利用，構件極限承載力提高較為顯著，證明增設連接綴板的加固性能良好。

構造及優勢：結合施工過程的可行性，提出在冷彎薄壁C 型檁條的卷邊外側位置按一定間隔距距離增設同一尺寸的連續綴板的加固方法，檁條卷邊外側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，其整體性也表現良好。采用不同間距和不同寬度的連接綴板進行加固時，檁條的極限承載力也呈現出不同程度的改變；當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，在加工時要預防應力強化的出現。為考慮實際工程需要，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L型角鋼

方法概述：隨著鋼結構廠房的廣泛使用，剛結構的加固問題日益成為社會上關注的熱點問題。剛結構加固通常采用改變結構計算圖形法或增大構件截面法。增大構件的截面是通過加大構件截面的截面面積來實現構件的剛度增加，進而增大框架的整體承載能力。采用增大構件截面法時，首先要對結構的已有缺陷與損傷情況進行鑒定，并在不影響使用廠房凈空的前提下采用外加構件的方式提高原構件的承載力，為了便于施工，加固件的布置要適配原構件的幾何形狀或變形形態，所選截面的截面形式對加固技術要求也存在一定的影響。在實際工程的施工過程中，采用適當的方式增大原有構件截面是一種最直接有效的檁條加固方法。

構造及優勢：增大截面加固法是最為傳統的一種結構加固方法，加固構件具有合理的傳力途徑，設計與施工經驗相對較于成熟?，F采用一種在增大截面法的基礎上，在冷彎薄壁C 型檁條的下翼緣通過抽芯鉚釘連接L 型角鋼構成新的檁條截面的方法。在對結構整體的缺陷與損傷進行鑒定后的前提下，通過外加L 型角鋼與抽芯鉚釘的對檁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的優勢，在施工過程中能極大限度的減小對廠房正常工作的影響。其主要短處就是現場施工的技術要求較高，而且會導致建筑凈空減小[10-11]。

2 結束語

綜上所述，輕鋼結構廠房屋頂對于太陽能光伏電站的安裝有著巨大的優勢，滿足光伏電站的建造要求，不但符合環?？沙掷m發展的發展理念，而且能夠取得較好的經濟效益。本文總結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缺點進行了較為詳細的論述，為相關設計人員提供了理論參考，以期在后續施工中，能夠綜合考慮施工可行性、施工進度等情況，幫助不同實際工程選擇出最為合理的加固設計措施。