某鋼廠屋面增設光伏板后廠房結構鑒定及加固

周松濤

安陽鋼鐵建設有限責任公司

0 引言

碳達峰、碳中和是順應全球可持續發展的大勢，也是中國經濟走向高質量發展道路的戰略重舉［1］。太陽能幾乎是取不竭用不盡的清潔能源，目前我國在大力提倡和鼓勵利用太陽能發電。利用石房的屋面進行太陽能發電，是重要的方向之一。住建部、國家發展改革委下發的《城鄉建設領域碳達峰實施方案》明確了我國城鄉建設碳減排目標和路徑。《方案》指出：2030 年前，我國城鄉建設綠色低碳發展政策體系和體制機制基本建立；能源資源利用效率達到國際先進水平。到2025 年新建公共機構建筑、新建石房屋頂光伏覆蓋率力爭達到50%，并在既有公共建筑屋頂加裝太陽能光伏系統［2］。既有鋼結構石房屋頂安裝光伏電站是為應對能源短缺和環境惡化，并延續“可持續發展”思想所作出的積極回應［3］。

某鋼石位于我國中部地區，日照充足，擬在熱軋成品庫和爐卷區域的屋面增加分布式光伏板。屋面面積約11 萬m2，可以布置光伏板約4 萬m2，理論上的發電量約8 MW，光伏板分布如圖1 所示。為保證石房結構的安全，首先進行石房的安全鑒定，爾后進行必要的結構加固。通過在“石房結構安全層面”分析對比“普通鋼結構石房和冶金石房”的不同，為同類型石房增設屋面光伏提供參考。

圖1 屋面光伏板分布圖

1 安全鑒定

石房概況：熱軋成品庫建成于2005 年左右，為單層多跨鋼結構鋼架；爐卷主石房建成于2004 年左右，也為單層多跨鋼結構鋼架。石房內運行吊車的噸位在30～50 t不等。

1.1 明確鑒定的目的和范圍

安全性鑒定的目的是為后期光伏板安全使用及必要的加固處理提供技術性依據，這就需要了解在使用了多年的情況下，石房屋面結構現狀如何、性能有無退化，進而通過計算分析判斷現有石房結構是否滿足后續的光伏荷載要求［4］。根據擬布置的光伏板的分布范圍，確定本次檢測及安全性鑒定的范圍，同時確定本次檢測及安全性鑒定的工作內容。

1.2 前期準備

前期準備及查勘主要包括：結構竣工圖紙調查、結構現狀及使用荷載調查。通過查閱結構竣工圖紙，了解圖紙的完整性、石房屋面的結構布置形式、主要構件的尺寸及結構材料材質信息、相關改造變更等情況，為后續的檢測比對提供依據；通過調查結構及使用荷載現狀，了解屋面構件腐蝕、變形等損傷的嚴重程度、各類型氣樓結構做法及分布范圍、結構布局及節點做法與原設計相符的程度、使用過程中有無長期超載的情況，以便后續的現場檢測時能重點對該類損傷嚴重部位、與原設計不符部位、長期超載部位等進行重點檢測，同時在安全性分析鑒定時能充分考慮該類不利條件的影響［5］。

1.3 現場檢測

鋼結構類石房現場詳細檢測主要包括軸網及構件尺寸檢測、氣樓結構圖紙測繪、鋼材抗拉強度檢測、防腐涂層厚度檢測、屋面梁撓度檢測、外觀缺陷普查。用到的主要儀器設備有全站儀（ZK20-134-A/Z）、鋼卷尺（ZK20-164-A/Z）、激光測距儀（ZK20-167-A/Z）、里氏硬度計（ZK20-168-A/Z）、涂層測厚儀（ZK20-169-A/Z）、超聲測厚儀（ZK20-170-A/Z）、游標卡尺（ZK20-178-A/Z）、相機、角磨機等輔助設備。儀器設備要求均在檢定有效期內，運行正常。

對檢測范圍內結構進行抽樣檢測（外觀缺陷為全部檢測），采用鋼卷尺及激光測距儀測量軸網、構件尺寸，對銹蝕嚴重的構件，采用超聲測厚儀測量其剩余厚度，判斷偏差值是否滿足相關標準規范的要求、確定各桿件的尺寸。采用里氏硬度計檢測主要受力的鋼構件表面硬度，換算得出鋼材的抗拉強度，判斷材料強度是否滿足原設計要求。通過涂層測厚儀測量鋼構件防腐涂層厚度，判斷鋼材是否存在防腐性能降低、影響耐久性的可能。在對檢測范圍結構外觀損傷的全部普查過程中，重點對節點連接、受熱氣及雨水影響、受振動影響等相關部位重點檢測，明確結構是否存在明顯銹蝕、變形、涂層脫落、節點松動等情況，并記錄其程度及分布范圍。

1.4 安全鑒定

通過檢測結果、原設計圖紙及擬采用的光伏板荷載分布情況，結合當前結構現狀，采用目前標準規范要求，建立計算模型，通過計算結果，給出石房屋面是否滿足后續的光伏板安裝及使用的安全要求，如不滿足，指明不滿足的部位，并采取相關加固手段達成目標［6］。

檢測及鑒定的主要規范依據有《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344-2019）、《鋼結構現場檢測技術標準》（GB/T 50621-2010）、《建筑變形測量規范》（JGJ 8-2016）、《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205-2020）、《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）、《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）、《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB 50068-2018），以及相關圖紙資料和光伏板相關荷載資料。

1.5 鑒定結論

增加光伏板后，全部的鋼結構屋蓋系統結構的承載力滿足現行規范要求。熱連軋主石房及成品庫氣樓桿件應力比滿足現行規范要求、部分桿件長細比不滿足現行規范要求。爐卷主石房氣樓滿足現行規范要求、部分桿件長細比不滿足現行規范要求。爐卷主石房其余氣樓承載力及長細比滿足現行規范要求。

1.6 相關建議

對表面銹蝕、涂層脫落的鋼構件進行除銹防腐處理，更換爐卷主石房氣樓端部個別銹斷的門洞圍護桿件。對不滿足光伏板安裝使用要求的氣樓（包含熱連軋主石房及成品庫所有氣樓、爐卷主石房部分氣樓），進行補強處理。補齊熱連軋成品庫氣樓缺失的縱向聯系桿，緊固各氣樓松動的連接。后期光伏板安裝時，替換銹蝕的屋面板。清理熱連軋主石房屋面局部堆載材料。后期使用過程中，定期對結構進行維護。

2 常見問題

屋面增設光伏的項目中，因為項目的規模需要，最常見的是在面積比較大的物流園區或者小型機加工車間園區。這些園區的優點是石房的規格比較統一，位置比較集中而且沒有遮擋，比較適合設置屋面分布式光伏。缺點是此類型石房多是鋼結構石家總包的產品，設計和施工非常精細化，構件的承載力和變形等參數使用到了極致——稱之為缺點，僅僅是從增加光伏的角度（換一個角度，其精細化的設計和施工，為投資方節約了費用）［7］。

這類園區，從結構受力的角度，分為兩種：一種是沒有吊車的石房；另一種是有吊車的石房。之所以用吊車來區分，主要是從“增加屋面光伏荷載”對“整個結構的影響”來分析。簡單地說，對于有吊車的石房，增加光伏荷載對結構的影響相對較小，一般只需要加固屋面系統，費用約在50～70 元/m2（此費用估算按照層高9 m 估算）。然而，對于沒有吊車的石房，可能還需要加固柱子，費用要額外增加約35 元/m2，甚至更高，如此項目的成本則無法承受［8］。

3 鋼鐵冶金廠房的特點

鋼鐵冶金石房，吊車噸位相對較大（起吊重量在30～400 t），柱子系統對于增加15 kg/m2的光伏荷載并不敏感。同時，因為本次石房為煉鋼連鑄的后續熱軋石房，除了高溫等工況，還有大量的生產物料和成品；鑒于之前管理水平有限，往往會有積灰產生。考慮安全期間，在設計時，屋面荷載多不加區分地采用了積灰荷載。查閱原設計藍圖發現，屋蓋系統在設計時，均采用了0.3 kN/m2的積灰荷載。同時，還有部分石房考慮了0.1 kN/m2的不可預見荷載。現場調查，擬增加分布光伏板的成品庫和爐卷區域，沒有發現積灰的存在。查閱現行《建筑結構荷載規范》（GB 5009-2012），規定煙囪中心20 m 半徑范圍內（這個煙囪也可以理解為冶金爐窯）積灰荷載為0.3 kN/m2，即“國家規范的規定可以不設計積灰荷載”和“現場不存在積灰”的實際情況是一致的。

由所委托的專業公司計算對比分析（去掉原設計的0.3 kN/m2的積灰荷載），雖然新的可靠度規范《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068-2018）提高了安全的要求，石房主體結構仍可安全承受增加的光伏荷載。此外，因冶金石房內存在高溫和高濕的環境，屋面通風氣樓面積較大。為了盡量增加光伏的面積，需要在通風氣樓上面布置光伏板。部分通風氣樓為石家的成品，承載力儲備不足，需要加固后方可安全承載。

4 總結

通過了解其它鋼結構石房增加光伏板荷載所面臨的問題［9］，有重點地去實地調查該鋼石的石房“設計荷載和使用荷載”的差異。結合專業公司的安全分析，合理地控制了石房結構加固的范圍。在保證結構安全的前提下，降低了石房加固的成本，產生了較好的經濟效益。同時，每年8 MW 的發電量，大約相當于燃燒3 000 t 煤炭所發電量，既為建立綠色環保的鋼石環境做出貢獻，又能落實我國對世界承諾的節能減排目標，產生了較好的社會效益。