蒋凤昌1, 2 钟文乐1 袁学锋1 奚友方3 居平国3
(1. 泰州职业技术学院， 江苏泰州 225300；
2. 江苏省第一建筑安装股份有限公司博士后科研工作站， 江苏泰州 225300；
3. 江苏永泰建造工程有限公司， 江苏泰州 225300)
摘 要：对既有钢结构厂房加固后在其屋顶安装光伏发电站，具有非常现实的意义。通过对既有厂房基础补充树根桩、加大承台截面、柱外包型钢、钢梁增加预应力钢索加固，有效地提高既有厂房的承载力，使屋顶光伏发电站顺利实施。加固技术的综合应用为同类工程提供参考。
关键词：钢结构；厂房；加固；设计；光伏发电站
太阳能光伏发电因其具有清洁、安全、便利、高效、可再生、可持续发展等优点，现已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。太阳能电池组件(光伏电板)作为发电系统的重要构件，需要安置到最利于接收阳光的位置，而工业厂房的屋顶因为面积大并且较为平坦，是理想的安置场所[1]。以江苏常熟9.8 MWp屋顶光伏发电项目的建设为例，介绍钢结构厂房加固后安装屋顶光伏发电站的相关设计研究工作。
本项目需要安置光伏发电站的既有厂房有两幢，为2006年建设并投入使用的电缆生产车间和阻燃电缆车间，目前两个车间处于满额工作状态，因此业主要求建筑结构加固期间，尽可能减少对生产的影响。两个车间的建筑结构基本情况如下：
图1 电缆生产车间平面布置
1)电缆生产车间如图1所示，建筑面积为35 833 m2，4连跨，每跨33 m，柱距9 m，檐口结构高度为9 m。屋面为实腹式工字形变截面Q345B钢梁，梁截面宽为250 mm，高为650～1 250 mm，翼缘板厚10 mm，腹板厚8 mm。C30混凝土柱截面450 mm×600 mm；基础为静压预应力方桩，截面尺寸为250 mm×250 mm，有效桩长为8～17 m，中柱为3桩台基础，边柱为5桩台基础。单桩承载力Ra为210 kN。
2)阻燃电缆车间建筑面积为24 084 m2，3连跨，每跨26 m；局部6连跨(3跨26 m和3跨22 m)，柱距9 m，檐口高度为9.8 m。屋面为Q345B实腹式工字形变截面钢梁，材料梁截面宽为220 mm和250 mm两种，截面高550～950 mm，翼缘板厚10 mm，腹板厚6 mm。混凝土柱、桩基均与电缆生产车间相同。限于篇幅，以下仅以电缆生产车间为例。
2.1 恒载的确定
原设计屋面考虑恒载标准值为0.20 kN/m2。屋面拟增设的光伏电板规格为1 640 mm×990 mm×40 mm，自重为0.125 kN/m2，考虑安装支架、檩条、连接件等构件重量， 屋面增加恒载标准值达到 0.35 kN/m2。 因此，光伏发电站安置到屋顶后，屋面恒载标准值可取0.55 kN/m2。
2.2 活荷载的确定
依据GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》，按不上人屋面活荷载标准值考虑0.5 kN/m2。依据业主设计任务书，不作增减，考虑活荷载标准值为0.5 kN/m2。要求施工单位进行屋面加固和布置光电板时，施工材料和设备不能集中堆放，并进行施工荷载的校核，其标准值不能超过0.5 kN/m2。若出现活荷载超限情况应采取临时加固措施，确保施工安全和结构安全。
2.3 建模验算
采用PKPM结构设计软件进行既有建筑建模分析，考虑光伏设备增加的荷载和施工荷载。经过验算，获得最不利工况下既有结构承载力情况：桩基承载力不满足，桩平均竖向力最大相差27.1%；局部承台配筋不满足，配筋率相差7.6%；中柱承载力满足，边柱承载力不满足，最大相差116.3%；钢梁承载力不满足，最大相差55%。
3.1 桩基与承台的加固
依据PKPM验算结果，边柱的桩基承载力不足部位，如图2所示，进行对称补树根桩处理，树根桩直径350 mm，桩长15 m，配筋6根直径为12 mm钢筋，单桩极限承载力标准值为350 kN，桩身混凝土强度等级为C20。对既有桩承台进行植筋，并将四周混凝土保护层凿去，露出既有钢筋后，焊接新增钢筋，加大加厚桩承台，增加大承台的截面面积，使新补桩与既有桩共同受力。
图2 桩基础加固示意
3.2 混凝土柱的加固
考虑缩小结构加固工作对现有的车间生产的影响，尽量不采用湿作业。对于边柱承载力不足的问题，如图3所示，采用外包角钢的方法进行加固。
a-中柱；b-边柱
图3 柱加固示意
3.3 钢梁的加固
按照业主的要求，钢梁的加固尽量不能影响既有车间的生产。因此，现场的焊接和湿作业要尽量少，并且脚手架搭设也应少些。基于这些要求，决定采用体外预应力加固方法进行钢梁的承载力加固。该种加固方法具有以下特点：1)加固工作可在不卸载、不停产的条件下进行；2)施加预应力可直接减小变形，迅速消除应力和内力峰值；3)可消除应力滞后现象，充分利用钢索的高强特性，提高加固效率；4)降低加固费用和使用成本。
3.3.1 两种加固方案
1)方案一：连跨加固。 如图4所示，连跨加固方案，即采用通长的双排钢索连续穿过几跨钢梁的下方，钢索两端延伸到墙外，通过墙外新增混凝土框架结构张拉钢索，形成张拉结构。既有柱向钢索施加向上的支撑力，钢索上设置钢撑杆向钢梁施加支撑力，从而实现屋面新增光伏发电设备的荷载通过该张拉结构传递至基础。
图4 连跨加固方案
2)方案二：单跨加固。 如图5所示，单跨加固方案，即采用双排钢索加固钢梁，钢索在单跨钢梁的两端通过锚具装置锚固张拉，使既有钢梁变成张弦梁[2]。每跨钢梁下设置双撑杆，提高既有钢梁的承载力，有效传递屋面新增光伏发电设备的荷载至柱和基础。
图5 单跨加固方案
3)加固方案论证与选用。 针对两种加固方案，组织专家进行论证。专家组一致认为，两种方案皆为可行，其中方案一更为新颖，但是对施工单位的施工技术水平要求较高；方案二传力路径明确，易于施工。最终业主方选择方案二作为实施方案。方案一未能被选用的另一个重要原因是，业主认为：在室外每隔9 m新增混凝土框架，将会影响厂区的景观绿化。
3.3.2 加固节点设计
1)梁端节点设计。如图6所示，在钢梁端部安装钢索的锚固装置，通过4组M30摩擦型连接高强螺栓连接组件，消除了室内高空焊接等影响厂内生产的作业，方便加固施工。
a-正面；b-侧面；
图6 梁端节点设计示意
2)撑杆端节点设计。 如图7所示，撑杆上端与既有钢梁铰接，并通过加劲钢管将轴压力均匀传递到钢梁的上、下翼缘，撑杆组件与钢梁的连接是通过钢板胶和M12螺栓锁紧，消除了焊接作业。撑杆的下端设置了应力调节装置，可以实现微调钢索的张拉力。
a-上端；b-下端
图7 撑杆端节点设计示意
3)屋面节点设计。如图8所示，沿着既有钢梁，每隔1.5 m布置一只钢支座，露出既有屋面，钢支座与既有钢梁采用钢板胶和锁紧夹具连接。支座出屋面后与通长的钢管φ50×5焊接，支座穿过屋面的位置，采用密封胶做第一道防水；然后，沿着钢梁方向铺设防水金属板(铝合金板)，将其弯折呈“Ω”形，覆盖在φ50×5的钢管上，形成第二道防水；其后沿着钢管，采用“5”形夹具对称夹持；最后，在“5”形夹具上安装檩条和光伏电板支架。
a-正面；b-侧面；
图8 屋面节点设计示意
厂房钢梁的加固施工过程中，应重点注意以下几点：
1)钢索优先考虑选用成品索，应根据设计要求在工厂对索体进行测长、标记和下料,索长下料应考虑预应力和温度作用。
2)选用Q345B加固钢梁，加固所用的结构支座、钢索连接等主要构件应在工厂加工完成。
3)梁端的张拉节点应进行1∶1的节点模型承载力试验(3组)，确保节点在持续24 h受荷载530 kN的作用下，其变形和预应力损失处于控制范围内。根据试验结果，对梁端节点进行优化设计后，大批量进行加工。
4)在批量加固工作开展之前，应对每种跨度和形式的钢梁选取2榀进行加固后加载检测试验，标定应力调节装置的位移 - 应力关系，依据试验获得的位移 - 应力关系进行批量加固作业。
5)钢索加固安装、张拉顺序、分级控制、索力大小应按照预应力施工张拉分析报告进行。
通过对既有钢结构厂房加固，成功地实施了9.8 MWp屋顶光伏发电站的安装，本项目运营1年多的情况表明：采用综合加固技术，达到优良效果，产生良好的经济效益和社会效益，可作为屋顶光伏发电工程建设示范项目推广应用。
参考文献：
[1] 王艳国.光伏屋顶项目发电系统设计与分析[J]. 中国勘察设计，2012(1)：81 - 83.
[2] 黄明鑫.大型张弦梁结构的设计与施工[M].济南：山东科学技术出版社，2005.
[3] 沈小平.大跨度钢梁的加固设计与施工[J].安徽建筑，2008,160(3)：152 - 166.
[4] 石建军，姜袁.钢结构设计原理[M].北京：北京大学出版社，2007.
[5] GB 50007-2002 建筑地基基础设计规范[S].
Jiang Fengchang1,2 Zhong Wenle1 Yuan Xuefeng1 Xi Youfang3 Ju Pingguo3
(1. Taizhou Polytechnical College, Taizhou 225300, China;
2.Postdoctoral Research Station, Jiangsu No.1 Construction and Installation Co. Ltd, Taizhou 225300, China；
3. Jiangsu Yongtai Construction Engineering Co.Ltd, Taizhou 225300, China)
ABSTRACT：It is meaningful to strengthen steel structure factory building with PV power station on the roof. Some strengthening techniques sach as replenishing piles for the foundation, increasing the section for bearing platforms, wrapping formed steel for concrete columns and using prestressed steel ropes for steel beams had been taken so as to increase the bearing capacity of factory building and ensure the installation of PV power station. The comprehensive application of these techniques can provide reference for similar engineering projects.
KEY WORDS：steel structure； factory building； strengthening； design； PV power station
*江苏省333高层次人才培养工程基金资助(2012)；江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人培养基金资助(2012)；泰州市混凝土结构加固与修复工程研发中心建设基金资助。
第一作者：蒋凤昌，男，1970年出生，博士后，副教授，高级工程师，英国皇家特许工料测量师，国家一级注册结构工程师。
Email：jfc1970@163.com
收稿日期：2014 - 08 - 21
DOI：10.13206/j.gjg201501010
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