分布式光伏电站中屋面檩条设计及加固方案探究

赵海斌 包文龙 张良利 杨松 沈道军

摘  要：新能源的发展趋势和国家政策的扶持，光伏发电系统已经成为供电系统家族中不可分割的一部分。分布式光伏电站多数建设在既有建筑厂房屋顶上，这势必导致既有建筑屋顶的荷载增加，需要重新核算厂房主体结构的承载力是否满足要求。常见的就是钢结构厂房屋面檩条强度和稳定性不满足，需要加固方可进行光伏电站的建设;屋面檩条多数是“C”型规格或者“Z”型规格，檩条加固设计方案的不同将直接影响建设周期和建设成本。

关键词：既有建筑厂房;檩条加固;“Z”型规格檩条

中图分类号：TV314        文献标志码：A

0 引言

分布式光伏电站通常是指利用分散式资源，装机规模较小的、布置在用户附近的发电系统，它一般接入低于35 kV或更低电压等级的电网。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。其主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。其优点主要包括以下几点内容。

①无枯竭危险。

②安全可靠，无噪声，无污染排放。

③不受地域的限制，可利用建筑屋面的优势。象无电地区以及地形复杂地区。

④无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电。

⑤建设周期短，获取能源花费的时间短。

分布式光伏电站是一种多数建设在厂房屋顶上的绿色、环保、清洁和无毒无害的新型能源系统。对于钢结构厂房屋顶上建设的分布式光伏电站项目，该文将针对屋面檩条的设计流程和加固方案的选择做相应的探讨。

1 C型规格檩条设计及加固方案的探究

1.1 设计分析及计算流程

在业主提供既有建筑厂房建筑图纸和结构图纸的基础上，结合现场实际情况来确定屋面檩条是否有底板，吊挂荷载和规格尺寸是否与图纸一致等，如果现场檩条做法与图纸出现不一致的情况，以现场实际做法为准。确定好檩条计算的各项参数后，方可在PKPM结构设计软件工具箱简支檩条界面中进行檩条计算，从而确定屋面檩条是否满足光伏电站建设的承载要求。

1.2 加固方案的选择

由于《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022—2015在2016年8月1日正式实施，相比《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102—2002（2012年版），新实施的规范中风荷载调整系数由原来的1.05变为1.5，对于风荷载的控制更加严格，同时雪荷载也由原来的50年设计范围变为100年设计范围;导致2016年8月1日之前建设的钢结构厂房中屋面檩条多数不满足现行国家实施规范，需要进行加固才能满足光伏电站建设的要求。

1.2.1 简支檩条加固为连续檩条

此方案应用范围较为广泛，改变了原有檩条的受力特性，使其檩条承载力满足铺设光伏的要求;如果原檩条稳定性不满足，可增设拉条使其稳定性满足要求，做法同原厂房。该方案具有施工便捷和节约成本的优点，如图1所示。

1.2.2 檩条增加隅撑

对于有底板（底板封住了檩条）的简支“C”型规格檩条，若檩条计算承载力不满足，加固为连续檩条，需要拆除屋面底板方可进行加固，此时施工难度加大和加固成本上升，并不是最佳的加固方案。针对此种情况，在檩条承载力超限10%范围内的情形下，可以合理布置组件，采用每个檩条增加隅撑的方式来提高原有檩条的承载力，如图2所示。

2 Z型规格檩条设计及加固方案的探究

2.1 设计分析及计算流程

“Z”型檩条的设计分析及计算流程同上述步骤2.1。具体计算步骤可在PKPM结构设计软件工具箱连续檩条界面中进行檩条计算。

2.2 加固方案的选择

对于屋面檩条为“Z”型檩条，通常都是连续型的。在计算“Z”型规格檩条时，多数情况下中间跨檩条承载力一般能满足要求，边跨檩条承载力不满足要求，可选择加密檩条来改变檩条受荷面积或者“Z”型檩条上下翼缘板增设角钢改变其截面特性;檩条稳定性多数情况下不满足要求，需要增设拉条。

2.2.1 加密檩条

对于边跨檩条强度超限较多，可通过加密方式来减小檩条的受荷面积，使其檩条承载力满足要求，此加固方案需要掀开彩钢瓦，比较浪费钢材、施工成本较大，不建议采用。如果只有边跨檩条不满足铺设光伏组件的承载要求，边跨区域可放弃铺设，这样可避免边跨区域加固。

2.2.2 Z型规格檩条上下翼缘板增设角钢

Z型规格檩条承载力不满足，表示其屈服强度超限，本身截面太过于薄弱，在现有荷载的作用下，已经不能满足承载能力，需要改变其截面属性，使其檩条强度达到承载要求。檩条在荷载作用下，主要是下翼缘受拉，比较不利;上翼缘主要是稳定性不满足和在施工过程中上翼缘板在外力作用下容易产生变形。此种加固方案在Z型规格檩条的上下翼缘板分别增设角钢，来增强原有檩条的上下翼缘板截面，使其檩条承载力和稳定性满足光伏铺设要求，如图3所示。

2.2.3 Z型规格檩條稳定性

由于《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022—2015正式实施，以前建设的多数厂房中屋面檩条的稳定性都不能满足现行规范，主要表现在下翼缘稳定性不满足，需要进行加固。常见的加固方案有2种：第一，在原有檩条下翼缘增设拉条，做法同原拉条做法;第二，在原有檩条下翼缘板增设通长角钢，用自攻钉固定住。该做法是用角钢代替圆钢拉条，可同样达到约束檩条下翼缘稳定性的效果。

3 结语

综上所述，由于项目的不同，每个厂房屋顶的情况也不尽相同，同时在加固过程中受到现场各种因素的限制，必将导致屋面檩条的加固设计方案多样化，但是其本质是不变的，无非都是围绕着改变现有檩条的受力情况或者改变现有檩条的截面特性来进行加固方案的设计。作为一名结构设计人员，不管选择哪种加固设计方案，都必须和现场实际情况结合起来，考虑施工现场的不利因素，在控制经济效益的情况下，选择一种设计与施工相结合的加固方案，才是最优的加固设计方案。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.GB50017—2017，钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[2]北京钢铁设计研究总院.GB50009—2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]中国建筑标准设计研究院有限公司.GB51022—2015，门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

通信作者：赵海斌（1992.1）结构工程师，主要从事结构设计方面的工作。