门式刚架结构檩条加固方案研究

弭俊荣

（聊城大学建筑工程学院）

0 引言

冷弯薄壁型钢檩条作为一种性能良好的支撑构件，因其轻质高强的材料属性，被广泛应用在各种轻钢结构厂房中，在门式刚架结构厂房屋盖体系中起到极其重要的作用。随着地面电站的数量不断增多，随之而来的就是土地资源问题，由于厂房屋顶能够满足屋顶光伏电站的安装要求，且施工方便快捷，于是有人就开始把目光聚焦到了厂房屋顶。但在多数我国已建成厂房中，由于原厂房设计时的荷载余量较小，在轻钢厂房屋顶增设光伏板，会导致屋面荷载大于原设计荷载，这就需要对原有厂房进行荷载校核，并对不满足要求的厂房进行加固，以满足新的承载力要求。可能会有部分业主要求，在施工过程中尽可能小的降低对厂房生产的影响，这就要求在对厂房进行施工方案的制定时，尽可能地按实际工程需要对加固手段进行筛选，尽可能地减小对厂房正常工作的影响[1-2]。

1 太阳能光伏板的加固方法

1.1 加密檩条

方法概述：钢结构厂房在工业厂房中应用广泛，随着工业厂房屋顶的开发与利用，需要对厂房屋顶进行加固以满足新的使用要求。檩条结构主要承受来自屋面的均布荷载，通过在单位面积内增加檩条数量可以大幅降低单根檩条所承受的外部荷载，从而提高屋盖系统的整体承载能力。在檩条中间跨的承载力满足要求，而边跨檩条承载力超值的情况下，可以采用加密檩条的加固方法，减小单根檩条的承受荷载的截面面积。如果对既有建筑屋顶的荷载承载力进行重新验算后，发现仅局部区域承载力不满足要求，可只对局部区域檩条进行加固；如果仅边跨部分的檩条承载力不满足要求，可以放弃边跨部分的设备铺设，避免因局部加固加大费用支出。局部加密檩条可以减少不必要的成本浪费,也可以有效平衡经济和受力的双重要求。

构造及优势：檩条加密的具体做法是校准原有的冷弯薄壁钢檩条，间隔布置加密布置檩条，檩条加密后屋面承载能力显著加强，檩条数量增多后同时分担屋面荷载，使屋面满足新的结构设计要求。原屋面檩条与新加檩条组成一个整体系统，屋面受力情况重新分布，确保屋面坡向荷载传递的连续性。檩条的安装过程中也涉及到了支撑与连接部件的安装，因此加密檩条施工既有焊接作业又有螺栓紧固作业，这就要求施工过程中的精密把控，部件尺寸规格的选用要严格统一。檩条加密的方法设计相对较简单，但施工过程中涉及到屋面的拆除及恢复等工作，不仅影响了厂房内部的正常工作，而且现场需要新增檩托、与屋面板连接需要自攻螺钉等构件，因此直接加密檩条的方法用钢量较大、安装成本大幅增加，导致许多新增屋顶分布式光伏电站项目成本偏高无法实现[3]。

1.2 加固为连续檩条

方法概述：檩条根据连接节点的不同，可分为简支檩条与连续檩条，轻钢结构屋面多采用冷弯薄壁简支檩条。当跨度较大或荷载较大时，使用连续檩条更加节约钢材。随着我国经济水平的迅速发展，轻钢结构的跨度与荷载日益增大，连续檩条的使用日益增多。因为C 型简支檩条无法做到像Z 型檩条一样通过搭接就能实现连续，所以连续檩条普遍采用Z型檩条，但Z型檩条在制作加工及安装过程中定位较为复杂，且Z 型钢因构造原因无法提供较好的洞口平整度，适用范围受到很大的限制。结合国内许多已建成的轻钢结构厂房，其普遍采用C 型简支檩条，厂房由于屋面使用功能的改变、使用年限增长等原因导致屋面的荷载增加，对檩条的承载力要求往往会随着发生改变，为保证屋面系统的正常使用，可以将檩条加固为连续檩条。

构造及优势:为了提高冷弯薄壁C 型简支檩条的承载能力，可将相邻的檩条在支座位置内嵌薄壁C 型钢，通过螺栓或粘接剂等连接方式加固为连续檩条。连续檩条相比较于简支檩条，其受力更加均匀，屋面系统平面内刚度和屋盖的整体性能表现更好，而且可以减少约10%的用钢量。在檩条中间支座位置产生了负弯矩，在檩条连续化加固后，增加了檩条的刚度、提升了檩条的极限承载能力、同时也减小了檩条跨中部位弯矩，但加固为连续檩条对延性的提升较小。改造连续檩条通过改变原简支檩条的受力分布，使其解决屋面荷载改变后檩条承载力超限的问题，在轻钢结构厂房屋盖系统中，也可通过设置拉条来提高檩条结构稳定性。该方案施工工期短，且对厂房正常使用影响较小。简支檩条连续化加固方案对端跨影响较小，端跨不建议采取此方案[4-5]。

1.3 檩条增设隅撑

方法概述:在实际工程中应用最多的是简支檩条，为确保厂房上部结构整体的稳定性，常设置隅撑为其提供侧向支持力，隅撑通常与檩条相连构成一个系统。隅撑可以显著降低檩条在竖向荷载作用下的正弯矩。隅撑的主要作用不是支撑檩条，相反是利用檩条来支撑梁或柱的下翼缘，与此同时其布置也对檩条产生支撑作用，通常在设计工作中计算檩条时，不考虑隅撑对檩条的支撑作用，但在实际工程中，隅撑的设置对檩条受力的影响是实际存在且不可忽略的。其作用主要表现在隅撑对檩条产生的支撑作用和对檩条产生的附加应力方面，因此我们可以通过合理的布置来加强隅撑对檩条的支撑作用。

构造及优势：设置隅撑后，考虑到隅撑对檩条的作用，檩条应力分布情况将发生改变。实际工程中隅撑可以单侧或双侧布置。单侧布置隅撑不能对檩条起到支撑作用，双侧布置的隅撑能对檩条起到支撑作用，但仅双侧隅撑能对檩条产生附加应力。相邻钢架横梁隅撑的布置，要满足同时布置在一个开间范围内才能产生支撑作用。对设置底板的冷弯薄壁C 型檩条，当檩条的计算承载力不超过10%时，可以通过合理优化组件，为各个檩条设置隅撑来优化原构件承载力。隅撑对檩条会产生纵向轴力，但通过支撑作用可以减少檩条所受的荷载。隅撑采取双侧布置时对连续檩条弯矩影响相对于简支檩条而言较小。考虑隅撑作用后的檩条在受力性能方面会产生巨大改变，特别是单侧布置的檩条，其结构形式会对檩条产生不良的影响。从整体安全性角度出发，单双侧隅撑的布置应遵循设计使用条件与现场施工状况灵活布置，避免出现设计缺陷或材料浪费的情况[6]。

1.4 下撑式檩条

方法概述：增加屋面荷载后，简支檩条的强度和刚度验算不合格，为防止檩条的弯曲破坏，将原有檩条改造为格构式檩条结构，改造后檩条的受力情况表现良好。按照可持续发展战略原则，综合考虑各方面因素对结构受力性能的影响，寻求用钢量最为经济的加固改造方案。下撑式檩条最突出的特点是同样的情况下，用钢量比普通钢结构节省巨大。下撑式檩条属于较为复杂的格构式檩条结构，需预先制定加固改造方案，需要确定出合理的连接构件尺寸与间距。下撑式檩条最突出的问题就在于连接点处的焊接与确保下拉钢筋预有一定的应力。撑杆与檩条间采用焊接的方式连接，拉条通过在撑杆下部设置的钻孔，拉条的两端采用焊接的方式固定。因高强预应力钢筋一般不用作焊接，故下拉钢筋取用普通钢筋。

构造及优势：在下撑式檩条的构造中，需在冷弯薄壁C 型檩条下端增设两根撑杆，即将方钢管在檩条腹板外侧点焊，用普通钢筋将方钢管底部、钢梁连接成为一个整体。拉条与檩条两端或钢梁端部进行连接，并在撑杆下部为其提供支撑作用，整体结构成中心对称。在受力上可为檩条额外提供两个支持力，能有效降低檩条跨中的弯矩与挠度，可见加固后檩条的受力效果较好。檩条腹板外侧的焊接区域经常会出现应力相对集中的现象，一般通过加大方管截面面积或增加焊接长度的方法来解决。下撑式檩条结构布置横向拉条后，能为檩条结构提供一定的支持力，若未设置横向拉条，方管由于力的作用会在横向产生位移，造成构件失稳。选用的钢筋不应有较大的摩擦力，不然钢筋产生伸长变形后与方管孔壁有摩擦作用，产生的摩擦力使方管在纵向移动，会导致下拉钢筋受力性能降低[7-8]。

1.5 C型檩条开口侧增设缀板

方法概述：冷弯薄壁C 型檩条是单轴对称截面，其破坏形式一般表现为受压上翼缘和腹板发生屈曲，在破坏时主要是由于C 型檩条截面不对称导致的截面易发生扭转变形，当侧向支撑超出极限荷载后，构件截面会发生失稳破坏。檩条发生屈曲时，材料通常没有达到屈曲强度，钢材的性能达不到充分的利用。由于冷弯薄壁型钢材的壁厚较薄，传统加固方式不一定能完全适用。未经加固的简支檩条主要发生弯扭屈曲破坏，在弹性阶段就会产生破坏，位移-荷载曲线呈线性，极限承载力低，材料性能无法得到充分利用；增设缀板加固后的檩条大多发生整体弯曲破坏，构件部分截面达到了屈服强度，位移-荷载曲线有明显的拐点，材料强度得到了充分的利用，构件极限承载力提高较为显著，证明增设连接缀板的加固性能良好。

构造及优势：结合施工过程的可行性，提出在冷弯薄壁C 型檩条的卷边外侧位置按一定间隔距距离增设同一尺寸的连续缀板的加固方法，檩条卷边外侧与外界缀板通过自攻螺钉连接，加固后的受力性能有明显的改善，其整体性也表现良好。采用不同间距和不同宽度的连接缀板进行加固时，檩条的极限承载力也呈现出不同程度的改变；当连接缀板的截面宽度一定时，随着缀板间距的减小，檩条的抗弯刚度提高，极限承载力不断增大；当连接缀板的间隔距离一定时，随着缀板的宽度增大，檩条的抗弯刚度提高，极限承载力不断增大。随着加固程度的提高，檩条破坏时的截面屈服范围不断增大，极限承载力也不断提高。由于冷弯薄壁C 型檩条的翼缘及卷边较薄，在加工时要预防应力强化的出现。为考虑实际工程需要，建议在保证檩条提高一定承载力的前提下，降低用钢量，尽可能的选取较窄的大间距连接缀板。[9]

1.6 C型檩条下翼缘增设L型角钢

方法概述：随着钢结构厂房的广泛使用，刚结构的加固问题日益成为社会上关注的热点问题。刚结构加固通常采用改变结构计算图形法或增大构件截面法。增大构件的截面是通过加大构件截面的截面面积来实现构件的刚度增加，进而增大框架的整体承载能力。采用增大构件截面法时，首先要对结构的已有缺陷与损伤情况进行鉴定，并在不影响使用厂房净空的前提下采用外加构件的方式提高原构件的承载力，为了便于施工，加固件的布置要适配原构件的几何形状或变形形态，所选截面的截面形式对加固技术要求也存在一定的影响。在实际工程的施工过程中，采用适当的方式增大原有构件截面是一种最直接有效的檩条加固方法。

构造及优势：增大截面加固法是最为传统的一种结构加固方法，加固构件具有合理的传力途径，设计与施工经验相对较于成熟。现采用一种在增大截面法的基础上，在冷弯薄壁C 型檩条的下翼缘通过抽芯铆钉连接L 型角钢构成新的檩条截面的方法。在对结构整体的缺陷与损伤进行鉴定后的前提下，通过外加L 型角钢与抽芯铆钉的对檩条的共同作用不仅提高了檩条的极限承载力，而且挠度也能满足正常工作的要求。加固后的单根钢檩条的应变沿截面高度方向近似成线性分布，证明了采用抽芯铆钉连接能够较好地保证冷弯薄壁C 型檩条与L形角钢构件具有较好的整体工作性能.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统的优势，在施工过程中能极大限度的减小对厂房正常工作的影响。其主要短处就是现场施工的技术要求较高，而且会导致建筑净空减小[10-11]。

2 结束语

综上所述，轻钢结构厂房屋顶对于太阳能光伏电站的安装有着巨大的优势，满足光伏电站的建造要求，不但符合环保可持续发展的发展理念，而且能够取得较好的经济效益。本文总结屋顶分布式太阳能光伏电站的加固方法，并对各种方法所存在的优缺点进行了较为详细的论述，为相关设计人员提供了理论参考，以期在后续施工中，能够综合考虑施工可行性、施工进度等情况，帮助不同实际工程选择出最为合理的加固设计措施。