某钢厂屋面增设光伏板后厂房结构鉴定及加固

周松涛

安阳钢铁建设有限责任公司

0 引言

碳达峰、碳中和是顺应全球可持续发展的大势，也是中国经济走向高质量发展道路的战略重举［1］。太阳能几乎是取不竭用不尽的清洁能源，目前我国在大力提倡和鼓励利用太阳能发电。利用石房的屋面进行太阳能发电，是重要的方向之一。住建部、国家发展改革委下发的《城乡建设领域碳达峰实施方案》明确了我国城乡建设碳减排目标和路径。《方案》指出：2030 年前，我国城乡建设绿色低碳发展政策体系和体制机制基本建立；能源资源利用效率达到国际先进水平。到2025 年新建公共机构建筑、新建石房屋顶光伏覆盖率力争达到50%，并在既有公共建筑屋顶加装太阳能光伏系统［2］。既有钢结构石房屋顶安装光伏电站是为应对能源短缺和环境恶化，并延续“可持续发展”思想所作出的积极回应［3］。

某钢石位于我国中部地区，日照充足，拟在热轧成品库和炉卷区域的屋面增加分布式光伏板。屋面面积约11 万m2，可以布置光伏板约4 万m2，理论上的发电量约8 MW，光伏板分布如图1 所示。为保证石房结构的安全，首先进行石房的安全鉴定，尔后进行必要的结构加固。通过在“石房结构安全层面”分析对比“普通钢结构石房和冶金石房”的不同，为同类型石房增设屋面光伏提供参考。

图1 屋面光伏板分布图

1 安全鉴定

石房概况：热轧成品库建成于2005 年左右，为单层多跨钢结构钢架；炉卷主石房建成于2004 年左右，也为单层多跨钢结构钢架。石房内运行吊车的吨位在30～50 t不等。

1.1 明确鉴定的目的和范围

安全性鉴定的目的是为后期光伏板安全使用及必要的加固处理提供技术性依据，这就需要了解在使用了多年的情况下，石房屋面结构现状如何、性能有无退化，进而通过计算分析判断现有石房结构是否满足后续的光伏荷载要求［4］。根据拟布置的光伏板的分布范围，确定本次检测及安全性鉴定的范围，同时确定本次检测及安全性鉴定的工作内容。

1.2 前期准备

前期准备及查勘主要包括：结构竣工图纸调查、结构现状及使用荷载调查。通过查阅结构竣工图纸，了解图纸的完整性、石房屋面的结构布置形式、主要构件的尺寸及结构材料材质信息、相关改造变更等情况，为后续的检测比对提供依据；通过调查结构及使用荷载现状，了解屋面构件腐蚀、变形等损伤的严重程度、各类型气楼结构做法及分布范围、结构布局及节点做法与原设计相符的程度、使用过程中有无长期超载的情况，以便后续的现场检测时能重点对该类损伤严重部位、与原设计不符部位、长期超载部位等进行重点检测，同时在安全性分析鉴定时能充分考虑该类不利条件的影响［5］。

1.3 现场检测

钢结构类石房现场详细检测主要包括轴网及构件尺寸检测、气楼结构图纸测绘、钢材抗拉强度检测、防腐涂层厚度检测、屋面梁挠度检测、外观缺陷普查。用到的主要仪器设备有全站仪（ZK20-134-A/Z）、钢卷尺（ZK20-164-A/Z）、激光测距仪（ZK20-167-A/Z）、里氏硬度计（ZK20-168-A/Z）、涂层测厚仪（ZK20-169-A/Z）、超声测厚仪（ZK20-170-A/Z）、游标卡尺（ZK20-178-A/Z）、相机、角磨机等辅助设备。仪器设备要求均在检定有效期内，运行正常。

对检测范围内结构进行抽样检测（外观缺陷为全部检测），采用钢卷尺及激光测距仪测量轴网、构件尺寸，对锈蚀严重的构件，采用超声测厚仪测量其剩余厚度，判断偏差值是否满足相关标准规范的要求、确定各杆件的尺寸。采用里氏硬度计检测主要受力的钢构件表面硬度，换算得出钢材的抗拉强度，判断材料强度是否满足原设计要求。通过涂层测厚仪测量钢构件防腐涂层厚度，判断钢材是否存在防腐性能降低、影响耐久性的可能。在对检测范围结构外观损伤的全部普查过程中，重点对节点连接、受热气及雨水影响、受振动影响等相关部位重点检测，明确结构是否存在明显锈蚀、变形、涂层脱落、节点松动等情况，并记录其程度及分布范围。

1.4 安全鉴定

通过检测结果、原设计图纸及拟采用的光伏板荷载分布情况，结合当前结构现状，采用目前标准规范要求，建立计算模型，通过计算结果，给出石房屋面是否满足后续的光伏板安装及使用的安全要求，如不满足，指明不满足的部位，并采取相关加固手段达成目标［6］。

检测及鉴定的主要规范依据有《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344-2019）、《钢结构现场检测技术标准》（GB/T 50621-2010）、《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2016）、《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205-2020）、《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）、《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）、《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068-2018），以及相关图纸资料和光伏板相关荷载资料。

1.5 鉴定结论

增加光伏板后，全部的钢结构屋盖系统结构的承载力满足现行规范要求。热连轧主石房及成品库气楼杆件应力比满足现行规范要求、部分杆件长细比不满足现行规范要求。炉卷主石房气楼满足现行规范要求、部分杆件长细比不满足现行规范要求。炉卷主石房其余气楼承载力及长细比满足现行规范要求。

1.6 相关建议

对表面锈蚀、涂层脱落的钢构件进行除锈防腐处理，更换炉卷主石房气楼端部个别锈断的门洞围护杆件。对不满足光伏板安装使用要求的气楼（包含热连轧主石房及成品库所有气楼、炉卷主石房部分气楼），进行补强处理。补齐热连轧成品库气楼缺失的纵向联系杆，紧固各气楼松动的连接。后期光伏板安装时，替换锈蚀的屋面板。清理热连轧主石房屋面局部堆载材料。后期使用过程中，定期对结构进行维护。

2 常见问题

屋面增设光伏的项目中，因为项目的规模需要，最常见的是在面积比较大的物流园区或者小型机加工车间园区。这些园区的优点是石房的规格比较统一，位置比较集中而且没有遮挡，比较适合设置屋面分布式光伏。缺点是此类型石房多是钢结构石家总包的产品，设计和施工非常精细化，构件的承载力和变形等参数使用到了极致——称之为缺点，仅仅是从增加光伏的角度（换一个角度，其精细化的设计和施工，为投资方节约了费用）［7］。

这类园区，从结构受力的角度，分为两种：一种是没有吊车的石房；另一种是有吊车的石房。之所以用吊车来区分，主要是从“增加屋面光伏荷载”对“整个结构的影响”来分析。简单地说，对于有吊车的石房，增加光伏荷载对结构的影响相对较小，一般只需要加固屋面系统，费用约在50～70 元/m2（此费用估算按照层高9 m 估算）。然而，对于没有吊车的石房，可能还需要加固柱子，费用要额外增加约35 元/m2，甚至更高，如此项目的成本则无法承受［8］。

3 钢铁冶金厂房的特点

钢铁冶金石房，吊车吨位相对较大（起吊重量在30～400 t），柱子系统对于增加15 kg/m2的光伏荷载并不敏感。同时，因为本次石房为炼钢连铸的后续热轧石房，除了高温等工况，还有大量的生产物料和成品；鉴于之前管理水平有限，往往会有积灰产生。考虑安全期间，在设计时，屋面荷载多不加区分地采用了积灰荷载。查阅原设计蓝图发现，屋盖系统在设计时，均采用了0.3 kN/m2的积灰荷载。同时，还有部分石房考虑了0.1 kN/m2的不可预见荷载。现场调查，拟增加分布光伏板的成品库和炉卷区域，没有发现积灰的存在。查阅现行《建筑结构荷载规范》（GB 5009-2012），规定烟囱中心20 m 半径范围内（这个烟囱也可以理解为冶金炉窑）积灰荷载为0.3 kN/m2，即“国家规范的规定可以不设计积灰荷载”和“现场不存在积灰”的实际情况是一致的。

由所委托的专业公司计算对比分析（去掉原设计的0.3 kN/m2的积灰荷载），虽然新的可靠度规范《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068-2018）提高了安全的要求，石房主体结构仍可安全承受增加的光伏荷载。此外，因冶金石房内存在高温和高湿的环境，屋面通风气楼面积较大。为了尽量增加光伏的面积，需要在通风气楼上面布置光伏板。部分通风气楼为石家的成品，承载力储备不足，需要加固后方可安全承载。

4 总结

通过了解其它钢结构石房增加光伏板荷载所面临的问题［9］，有重点地去实地调查该钢石的石房“设计荷载和使用荷载”的差异。结合专业公司的安全分析，合理地控制了石房结构加固的范围。在保证结构安全的前提下，降低了石房加固的成本，产生了较好的经济效益。同时，每年8 MW 的发电量，大约相当于燃烧3 000 t 煤炭所发电量，既为建立绿色环保的钢石环境做出贡献，又能落实我国对世界承诺的节能减排目标，产生了较好的社会效益。