屋頂加光伏，怎么加固？

       1·加固原則說明：

　　本項目遺失原設計結構圖，出了加固圖紙，現場正在施工

　　屋頂荷載分為：1恒載0.15kN/㎡，2活載0.50kN/㎡，3基本風壓0.50kN/㎡（與體型系數相乘可等效成活載），4基本雪壓0.55kN/㎡（可直接等效成活載），5廠房屋頂增加的光伏板系統荷載為0.15kN/㎡（屬于恒載）。

　　本廠房屋頂風荷載為風吸力，與重力風向相反，至此，可推導出原設計的控制荷載組合（以下均按老規范分項系數）為不組合風荷載的上述14的活控基本組合。本次增加第5項，增加光伏板前后，屋面檁條與屋桁架的荷載增加比例為：(1.2x5) / (1.2x1 + 1.4x4) = 20.5%。荷載增加較大，保證安全儲備不變的前提下，此比例可對應為屋面檁條與屋桁架需要的承載力更大也需要同比例增加20.5%，屋面檁條與屋桁架需做承載力加固（穩定一并加固）。

　　本廠房為排架結構，上述組合工況下柱子不承擔彎矩和剪力，只有軸力增大20.5%。經簡單驗算，柱子應力比未超限，柱子無需加固。

　　地基承載力驗算工況為12項的標準組合，增加光伏板前后，地基荷載增加比例為：(1.0x5) / (1.0x1 + 1.0x2) = 23.1%。經基礎壓實10年以上的基礎下地基承載力特征值可提高20%，基本可抵消增加的荷載比例23.1%。地基可不做加固處理。

　　對于基礎，由于廠房為輕型鋼結構，其重量非常小，基礎為構造配筋控制自身承載力，故基礎無需加固。

　　現以上述加固思路進行下文加固分析與建議......

　　2·現加固方案合理性分析：

　　1>關于屋面檁條加固

       鋼結構設計中，隅撐常常是用來做梁鋼受壓去面外支撐的，用來穩定H型鋼梁柱受壓區和減平面外計算長度的，不能用來減屋面檁條計算長度。隅撐下端固定在通長系桿上，對通長系桿有一個豎直向下的分力，通長系桿豎向剛度數值極?。ù藙偠炔皇禽S向拉壓剛度），所以起不到支撐隅撐的作用。屋架為桁架（均為桿件，無腹板和翼緣），隅撐也起不到支撐桁架的作用。本鋼結構廠房為平面排架結構，用隅撐和通長系桿加固屋面檁條和屋桁架起不到任何作用，屬于概念錯誤。

　　2>關于柱子穩定性加固

        原結構已設置柱間支撐，其支撐為角鋼支撐，屬于剛性支撐（可承受拉力和壓力）。本次加固增設的支撐為φ20的圓鋼支撐（圓鋼即為HPB235鋼筋），屬于柔性支撐（只能承擔拉力）。原結構剛性支撐為間隔5~6跨設置一道，本次加固的柔性支撐為間隔7~8跨設置一道。

　　柱間支撐是用來抵抗水平荷載的（風荷載和地震荷載），屋頂加設光伏系統并未增大其水平荷載（地震荷載稍有增大，但可忽略，廠房水平荷載為風荷載控制），柱子無水平向平面外受力問題，也無平面外穩定問題。

　　現加固方案增設的柱間支撐不僅很弱，間距也較大（超出規范限制），又重復設置，并且支撐會增大縱向溫度應力，增設的柱間支撐起不到加固作用，屬于概念錯誤。

　　3>關于屋桁架縱向面外穩定加固

        加固圖紙未見設置屋桁架跨中下弦縱向剛性系桿，現場施工中有系桿（見上圖）。本工程為排架結構，屋桁架為簡支受力，下弦桿全部受拉（上弦桿全部受壓），下弦拉桿不會失穩，無穩定問題，無需設置面外支撐的縱向剛性系桿。且屋桁架下弦支撐在柱子牛腿上，屬于下承式屋架，此種構造也只需保證上弦桿有支撐即可（屋面檁條為上弦桿支撐）。所以施工中加設的這道跨中下弦縱向系桿也基本起不到加固作用，無需設置此道跨中下弦縱向系桿。

　　綜上，現加固方案基本起不到加固作用。加光伏之后相對原控制工況增大的20.5%的荷載需要利用原結構安全儲備去扛，承載力加固無效，穩定性加固不起作用，大大降低結構安全性。如果遇上08年雪災工況，屋頂雪荷載超過0.65kN/㎡（百年一遇雪荷載），開始使用結構安全儲備之后，廠房有垮塌風險。亟需改變現有加固做法，采取更有效的加固方案（見“3·加固建議”），方可保證結構在極端工況下的安全。

　　3·加固建議：

　　為保證結構安全和原設計的安全儲備，按控制工況增大的20.5%荷載等比例增加構件承載力（構件穩定性也會跟隨承載力同時加固）。根據“1·加固原則說明”分析，只需加固屋面檁條與屋桁架，柱子、地基和基礎均不需做加固處理。

　　1>屋面檁條加固建議

　　屋面檁條跨度均為6.0m，間距均為1.0m，采用C型冷彎熱鍍鋅薄壁型鋼，截面:C120x70x20x3.0。為了施工便利性，C型截面檁條都做成簡支檁條，本項目亦是如此。簡支檁條支座彎矩為0，跨中彎矩更大，截面強度無法充分利用。簡支檁條施工較為便利，但截面承載力較為浪費，下圖為簡支檁條與連續檁條彎矩圖：

        由上圖可見，彎矩不調幅的連續檁條更大彎矩在支座，其數值相較簡支檁條彎矩降低1/3，可利用此原理進行屋面檁條加固。實際情況由于存在二次受力，支座加固成連續時，跨中已存在彎矩（恒載加部分活載產生，約為設計荷載的1/2），實際彎矩情況接近調幅0.5的連續檁條彎矩圖，此時更大彎矩仍在跨中，但相較簡支檁條彎矩仍然降低1/3。將簡支檁條改變成連續檁條，可較大幅度提高現狀檁條承載力，做法如下：

        簡支檁條變為連續檁條做法一經濟性更好，但施工極不方便（施工空間小，屋面板影響焊接），可能無法施工。

　　簡支檁條變為連續檁條做法二成本較高，施工亦不便利，需事先在原檁條上開螺栓孔，且檁托處原螺栓頭對L形檁條安裝有影響。為保證連續檁條受力效果，也需讓L形檁條上下頂緊原C形檁條內壁。

　　至此，也可加大檁條截面，只在跨中1/2跨度長度區段內背對背焊接（斷續焊即可）與現屋面檁條同規格的C型檁條，屬于“硬扛法”，此種是加固施工比簡支檁條變為連續檁條做法較為便利，但成本稍高，做法如下：

        簡支檁條加大截面加固做法經濟型不如簡支檁條變為連續檁條做法一，但加固施工較為方便，加固原理簡單，焊縫可以采取斷續焊，能更好控制施工質量，不會對原結構產生不利影響，推薦此種做法。

　　2>屋桁架加固建議

　　屋面桁架為雙坡梯形屋架和單坡梯形屋架，桁架弦桿和腹桿截面均為□100x4方管，全焊接構造，下弦桿全部受拉，上弦桿全部受壓，采用施加預應力的加固方式是最為有效與經濟的做法，且施工較為便利。在下弦桿下部設置預應力鋼筋，施加一個反向荷載抵消下弦桿的拉應力和上弦桿的壓應力，相當于變相提高了桁架的承載力，且加固時不需要卸載，并且不卸載加固還要好于卸載加固，非常適用于本工程加固，且成本較低。也可以改善桁架的撓度和變形，提高其剛度。做法見下圖：

      4·結論：

　　根據以上分析，本工程原加固方案沒有起到該有加固效果，結構加固基本無效。需要按上述加固建議做法重新做加固設計。

　　(結構加固暫時屬于小眾行業，絕大部分結構工程師都是從事于新建結構設計，對于結構加固設計經驗不足。結構加固不僅需要考慮現有結構的受力狀態，還需要考慮各種不利因素的影響，考慮不到位就有可能引起工程事故，非常需要結構工程師的綜合判斷和分析能力的，需要極強的結構概念才能做好加固設計）