周松濤

安陽(yáng)鋼鐵建設(shè)有限責(zé)任公司

0 引言

碳達(dá)峰、碳中和是順應(yīng)全球可持續(xù)發(fā)展的大勢(shì)，也是中國(guó)經(jīng)濟(jì)走向高質(zhì)量發(fā)展道路的戰(zhàn)略重舉［1］。太陽(yáng)能幾乎是取不竭用不盡的清潔能源，目前我國(guó)在大力提倡和鼓勵(lì)利用太陽(yáng)能發(fā)電。利用石房的屋面進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電，是重要的方向之一。住建部、國(guó)家發(fā)展改革委下發(fā)的《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》明確了我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)碳減排目標(biāo)和路徑?！斗桨浮分赋觯?030 年前，我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展政策體系和體制機(jī)制基本建立；能源資源利用效率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。到2025 年新建公共機(jī)構(gòu)建筑、新建石房屋頂光伏覆蓋率力爭(zhēng)達(dá)到50%，并在既有公共建筑屋頂加裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)［2］。既有鋼結(jié)構(gòu)石房屋頂安裝光伏電站是為應(yīng)對(duì)能源短缺和環(huán)境惡化，并延續(xù)“可持續(xù)發(fā)展”思想所作出的積極回應(yīng)［3］。

某鋼石位于我國(guó)中部地區(qū)，日照充足，擬在熱軋成品庫(kù)和爐卷區(qū)域的屋面增加分布式光伏板。屋面面積約11 萬(wàn)m2，可以布置光伏板約4 萬(wàn)m2，理論上的發(fā)電量約8 MW，光伏板分布如圖1 所示。為保證石房結(jié)構(gòu)的安全，首先進(jìn)行石房的安全鑒定，爾后進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)加固。通過(guò)在“石房結(jié)構(gòu)安全層面”分析對(duì)比“普通鋼結(jié)構(gòu)石房和冶金石房”的不同，為同類型石房增設(shè)屋面光伏提供參考。

圖1 屋面光伏板分布圖

1 安全鑒定

石房概況：熱軋成品庫(kù)建成于2005 年左右，為單層多跨鋼結(jié)構(gòu)鋼架；爐卷主石房建成于2004 年左右，也為單層多跨鋼結(jié)構(gòu)鋼架。石房?jī)?nèi)運(yùn)行吊車的噸位在30～50 t不等。

1.1 明確鑒定的目的和范圍

安全性鑒定的目的是為后期光伏板安全使用及必要的加固處理提供技術(shù)性依據(jù)，這就需要了解在使用了多年的情況下，石房屋面結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀如何、性能有無(wú)退化，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算分析判斷現(xiàn)有石房結(jié)構(gòu)是否滿足后續(xù)的光伏荷載要求［4］。根據(jù)擬布置的光伏板的分布范圍，確定本次檢測(cè)及安全性鑒定的范圍，同時(shí)確定本次檢測(cè)及安全性鑒定的工作內(nèi)容。

1.2 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備及查勘主要包括：結(jié)構(gòu)竣工圖紙調(diào)查、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及使用荷載調(diào)查。通過(guò)查閱結(jié)構(gòu)竣工圖紙，了解圖紙的完整性、石房屋面的結(jié)構(gòu)布置形式、主要構(gòu)件的尺寸及結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)信息、相關(guān)改造變更等情況，為后續(xù)的檢測(cè)比對(duì)提供依據(jù)；通過(guò)調(diào)查結(jié)構(gòu)及使用荷載現(xiàn)狀，了解屋面構(gòu)件腐蝕、變形等損傷的嚴(yán)重程度、各類型氣樓結(jié)構(gòu)做法及分布范圍、結(jié)構(gòu)布局及節(jié)點(diǎn)做法與原設(shè)計(jì)相符的程度、使用過(guò)程中有無(wú)長(zhǎng)期超載的情況，以便后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)能重點(diǎn)對(duì)該類損傷嚴(yán)重部位、與原設(shè)計(jì)不符部位、長(zhǎng)期超載部位等進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，同時(shí)在安全性分析鑒定時(shí)能充分考慮該類不利條件的影響［5］。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

鋼結(jié)構(gòu)類石房現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)檢測(cè)主要包括軸網(wǎng)及構(gòu)件尺寸檢測(cè)、氣樓結(jié)構(gòu)圖紙測(cè)繪、鋼材抗拉強(qiáng)度檢測(cè)、防腐涂層厚度檢測(cè)、屋面梁撓度檢測(cè)、外觀缺陷普查。用到的主要儀器設(shè)備有全站儀（ZK20-134-A/Z）、鋼卷尺（ZK20-164-A/Z）、激光測(cè)距儀（ZK20-167-A/Z）、里氏硬度計(jì)（ZK20-168-A/Z）、涂層測(cè)厚儀（ZK20-169-A/Z）、超聲測(cè)厚儀（ZK20-170-A/Z）、游標(biāo)卡尺（ZK20-178-A/Z）、相機(jī)、角磨機(jī)等輔助設(shè)備。儀器設(shè)備要求均在檢定有效期內(nèi)，運(yùn)行正常。

對(duì)檢測(cè)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽樣檢測(cè)（外觀缺陷為全部檢測(cè)），采用鋼卷尺及激光測(cè)距儀測(cè)量軸網(wǎng)、構(gòu)件尺寸，對(duì)銹蝕嚴(yán)重的構(gòu)件，采用超聲測(cè)厚儀測(cè)量其剩余厚度，判斷偏差值是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求、確定各桿件的尺寸。采用里氏硬度計(jì)檢測(cè)主要受力的鋼構(gòu)件表面硬度，換算得出鋼材的抗拉強(qiáng)度，判斷材料強(qiáng)度是否滿足原設(shè)計(jì)要求。通過(guò)涂層測(cè)厚儀測(cè)量鋼構(gòu)件防腐涂層厚度，判斷鋼材是否存在防腐性能降低、影響耐久性的可能。在對(duì)檢測(cè)范圍結(jié)構(gòu)外觀損傷的全部普查過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)連接、受熱氣及雨水影響、受振動(dòng)影響等相關(guān)部位重點(diǎn)檢測(cè)，明確結(jié)構(gòu)是否存在明顯銹蝕、變形、涂層脫落、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等情況，并記錄其程度及分布范圍。

1.4 安全鑒定

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果、原設(shè)計(jì)圖紙及擬采用的光伏板荷載分布情況，結(jié)合當(dāng)前結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，采用目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，建立計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算結(jié)果，給出石房屋面是否滿足后續(xù)的光伏板安裝及使用的安全要求，如不滿足，指明不滿足的部位，并采取相關(guān)加固手段達(dá)成目標(biāo)［6］。

檢測(cè)及鑒定的主要規(guī)范依據(jù)有《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50344-2019）、《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50621-2010）、《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8-2016）、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205-2020）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）、《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068-2018），以及相關(guān)圖紙資料和光伏板相關(guān)荷載資料。

1.5 鑒定結(jié)論

增加光伏板后，全部的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。熱連軋主石房及成品庫(kù)氣樓桿件應(yīng)力比滿足現(xiàn)行規(guī)范要求、部分桿件長(zhǎng)細(xì)比不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。爐卷主石房氣樓滿足現(xiàn)行規(guī)范要求、部分桿件長(zhǎng)細(xì)比不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。爐卷主石房其余氣樓承載力及長(zhǎng)細(xì)比滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

1.6 相關(guān)建議

對(duì)表面銹蝕、涂層脫落的鋼構(gòu)件進(jìn)行除銹防腐處理，更換爐卷主石房氣樓端部個(gè)別銹斷的門洞圍護(hù)桿件。對(duì)不滿足光伏板安裝使用要求的氣樓（包含熱連軋主石房及成品庫(kù)所有氣樓、爐卷主石房部分氣樓），進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。補(bǔ)齊熱連軋成品庫(kù)氣樓缺失的縱向聯(lián)系桿，緊固各氣樓松動(dòng)的連接。后期光伏板安裝時(shí)，替換銹蝕的屋面板。清理熱連軋主石房屋面局部堆載材料。后期使用過(guò)程中，定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)。

2 常見問(wèn)題

屋面增設(shè)光伏的項(xiàng)目中，因?yàn)轫?xiàng)目的規(guī)模需要，最常見的是在面積比較大的物流園區(qū)或者小型機(jī)加工車間園區(qū)。這些園區(qū)的優(yōu)點(diǎn)是石房的規(guī)格比較統(tǒng)一，位置比較集中而且沒(méi)有遮擋，比較適合設(shè)置屋面分布式光伏。缺點(diǎn)是此類型石房多是鋼結(jié)構(gòu)石家總包的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)和施工非常精細(xì)化，構(gòu)件的承載力和變形等參數(shù)使用到了極致——稱之為缺點(diǎn)，僅僅是從增加光伏的角度（換一個(gè)角度，其精細(xì)化的設(shè)計(jì)和施工，為投資方節(jié)約了費(fèi)用）［7］。

這類園區(qū)，從結(jié)構(gòu)受力的角度，分為兩種：一種是沒(méi)有吊車的石房；另一種是有吊車的石房。之所以用吊車來(lái)區(qū)分，主要是從“增加屋面光伏荷載”對(duì)“整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響”來(lái)分析。簡(jiǎn)單地說(shuō)，對(duì)于有吊車的石房，增加光伏荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小，一般只需要加固屋面系統(tǒng)，費(fèi)用約在50～70 元/m2（此費(fèi)用估算按照層高9 m 估算）。然而，對(duì)于沒(méi)有吊車的石房，可能還需要加固柱子，費(fèi)用要額外增加約35 元/m2，甚至更高，如此項(xiàng)目的成本則無(wú)法承受［8］。

3 鋼鐵冶金廠房的特點(diǎn)

鋼鐵冶金石房，吊車噸位相對(duì)較大（起吊重量在30～400 t），柱子系統(tǒng)對(duì)于增加15 kg/m2的光伏荷載并不敏感。同時(shí)，因?yàn)楸敬问繛闊掍撨B鑄的后續(xù)熱軋石房，除了高溫等工況，還有大量的生產(chǎn)物料和成品；鑒于之前管理水平有限，往往會(huì)有積灰產(chǎn)生?？紤]安全期間，在設(shè)計(jì)時(shí)，屋面荷載多不加區(qū)分地采用了積灰荷載。查閱原設(shè)計(jì)藍(lán)圖發(fā)現(xiàn)，屋蓋系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，均采用了0.3 kN/m2的積灰荷載。同時(shí)，還有部分石房考慮了0.1 kN/m2的不可預(yù)見荷載?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，擬增加分布光伏板的成品庫(kù)和爐卷區(qū)域，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)積灰的存在。查閱現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 5009-2012），規(guī)定煙囪中心20 m 半徑范圍內(nèi)（這個(gè)煙囪也可以理解為冶金爐窯）積灰荷載為0.3 kN/m2，即“國(guó)家規(guī)范的規(guī)定可以不設(shè)計(jì)積灰荷載”和“現(xiàn)場(chǎng)不存在積灰”的實(shí)際情況是一致的。

由所委托的專業(yè)公司計(jì)算對(duì)比分析（去掉原設(shè)計(jì)的0.3 kN/m2的積灰荷載），雖然新的可靠度規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068-2018）提高了安全的要求，石房主體結(jié)構(gòu)仍可安全承受增加的光伏荷載。此外，因冶金石房?jī)?nèi)存在高溫和高濕的環(huán)境，屋面通風(fēng)氣樓面積較大。為了盡量增加光伏的面積，需要在通風(fēng)氣樓上面布置光伏板。部分通風(fēng)氣樓為石家的成品，承載力儲(chǔ)備不足，需要加固后方可安全承載。

4 總結(jié)

通過(guò)了解其它鋼結(jié)構(gòu)石房增加光伏板荷載所面臨的問(wèn)題［9］，有重點(diǎn)地去實(shí)地調(diào)查該鋼石的石房“設(shè)計(jì)荷載和使用荷載”的差異。結(jié)合專業(yè)公司的安全分析，合理地控制了石房結(jié)構(gòu)加固的范圍。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，降低了石房加固的成本，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，每年8 MW 的發(fā)電量，大約相當(dāng)于燃燒3 000 t 煤炭所發(fā)電量，既為建立綠色環(huán)保的鋼石環(huán)境做出貢獻(xiàn)，又能落實(shí)我國(guó)對(duì)世界承諾的節(jié)能減排目標(biāo)，產(chǎn)生了較好的社會(huì)效益。