分布式光伏电站C型简支檩条加固技术

分布式光伏电站C型简支檩条加固技术

杨忠伟

南京金智乾华电力科技发展有限公司江苏南京210000

提要：利用三线钢结构的本构模型，对两个相邻的单支撑C型简支檩条进行了三维有限元分析。分析了单支撑纵梁的受力特性，分析了其长度、厚度、自锁螺钉的布置、节距等。L型钢的长度、厚度和节距可以显著提高L型钢承载力和刚度。L型钢的比刚度承载力随薄壁长度的增加和螺距的减小而增大；L型钢的承载力和刚度随L型钢厚度的增加而降低。L型钢不能单独使用，其长度为10%~15%。如果薄壁L型钢的厚度大于檩条的厚度，可以有效提高钢筋的刚度和承载力；螺钉连接的檩条在刚度和承载力方面优于仅螺钉连接的桁条，但其承载力没有显著提高。结果表明，L型钢的长度、厚度、螺纹间距和螺纹接头对钢的延性影响不大。每个采样点的误差类型基本相同。左右纵梁的整体弯曲，以及L形轨道和C型简支檩条板的加载位置附近的法兰和轨道的局部弯曲。

关键词：简支C型檩条；连续化加固；有限元分析；力学性能

1有限元模型的建立

1.1自攻螺钉连接的模拟

自攻螺钉和管孔壁不受外力损坏，因此可以忽略自攻螺钉和管道的滑动。采用无结法对自攻螺钉进行了分析。C型简支檩条自切螺钉和L形钢自切削螺纹接头之间的接头的元件节点的位移在三个方向上连接，但旋转自由度被释放。

1.2简支C型钢檩条加固过程模拟

在荷载作用下，ABAQUS中L型钢的作用是产生应力。其过程主要包括：首先，设计单支撑C型简支檩条和L形薄壁钢板；在此基础上，对单支撑C型檩条施加位移荷载，使其承受单支撑梁的力，而L型薄壁梁不受力；最后，将载荷加载到初始载荷，通过“改变和增加”来增加预载荷，从而使纵梁的应力部分继续变形。此时，檩条和L形钢板一起承受荷载。

2内嵌薄壁L型钢长度影响

ABAQUS中L型钢的作用是产生应力。其过程主要包括：首先，设计单支撑C型简支檩条和L形薄壁钢板；在此基础上，对单支撑C型檩条施加位移荷载，使其承受单支撑梁的力，而L型薄壁梁不受力；最后，将载荷加载到初始载荷，从而使纵梁的应力部分继续变形。

图1不同长度L形钢梁的加载-位移量曲线

从图1可以看出，不同薄壁长度的L型钢试样的荷载-位移分布规律是一致的。加固前，檩条的弯曲应相互重叠。加固后，曲线的坡度逐渐增大。薄壁L型钢的长度越长，其弯矩和峰值越大，加固效果越好。L形板条的刚度改善系数为γK的延性改善系数如图2所示。

图2在L形钢长中加强檩条刚度和延性提高因子

从图2A中可以看出，在弹性操作阶段加强的檩条样品的刚度随着L型钢长度的增加而继续增加。5%的薄壁型钢使强度提高12.2%；L型钢的长度从5%增加到10%，刚性增加28.57%；L型钢的切割长度从10%增加到15%，而钢的强度增加了11.86%。加固檩条的延性随着厚度的增加而增加，但没有明显改善。图3显示了具有不同长度ηy、ηu曲线的L型钢的延伸性能和极限强度改善系数。

图3不同长度L形钢梁的加强筋的承载力增加因子

3内嵌薄壁L型钢厚度

本文采用有限元方法模拟了L形钢球中不同厚度的钢筋。L型钢长600mm，相当于单梁跨度的10%。L型钢具有L型钢的厚度，其长度为2mm、2.5mm和3mm。CF-L2.0、CF-L2.5和CF-L3.0。自攻螺钉仅以网状螺钉连接的形式布置，自攻螺钉之间的间距为70mm（如2b所示）。

图4显示了具有不同厚度L形钢板的薄壁钢桁架的应力-应变曲线。从图中可以看出，薄壁L形钢加劲肋在不同厚度下的变形规律是一致的。随着薄壁L型钢厚度的增加，其强度曲线的峰值也随之增加。

图4不同L型钢的加强檩条的受力-位移曲线

结果表明，不同厚度L形钢梁的刚度Ke、Kr和刚度改善系数为γK延性γ-μ，如表1所示。

表1不同L形钢板的加强檩条刚度和延性

表1显示，加劲肋的弹性刚度随薄壁L型钢的厚度线性增加。试验结果表明，CF-L2.0钢轨的弹性刚度比简支钢轨高44.2%；与CF-L2.0相比，CF-L2.5的弹性刚度提高了7.5%；与CF-L2.5相比，CF-L3.0的弹性刚度提高了6.5%。L形薄壁梁的硬度在不同厚度下没有显著提高，低于4%。表2列出了不同厚度L型钢梁的拉伸荷载和最终荷载。Py是拉伸载荷，P u是最终载荷，ηy是最终载荷。

表2不同L型钢厚度下加固檩条承载力

表2显示，随着薄壁L型钢厚度的增加，钢的拉伸载荷和承载力呈现线性上升趋势，而拉伸强度的增加略低于最终载荷。CF-L2.0加固的檩条比普通梁高20.9%，最大承载力达到23.2%；CF-L2.5加固檩条的屈服荷载分别比CF-L2.0高3.1%和2.7%；试验结果表明，CF-L3.0加固檩条的屈服强度为2.8%，屈服强度为28%；负荷超过3.1%；

研究发现，当薄壁L型钢的厚度大于檩条厚度时，其刚度、延性、屈服强度和极限荷载都有一定的限制。薄壁L型钢的厚度应等于或略大于檩条的厚度。L型钢在不同厚度下的断裂形态基本相同。L型梁上部轨道的屈曲变形随着L型梁厚度的增加而减小。

4自攻螺钉

4.1自攻螺钉间距

采用三种不同间距的自攻螺钉，分别为50mm、70mm和90mm，并对其参数进行了分析。测试了CF-S50、CF-S70、CF-S90和其他样品。薄壁L型钢的长度为600mm，为单跨的10%。自攻螺钉只能用网状螺钉固定。图5显示了不同自攻螺钉之间加强檩条的荷载-位移关系。从图表中可以看出，每个钢筋样本的曲线变化趋势是一致的。随着间距的减小，曲线变得陡峭，曲线的峰值增加。当达到极限载荷时，其变形逐渐减小，达到极限后，下降速度略慢。

图5加固檩条在不同螺距下的载荷-位移关系

在使用不同间距的自攻螺钉加固前后，其刚度Ke和Kr得到改善，刚度改善系数γ和延性μ见表3。

表3不同螺钉间距下加固檩条刚度、延性

如表3所示，只有当腹板用自攻螺钉固定时，加劲肋的刚度改善系数和延性才会随着螺栓间距的减小而线性增加。当钢筋特拉斯间距从90mm减小到70mm时，钢筋刚度增加11.1%；节距从70mm减小到50mm，刚性增加9.5%，但延性的提高有限，最多只能达到5%。

表4不同螺栓间距加固檩条的受力情况

表4显示了不同的螺钉（ηy，ηu）间距。加固檩条的延伸荷载、最终荷载（Pu）和承载改进系数如表4所示。当边坡发生变化时，其承载力改善系数会增加。当钢筋坡度从90mm减小到70mm时，其屈服荷载分别增加4.7%和4.2%；当螺杆间距从70mm减小到50mm时，拉伸载荷增加1.7%，最终载荷增加3.2%。

结果表明，减小钢檩条倾角对提高承载力的作用有限。因此，螺钉之间的间距应适当。加固檩条的破坏模式对应于自攻螺钉的不同角度。加固后，左檩条和右檩条全部变形，加固段的L形钢帆布、上翼缘和上帆布部分弯曲。随着自攻螺钉间距的减小，L形钢板加固区域的横向间隙减小。有两种类型的螺纹接头：单腹板螺栓和肋和法兰螺栓。采用有限元方法模拟了两种不同类型的螺纹接头，得到了50mm、70mm和90mm的自攻螺钉间距。仅CF-S50、CF-S70、CF-S90和CY-S90分别用作腹板和法兰的连接件，CY-S50、CY-S70和CY-S70分别用作参考。在有限元计算中，L形薄壁钢板的长度为600mm。

4.2自攻螺钉排列方式

图6显示了不同螺纹连接模式下加固檩条的荷载轨迹。腹板和翼缘处螺栓连接肋的弯曲斜率和最大弧度远大于螺栓连接纵梁。

图6不同螺纹连接方式下加强檩条的载荷-位移曲线

加固前后不同自攻螺栓连接方式的刚度Ke、Kr和刚度改善系数γ和延性μ见表5。

表5采用不同螺栓连接方法加固檩条的刚度和延性

从表5中可以看出，与仅用网状螺栓固定的檩条相比，用自攻螺钉连接到肋和法兰的檩条具有更好的刚度和延性，并且随着螺钉间距的增加，韧性的增加也很小。当螺杆间距为50mm时，CY-S508.3%强化桁条的刚度优于CF-S50强化桁条；如果螺丝刀为70mm，其刚度将增加10.2%；当螺杆节距为90mm时，刚度提高14.3%。CY-S90钢结构加固后，其刚度比CF-S70钢高2.9%，但低6.1%。表6显示了不同攻丝螺纹连接模式（ηy，ηu）下的极限荷载（Pu）和加固檩条承载力改善系数（ηy，ηu）。

表6采用不同的螺栓布置方法加强檩条的受力

从表6中可以看出，使用自攻螺钉连接的加劲肋和法兰加劲肋的承载力高于仅使用网状螺栓固定的加劲肋。螺纹间隙为50mm时，屈服载荷增加1.3%，端部载荷增加2.4%。螺纹间隙为70mm时，屈服荷载增加1.2%，端部负荷增加1.8%；如果螺丝刀为90mm，拉伸载荷将增加2.8%，最终载荷将增加2.5%；研究结果表明，使用自攻螺钉以及在腹板和法兰上使用自攻螺钉可以在一定程度上改善结构的应力。不同连接方式加固的檩条损伤程度相同。法兰和腹板用螺钉固定。在加固截面上，檩条压接与薄壁L型钢压接之间的横向间隙应小于仅使用腹板的自攻螺纹接头的横向间隙。

5结论与建议

5.1研究成果

采用有限元法分析了檩条在不同参数下的应力特性，得到了以下结果。

（1）简支梁的刚度和承载力随着薄壁L型钢长度的增加而增加，其强度和刚度也随之提高。L型钢板的加长提高了其刚度和承载力。L型钢的单向流动不得大于10%~15%。

（2）加强檩条的承载力和弹性刚度随薄壁L型钢厚度的增加呈线性增加；然而，如果薄壁L型钢的厚度超过檩条，将对其刚度、屈服强度和最终钢筋荷载产生一定影响。薄壁L型钢的计算方法基于檩条的厚度。

（3）随着螺杆间距的减小，加强檩条的刚度和承载力增加，刚度增加，承载力受到限制。

（4）带自攻螺钉和法兰的檩条在刚度和承载力方面优于仅具有网状结构的檩条。螺钉间距增加，刚性增加，但力有限。

（5）预埋L型钢的长度和厚度、自攻螺钉的间距以及自攻螺钉的连接形式对钢筋的延性影响很小。

（6）在不同长度和厚度的薄壁L型钢下，加强筋在螺旋间距和螺旋布置中的破坏模式是一致的。加固后，梁的左右跨梁整体弯曲，L型钢上半部分和加载点局部屈曲损坏。在加固截面上，檩条压接与薄壁L型钢压接之间的交叉间距随着厚度和长度的增加而增加。螺钉固定可以减少螺钉间距，降低腹板和法兰载荷。

5.2方案建议

5.2.1设计分析及计算流程

根据业主提供的施工图纸和现有建筑物和工厂的结构图纸，并结合现场实际情况，确定屋顶檩条是否有底板、起吊重量和规格。如果施工中的檩条与图纸不一致，应以现场实际操作为准。通过檩条计算参数的确定，可以对项目中的简单檩条界面进行计算，以确定屋顶檩条是否符合光伏发电系统的承载能力。

5.2.2加固方案的选择

1.简支檩条加固为连续檩条

该方案适用范围广，对原有檩条的机械性能进行了调整，使檩条的承载力满足安装太阳能电池板的要求；如果原檩条的稳定性不能满足要求，应在原结构的基础上增加支撑，以确保其稳定性。该方案施工方便，成本低。

2.檩条增加隅撑

对于带底板的“C”型檩条（基础密封檩条），如果檩条不满足计算承载力，则应将其用作连续檩条。加固前，必须拆下车顶底板。在这种情况下，施工难度会增加，加固成本也会增加，这不是最佳的加固方法。在此基础上，当檩条的承载力不超过10%时，可以在每根檩条上增加角撑，使每根檩条的应力得到适当调整，从而提高主檩条的承载能力。

参考文献

[1]丰成成.冷弯薄壁C型钢简支檩条连续化加固技术研究[D].山东建筑大学,2022.

[2]周磊甜,黄启银,郑志伟.浅谈分布式电站C型简支檩条加固[J].中国高新科技,2019(20):94-96.

[3]赵海斌,包文龙,张良利,杨松,沈道军.分布式光伏电站中屋面檩条设计及加固方案探究[J].中国新技术新产品,2019(14):92-94.