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风荷载作用下屋顶槽式聚光镜对建筑顶层结构的影响

范文

蒋焕青李正农邹琼

摘? 要：屋顶槽式聚光镜在城区可以充分利用太阳能资源，绿色环保，但在屋顶安装高度约7 m的聚光镜，风荷载作用下会对屋顶结构产生强烈影响.以某5层框架结构为例，首先采用ANSYS软件建立安装槽式聚光镜前后的两种框架结构有限元模型;然后施加荷载，分别对结构模型进行静力计算，通过对顶层结构构件位移及内力对比分析，论证在风荷载下聚光镜对房屋顶层结构的影响，并提出了几种相应措施，可为安装在屋顶上的其他结构或设施的结构设计研究提供参考.

关键词：屋顶槽式聚光镜;风荷载;框架结构;有限元分析;顶层结构

中图分类号：TU312? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.015

0? ? 引言

随着经济的飞速发展，我国能源需求激增，环境污染和经济发展之间的关系成为环境资源和经济学领域关注的热点问题[1].为缓解环境压力，实现可持续发展，太阳能的开发和利用引起广泛关注.太阳能热发电系统主要有塔式、碟式和槽式.槽式聚光镜是目前太阳能热利用技术中最为成熟且造价较低的一种聚光形式，具有良好的商业化基础[2].由于槽式聚光镜系统特殊的工作性能及使用面积，在城区其局限性便体現出来[3].将槽式聚光镜安装在建筑屋顶便能较好地解决效率和成本问题.目前国内外对屋面式太阳能利用系统的发展研究主要集中在太阳能光伏板方面，国外对屋面光伏阵列风荷载进行了一系列的风洞实验[4-7]，讨论的主要影响因素包括光伏阵列安装倾角、离开屋面的高度、阵列间距以及建筑物设计相关参数等.张爱社等[8]采用 CFD 分析讨论了屋面光伏板的风荷载特性，刘芳芳等[9]以哈尔滨市作为寒区典型城市代表进行屋顶太阳能设备应用问题调研，45%的人认为存在屋顶结构的损坏现象.在风荷载下屋顶槽式聚光镜的安装，增大了屋顶结构的变形和内力，不仅威胁到建筑结构的耐久性和安全性，也会影响槽式聚光镜的安全性和可靠性，但是到目前为止有关槽式聚光镜对屋顶结构构件的影响分析还未见报道.

1? ? 数值模拟

1.1? ?建筑项目

1.1.1? 项目概况

某5层办公楼，结构体系为地上南北走向的5层钢筋混凝土框架结构，层高3.3 m.柱截面尺寸为0.45 m×0.45 m，梁截面尺寸为0.35 m×0.40 m，现浇钢筋混凝土楼屋盖板的厚度均为0.12 m，混凝土强度等级为C30，弹性模量为 30 000 MPa，重力密度为 25 kN/m3，楼面活荷载为2.5 kN/m2，屋面活荷载为2.0 kN/m2，结构纵向尺寸为31.3 m，横向尺寸为13.2 m，开间3.6 m，进深4.2 m.

1.1.2? 框架结构有限元模型

ANSYS有限元分析过程中，框架结构固结在基础上，梁、柱均采用BEAM188单元，现浇楼板采用SHELL181单元，框架结构模型划分网格后的单元数为9 683个，节点数为13 011个，有限元模型如图1中框架结构模型.

1.2? ?屋顶槽式聚光镜

1.2.1? 槽式聚光镜结构组成

本文槽式聚光镜原型是位于某试验基地的聚光镜结构，系统主要由立柱、聚光镜镜面、镜面支架、镜架主梁、端板、集热管、集热管支架及传动法兰等装置组成.

本文研究对象为槽式聚光镜的主体结构，包括立柱、镜架主梁、端板、镜面支架和聚光镜.聚光镜通过镜托与镜面支架连接，镜面支架是由方钢管焊接而成，单个槽式聚光镜镜面支架在槽式聚光镜长度方向设置了中拉杆用来提高镜面支架的刚度.镜面支架通过螺栓与镜架主梁连接，镜面主梁通过端板和传动装置与立柱连接.本文根据建筑物屋面尺寸的大小，布置两个长度为12.61 m的槽式聚光镜（由传动装置连接），单个槽式聚光镜总装配图如图2所示.其中立柱采用0.22 m×0.14 m×0.05 m矩形钢管焊成，镜架主梁采用0.05 m×0.05 m×0.004 m方钢管焊成，宽高均为1.2 m的空间桁架，端板采用厚0.02 m钢板，镜面支架共24对，采用0.05 m×0.05 m×0.004 m方钢管焊成.

1.2.2? 聚光镜有限元模型

为了方便计算，在保证模型精确度的基础上对槽式聚光镜结构体系进行了合理的简化.反光镜截面形状为抛物镜面，略有弧度，但由于弧度很小，对整个结构分析影响较小，因此，采用平面镜进行简化分析.集热管和集热管支架刚度和质量小，对整个聚光镜结构体系荷载和刚度影响较小，同时转动和减速装置的细部特征建模复杂，对聚光镜整体结构影响较小，以上两项在建模时予以忽略.

本文研究的聚光器结构装置的钢结构部分均采用Q235钢材，聚光镜的材料为特制钢化玻璃，在定义槽式聚光镜各结构构件的材料参数时采用表1中各项材料的性能参数.槽式聚光镜镜面及端板采用Shell18单元，其他构件均采用 Beam188单元，对于聚光镜结构中的螺栓连接均设置约束边界条件.槽式聚光镜模型划分网格采用自动划分，划分后的单元数为22 751个，节点数为67 085个.为保证聚光镜立柱支座下屋面板的安全，在立柱支座处增设十字交叉梁.建立安装有槽式聚光镜的框架结构有限元模型如图1所示.

1.2.3? 槽式聚光镜风荷载

由于槽式聚光镜系统的迎风面积大，且刚度较低，风荷载是其结构设计中最重要的控制荷载[10-11]，但是槽式聚光镜的结构体型不同于目前《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）（简称《规范》）中的结构类别，我国还未制定相关的设计规范或技术标准.国内外对槽式聚光镜等效风荷载的研究很少，因此，本文采用《规范》第8.1.1条中的风荷载公式来计算槽式聚光镜的风荷载.

该工程项目位于长沙地区，查荷载规范基本风压取0.35 kN/m2.槽式聚光镜镜面离屋顶高度的最大值为7.1 m，根据《规范》第8.2.1条，对于C类地面粗糙度类别，取风压高度变化系数[μz]为 0.79. 邹琼[12]采用多阶模态力法来计算槽式聚光镜的风振系数，最大风振系数值出现在50-000 工况（工况表示为“镜面竖向角-水平风向角”，其中镜面角度示意图如图3所示）下，风振系数达到了3.4，并通过风洞试验，计算出各分区的风荷载体型系数.本文根据风荷载的计算公式，最终确定槽式聚光镜在50-000 工况下等效风荷载分区图，如图4所示.

2? ? 计算结果分析

考虑结构自重、楼面（屋面）活荷载及风荷载，依据荷载组合：1.3恒载+1.5活载;1.3恒载+1.5×0.7活载+1.5风荷载，对安装槽式聚光镜前后的有限元模型施加荷载，计算并对比分析顶层结构的屋面板、屋面梁、顶层柱内力及屋面梁板节点的竖向位移.

2.1? ? 屋面板弯矩及竖向位移对比

2.1.1? ?屋面板弯矩

框架结构中屋面板均属于双向板，设计时需考虑两个方向的弯矩，对两个方向的弯矩值进行对比.

在结构求解过程中，除屋頂增加槽式聚光镜荷载外，其他结构体系、材料等级等结构构件和荷载信息相同.屋面板短向面弯矩M11.如图5所示，仅框架结构时，屋面板弯矩最大值为? ? ? 1.883 kN·m，最小为-1.902 kN·m.如图6所示，当屋顶安装槽式聚光镜时，在风荷载作用下，屋面板短向面弯矩最大值为3.668 kN·m，最小为? ? ? ? ? -3.815 kN·m，弯矩增大1.96～2.00倍.同样对安装屋顶槽式聚光镜前后屋面板长向面弯矩进行比较，弯矩增大1.21～3.75倍，而且最大弯矩值的位置由跨度较大的边板带转移到立柱下跨度较小的板带.

2.1.2? 屋面板节点竖向位移

安装槽式聚光镜后，在风荷载作用下，屋顶荷载增加使得屋面板节点竖向位移有所变化.如? 图7所示，仅框架结构时，屋面板节点竖向位移最大值为1.500 mm，最小为0.477 mm;如图8所示，当屋顶安装槽式聚光镜后，屋面板节点竖向位移最大值为2.28 6 mm，最小为0.567 mm，位移增大1.19～1.52倍.但根据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）第3.4.3条，其允许挠度值分别是? ? ? ? 3 600 mm/200=18 mm，2 400 mm/200=12? mm，屋面板挠度值均满足规范规定要求，但是荷载引起挠度的增加会导致屋面板开裂.

2.2? ? 屋面梁内力及位移对比

2.2.1? 屋面梁弯矩

整体笛卡尔坐标系中梁单元坐标：跨度方向为单元的X轴，高度方向为Z轴，宽度方向为Y轴.由于屋顶增加槽式聚光镜荷载，荷载由屋面板传递给屋面梁，屋面梁承受的荷载增加，内力也会增加.如图9所示，仅框架结构时，屋面梁绕Y轴弯矩最大值为12.765 kN·m，最小为-12.446 kN·m.如图10所示，当屋顶安装槽式聚光镜后，在风荷载作用下，屋面梁绕Y轴弯矩最大值为44.399 kN·m，最小为-60.311 kN·m，绕Y轴弯矩增大3.48 ～4.85倍;同样对安装屋顶槽式聚光镜前后屋面梁绕Z轴弯矩进行比较，弯矩增大3.08～5.99倍.可见屋顶安装槽式聚光镜，在风荷载作用下，对屋面梁两个方向的弯矩值影响很大，需采取措施以提高屋面梁正截面抗弯承载力，满足安全性要求.

2.2.2? 屋面梁剪力

由于屋顶增加槽式聚光镜荷载使屋面梁剪力也会有所变化.如图11所示，仅框架结构时，屋面梁Y向剪力最大值为3.021 kN，最小为-3.021 kN.如图12所示，当屋顶安装槽式聚光镜时，在风荷载作用下，屋面梁剪力最大值为37.461 kN，最小为-34.795 kN，屋面梁的Y向剪力值增大约11.50～12.40倍;同样对安装屋顶槽式聚光镜前后屋面梁Z向剪力值进行比较，剪力值增大6.33～5.20倍.可见屋顶槽式聚光镜在风荷载作用下对屋面梁剪力影响很大，需采取措施以提高屋面梁斜截面抗剪承载力，满足安全性要求.

2.2.3? 屋面梁节点竖向位移对比

由于屋顶安装槽式聚光镜，在风荷载作用下，屋面梁弯矩和剪力增加，使得屋面梁节点竖向位移增加.如图13所示，仅框架结构时，屋面梁节点竖向位移最大值为1.22 mm，最小为0.453 mm;如图14所示，当屋顶安装槽式聚光镜后，在风荷载作用下，屋面梁节点竖向位移最大值为2.261 mm，最小为0.536 mm，屋面梁节点竖向位移增大1.18～1.85倍.但根据规范规定，其允许挠度值分别是? ? 3 600 mm/200=18 mm，2 400 mm/200=12 mm，屋面梁挠度值均满足规范规定的要求，但是挠度增加会导致混凝土屋面梁开裂.

2.3? ?顶层柱轴向力

如图15所示，仅框架结构时，顶层柱的轴向力最大值为121.834 kN，最小为39.094 kN;如图16所示，当屋顶安装槽式聚光镜后，在风荷载作用下，顶层柱的轴向应力最大值为456.441 kN，最小为38.287 kN，顶层柱轴力增大约3.74倍.可见在风荷载作用下屋顶增加槽式聚光镜对框架结构顶层柱轴向力影响很大，应采取措施提高柱的正截面承载力.

通过对顶层结构构件内力及位移对比分析，在风荷载作用下，安装有槽式聚光镜的屋面板弯矩增大1.21～3.75倍，屋面梁弯矩增大3.08～ 5.99倍，剪力增大5.2～12.4倍，顶层柱轴向应力增加3.74倍，屋面板节点竖向位移增大1.19～1.52倍，屋面梁节点竖向位移增大1.18～1.85倍，因此，槽式聚光镜在风荷载作用下产生的附加荷载对建筑物顶层结构构件承载力和变形影响很大.

3? ? 应对措施

由上述可知，屋顶安装槽式聚光镜，在风荷载作用下使得顶层结构构件内力和变形增加.内力增加引起结构构件的承载力不足，降低了房屋结构的安全性.变形过大造成房屋粉刷层剥落，甚至引起屋顶渗漏，影响房屋的正常使用，同时也降低结构的耐久性.本文提出了在屋顶安装槽式聚光镜设计中增加建筑顶层结构强度和刚度的有利措施.

3.1? ?对既有建筑采取的措施

1）减轻荷载.由于槽式聚光镜系统的迎风面积大、刚度低，风荷载会导致聚光镜出现变形，造成系统能效损失，甚至发生镜面破坏;同时也会增大建筑结构屋顶构件的内力和变形，因此，可以适当降低聚光镜系统的高度.

2）屋顶结构构件加固.在屋面梁、板及顶层柱表面粘贴碳纤维，使用碳纤维布加固混凝土构件，以提高构件的承载力和耐久性.

3）屋面结构架空.当槽式聚光镜在风荷载作用下对屋面产生的附加荷载较大时，为了降低对既有建筑的影响，可利用既有建筑墙柱的安全储备，在顶层重新设置屋面梁板体系，以满足顶层结构安全性的要求.

3.2? ?对拟建建筑采取的措施

1）优化结构布置.为了增强屋顶结构在槽式聚光镜立柱处的整体性，使传力可靠，安装立柱时，可在连接处设置两个方向交叉的钢筋混凝土梁，或将立柱布置在柱和墙的位置，以减小对屋面结构的影响.

2）跨学科合作.为提高屋顶槽式聚光镜系统的安全性及能效，需分析槽式聚光镜支座布置方式及在风荷载作用下对屋顶结构的影响，保证槽式聚光镜与屋顶结构的可靠连接.为实现屋顶槽式聚光镜系统模块化设计，需利用BIM技术进行设计模拟、管道碰撞检查等;同时，要计算建筑屋顶结构的承载能力，验算其变形及裂缝宽度，并解决屋面防潮、保温及防火等问题，以上均需建筑结构工程师与槽式聚光镜设备师等专业人员从工业设计和建筑结构设计领域进行深度合作研究，实现多学科多目标优化设计.

4? ? 结论

屋顶槽式聚光镜的前景十分广阔，所蕴含的市场潜力非常巨大，因此，发展适合我国的屋顶槽式聚光镜对于我国生态型城市的建设、城市可持续发展具有重要的战略意义.本文利用ANSYS有限元软件对安装屋顶槽式聚光镜前后的框架结构进行数值模拟研究，获得了相应的静力分析结果.具体研究成果如下：

1）分析在风荷载作用下屋顶槽式聚光镜对顶层结构构件的内力及变形的影响.屋顶槽式聚光镜在风荷载作用下，会增大建筑顶层结构构件的位移及内力，尤其是对屋面板和屋面梁内力影响很大.

2）为提高建筑物顶层结构安全性和耐久性，本文从减轻槽式聚光镜自重、加固房屋顶层结构、屋面结构架空、优化结构布置及跨学科合作等方面提出了有利措施，以减小屋顶槽式聚光镜在风荷载作用下对屋顶结构构件的影响.

3）本文所得结论适用于与本文相近尺寸的槽式聚光镜及建筑结构，对于尺寸与本文原型差异较大的可能与本文的研究成果会有一定的差别.

需要指出的是，本文是关于屋顶槽式聚光镜对屋顶结构影响有限元分析的初步探索，还有许多问题需要做进一步实测和试验研究.

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