蔣煥青 李正農(nóng) 鄒瓊

摘? 要：屋頂槽式聚光鏡在城區(qū)可以充分利用太陽能資源，綠色環(huán)保，但在屋頂安裝高度約7 m的聚光鏡，風(fēng)荷載作用下會對屋頂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響.以某5層框架結(jié)構(gòu)為例，首先采用ANSYS軟件建立安裝槽式聚光鏡前后的兩種框架結(jié)構(gòu)有限元模型;然后施加荷載，分別對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力計算，通過對頂層結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移及內(nèi)力對比分析，論證在風(fēng)荷載下聚光鏡對房屋頂層結(jié)構(gòu)的影響，并提出了幾種相應(yīng)措施，可為安裝在屋頂上的其他結(jié)構(gòu)或設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究提供參考.

關(guān)鍵詞：屋頂槽式聚光鏡;風(fēng)荷載;框架結(jié)構(gòu);有限元分析;頂層結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU312? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.015

0? ? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國能源需求激增，環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系成為環(huán)境資源和經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1].為緩解環(huán)境壓力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，太陽能的開發(fā)和利用引起廣泛關(guān)注.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有塔式、碟式和槽式.槽式聚光鏡是目前太陽能熱利用技術(shù)中最為成熟且造價較低的一種聚光形式，具有良好的商業(yè)化基礎(chǔ)[2].由于槽式聚光鏡系統(tǒng)特殊的工作性能及使用面積，在城區(qū)其局限性便體現(xiàn)出來[3].將槽式聚光鏡安裝在建筑屋頂便能較好地解決效率和成本問題.目前國內(nèi)外對屋面式太陽能利用系統(tǒng)的發(fā)展研究主要集中在太陽能光伏板方面，國外對屋面光伏陣列風(fēng)荷載進(jìn)行了一系列的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[4-7]，討論的主要影響因素包括光伏陣列安裝傾角、離開屋面的高度、陣列間距以及建筑物設(shè)計相關(guān)參數(shù)等.張愛社等[8]采用 CFD 分析討論了屋面光伏板的風(fēng)荷載特性，劉芳芳等[9]以哈爾濱市作為寒區(qū)典型城市代表進(jìn)行屋頂太陽能設(shè)備應(yīng)用問題調(diào)研，45%的人認(rèn)為存在屋頂結(jié)構(gòu)的損壞現(xiàn)象.在風(fēng)荷載下屋頂槽式聚光鏡的安裝，增大了屋頂結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，不僅威脅到建筑結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，也會影響槽式聚光鏡的安全性和可靠性，但是到目前為止有關(guān)槽式聚光鏡對屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響分析還未見報道.

1? ? 數(shù)值模擬

1.1? ?建筑項目

1.1.1? 項目概況

某5層辦公樓，結(jié)構(gòu)體系為地上南北走向的5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高3.3 m.柱截面尺寸為0.45 m×0.45 m，梁截面尺寸為0.35 m×0.40 m，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓屋蓋板的厚度均為0.12 m，混凝土強(qiáng)度等級為C30，彈性模量為 30 000 MPa，重力密度為 25 kN/m3，樓面活荷載為2.5 kN/m2，屋面活荷載為2.0 kN/m2，結(jié)構(gòu)縱向尺寸為31.3 m，橫向尺寸為13.2 m，開間3.6 m，進(jìn)深4.2 m.

1.1.2? 框架結(jié)構(gòu)有限元模型

ANSYS有限元分析過程中，框架結(jié)構(gòu)固結(jié)在基礎(chǔ)上，梁、柱均采用BEAM188單元，現(xiàn)澆樓板采用SHELL181單元，框架結(jié)構(gòu)模型劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為9 683個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 011個，有限元模型如圖1中框架結(jié)構(gòu)模型.

1.2? ?屋頂槽式聚光鏡

1.2.1? 槽式聚光鏡結(jié)構(gòu)組成

本文槽式聚光鏡原型是位于某試驗(yàn)基地的聚光鏡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要由立柱、聚光鏡鏡面、鏡面支架、鏡架主梁、端板、集熱管、集熱管支架及傳動法蘭等裝置組成.

本文研究對象為槽式聚光鏡的主體結(jié)構(gòu)，包括立柱、鏡架主梁、端板、鏡面支架和聚光鏡.聚光鏡通過鏡托與鏡面支架連接，鏡面支架是由方鋼管焊接而成，單個槽式聚光鏡鏡面支架在槽式聚光鏡長度方向設(shè)置了中拉桿用來提高鏡面支架的剛度.鏡面支架通過螺栓與鏡架主梁連接，鏡面主梁通過端板和傳動裝置與立柱連接.本文根據(jù)建筑物屋面尺寸的大小，布置兩個長度為12.61 m的槽式聚光鏡（由傳動裝置連接），單個槽式聚光鏡總裝配圖如圖2所示.其中立柱采用0.22 m×0.14 m×0.05 m矩形鋼管焊成，鏡架主梁采用0.05 m×0.05 m×0.004 m方鋼管焊成，寬高均為1.2 m的空間桁架，端板采用厚0.02 m鋼板，鏡面支架共24對，采用0.05 m×0.05 m×0.004 m方鋼管焊成.

1.2.2? 聚光鏡有限元模型

為了方便計算，在保證模型精確度的基礎(chǔ)上對槽式聚光鏡結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了合理的簡化.反光鏡截面形狀為拋物鏡面，略有弧度，但由于弧度很小，對整個結(jié)構(gòu)分析影響較小，因此，采用平面鏡進(jìn)行簡化分析.集熱管和集熱管支架剛度和質(zhì)量小，對整個聚光鏡結(jié)構(gòu)體系荷載和剛度影響較小，同時轉(zhuǎn)動和減速裝置的細(xì)部特征建模復(fù)雜，對聚光鏡整體結(jié)構(gòu)影響較小，以上兩項在建模時予以忽略.

本文研究的聚光器結(jié)構(gòu)裝置的鋼結(jié)構(gòu)部分均采用Q235鋼材，聚光鏡的材料為特制鋼化玻璃，在定義槽式聚光鏡各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料參數(shù)時采用表1中各項材料的性能參數(shù).槽式聚光鏡鏡面及端板采用Shell18單元，其他構(gòu)件均采用 Beam188單元，對于聚光鏡結(jié)構(gòu)中的螺栓連接均設(shè)置約束邊界條件.槽式聚光鏡模型劃分網(wǎng)格采用自動劃分，劃分后的單元數(shù)為22 751個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為67 085個.為保證聚光鏡立柱支座下屋面板的安全，在立柱支座處增設(shè)十字交叉梁.建立安裝有槽式聚光鏡的框架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示.

1.2.3? 槽式聚光鏡風(fēng)荷載

由于槽式聚光鏡系統(tǒng)的迎風(fēng)面積大，且剛度較低，風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的控制荷載[10-11]，但是槽式聚光鏡的結(jié)構(gòu)體型不同于目前《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）（簡稱《規(guī)范》）中的結(jié)構(gòu)類別，我國還未制定相關(guān)的設(shè)計規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).國內(nèi)外對槽式聚光鏡等效風(fēng)荷載的研究很少，因此，本文采用《規(guī)范》第8.1.1條中的風(fēng)荷載公式來計算槽式聚光鏡的風(fēng)荷載.

該工程項目位于長沙地區(qū)，查荷載規(guī)范基本風(fēng)壓取0.35 kN/m2.槽式聚光鏡鏡面離屋頂高度的最大值為7.1 m，根據(jù)《規(guī)范》第8.2.1條，對于C類地面粗糙度類別，取風(fēng)壓高度變化系數(shù)[μz]為 0.79. 鄒瓊[12]采用多階模態(tài)力法來計算槽式聚光鏡的風(fēng)振系數(shù)，最大風(fēng)振系數(shù)值出現(xiàn)在50-000 工況（工況表示為“鏡面豎向角-水平風(fēng)向角”，其中鏡面角度示意圖如圖3所示）下，風(fēng)振系數(shù)達(dá)到了3.4，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)，計算出各分區(qū)的風(fēng)荷載體型系數(shù).本文根據(jù)風(fēng)荷載的計算公式，最終確定槽式聚光鏡在50-000 工況下等效風(fēng)荷載分區(qū)圖，如圖4所示.

2? ? 計算結(jié)果分析

考慮結(jié)構(gòu)自重、樓面（屋面）活荷載及風(fēng)荷載，依據(jù)荷載組合：1.3恒載+1.5活載;1.3恒載+1.5×0.7活載+1.5風(fēng)荷載，對安裝槽式聚光鏡前后的有限元模型施加荷載，計算并對比分析頂層結(jié)構(gòu)的屋面板、屋面梁、頂層柱內(nèi)力及屋面梁板節(jié)點(diǎn)的豎向位移.

2.1? ? 屋面板彎矩及豎向位移對比

2.1.1? ?屋面板彎矩

框架結(jié)構(gòu)中屋面板均屬于雙向板，設(shè)計時需考慮兩個方向的彎矩，對兩個方向的彎矩值進(jìn)行對比.

在結(jié)構(gòu)求解過程中，除屋頂增加槽式聚光鏡荷載外，其他結(jié)構(gòu)體系、材料等級等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和荷載信息相同.屋面板短向面彎矩M11.如圖5所示，僅框架結(jié)構(gòu)時，屋面板彎矩最大值為? ? ? 1.883 kN·m，最小為-1.902 kN·m.如圖6所示，當(dāng)屋頂安裝槽式聚光鏡時，在風(fēng)荷載作用下，屋面板短向面彎矩最大值為3.668 kN·m，最小為? ? ? ? ? -3.815 kN·m，彎矩增大1.96～2.00倍.同樣對安裝屋頂槽式聚光鏡前后屋面板長向面彎矩進(jìn)行比較，彎矩增大1.21～3.75倍，而且最大彎矩值的位置由跨度較大的邊板帶轉(zhuǎn)移到立柱下跨度較小的板帶.

2.1.2? 屋面板節(jié)點(diǎn)豎向位移

安裝槽式聚光鏡后，在風(fēng)荷載作用下，屋頂荷載增加使得屋面板節(jié)點(diǎn)豎向位移有所變化.如? 圖7所示，僅框架結(jié)構(gòu)時，屋面板節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為1.500 mm，最小為0.477 mm;如圖8所示，當(dāng)屋頂安裝槽式聚光鏡后，屋面板節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為2.28 6 mm，最小為0.567 mm，位移增大1.19～1.52倍.但根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）第3.4.3條，其允許撓度值分別是? ? ? ? 3 600 mm/200=18 mm，2 400 mm/200=12? mm，屋面板撓度值均滿足規(guī)范規(guī)定要求，但是荷載引起撓度的增加會導(dǎo)致屋面板開裂.

2.2? ? 屋面梁內(nèi)力及位移對比

2.2.1? 屋面梁彎矩

整體笛卡爾坐標(biāo)系中梁單元坐標(biāo)：跨度方向?yàn)閱卧腦軸，高度方向?yàn)閆軸，寬度方向?yàn)閅軸.由于屋頂增加槽式聚光鏡荷載，荷載由屋面板傳遞給屋面梁，屋面梁承受的荷載增加，內(nèi)力也會增加.如圖9所示，僅框架結(jié)構(gòu)時，屋面梁繞Y軸彎矩最大值為12.765 kN·m，最小為-12.446 kN·m.如圖10所示，當(dāng)屋頂安裝槽式聚光鏡后，在風(fēng)荷載作用下，屋面梁繞Y軸彎矩最大值為44.399 kN·m，最小為-60.311 kN·m，繞Y軸彎矩增大3.48 ～4.85倍;同樣對安裝屋頂槽式聚光鏡前后屋面梁繞Z軸彎矩進(jìn)行比較，彎矩增大3.08～5.99倍.可見屋頂安裝槽式聚光鏡，在風(fēng)荷載作用下，對屋面梁兩個方向的彎矩值影響很大，需采取措施以提高屋面梁正截面抗彎承載力，滿足安全性要求.

2.2.2? 屋面梁剪力

由于屋頂增加槽式聚光鏡荷載使屋面梁剪力也會有所變化.如圖11所示，僅框架結(jié)構(gòu)時，屋面梁Y向剪力最大值為3.021 kN，最小為-3.021 kN.如圖12所示，當(dāng)屋頂安裝槽式聚光鏡時，在風(fēng)荷載作用下，屋面梁剪力最大值為37.461 kN，最小為-34.795 kN，屋面梁的Y向剪力值增大約11.50～12.40倍;同樣對安裝屋頂槽式聚光鏡前后屋面梁Z向剪力值進(jìn)行比較，剪力值增大6.33～5.20倍.可見屋頂槽式聚光鏡在風(fēng)荷載作用下對屋面梁剪力影響很大，需采取措施以提高屋面梁斜截面抗剪承載力，滿足安全性要求.

2.2.3? 屋面梁節(jié)點(diǎn)豎向位移對比

由于屋頂安裝槽式聚光鏡，在風(fēng)荷載作用下，屋面梁彎矩和剪力增加，使得屋面梁節(jié)點(diǎn)豎向位移增加.如圖13所示，僅框架結(jié)構(gòu)時，屋面梁節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為1.22 mm，最小為0.453 mm;如圖14所示，當(dāng)屋頂安裝槽式聚光鏡后，在風(fēng)荷載作用下，屋面梁節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為2.261 mm，最小為0.536 mm，屋面梁節(jié)點(diǎn)豎向位移增大1.18～1.85倍.但根據(jù)規(guī)范規(guī)定，其允許撓度值分別是? ? 3 600 mm/200=18 mm，2 400 mm/200=12 mm，屋面梁撓度值均滿足規(guī)范規(guī)定的要求，但是撓度增加會導(dǎo)致混凝土屋面梁開裂.

2.3? ?頂層柱軸向力

如圖15所示，僅框架結(jié)構(gòu)時，頂層柱的軸向力最大值為121.834 kN，最小為39.094 kN;如圖16所示，當(dāng)屋頂安裝槽式聚光鏡后，在風(fēng)荷載作用下，頂層柱的軸向應(yīng)力最大值為456.441 kN，最小為38.287 kN，頂層柱軸力增大約3.74倍.可見在風(fēng)荷載作用下屋頂增加槽式聚光鏡對框架結(jié)構(gòu)頂層柱軸向力影響很大，應(yīng)采取措施提高柱的正截面承載力.

通過對頂層結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力及位移對比分析，在風(fēng)荷載作用下，安裝有槽式聚光鏡的屋面板彎矩增大1.21～3.75倍，屋面梁彎矩增大3.08～ 5.99倍，剪力增大5.2～12.4倍，頂層柱軸向應(yīng)力增加3.74倍，屋面板節(jié)點(diǎn)豎向位移增大1.19～1.52倍，屋面梁節(jié)點(diǎn)豎向位移增大1.18～1.85倍，因此，槽式聚光鏡在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的附加荷載對建筑物頂層結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力和變形影響很大.

3? ? 應(yīng)對措施

由上述可知，屋頂安裝槽式聚光鏡，在風(fēng)荷載作用下使得頂層結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和變形增加.內(nèi)力增加引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力不足，降低了房屋結(jié)構(gòu)的安全性.變形過大造成房屋粉刷層剝落，甚至引起屋頂滲漏，影響房屋的正常使用，同時也降低結(jié)構(gòu)的耐久性.本文提出了在屋頂安裝槽式聚光鏡設(shè)計中增加建筑頂層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的有利措施.

3.1? ?對既有建筑采取的措施

1）減輕荷載.由于槽式聚光鏡系統(tǒng)的迎風(fēng)面積大、剛度低，風(fēng)荷載會導(dǎo)致聚光鏡出現(xiàn)變形，造成系統(tǒng)能效損失，甚至發(fā)生鏡面破壞;同時也會增大建筑結(jié)構(gòu)屋頂構(gòu)件的內(nèi)力和變形，因此，可以適當(dāng)降低聚光鏡系統(tǒng)的高度.

2）屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固.在屋面梁、板及頂層柱表面粘貼碳纖維，使用碳纖維布加固混凝土構(gòu)件，以提高構(gòu)件的承載力和耐久性.

3）屋面結(jié)構(gòu)架空.當(dāng)槽式聚光鏡在風(fēng)荷載作用下對屋面產(chǎn)生的附加荷載較大時，為了降低對既有建筑的影響，可利用既有建筑墻柱的安全儲備，在頂層重新設(shè)置屋面梁板體系，以滿足頂層結(jié)構(gòu)安全性的要求.

3.2? ?對擬建建筑采取的措施

1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置.為了增強(qiáng)屋頂結(jié)構(gòu)在槽式聚光鏡立柱處的整體性，使傳力可靠，安裝立柱時，可在連接處設(shè)置兩個方向交叉的鋼筋混凝土梁，或?qū)⒘⒅贾迷谥蛪Φ奈恢?，以減小對屋面結(jié)構(gòu)的影響.

2）跨學(xué)科合作.為提高屋頂槽式聚光鏡系統(tǒng)的安全性及能效，需分析槽式聚光鏡支座布置方式及在風(fēng)荷載作用下對屋頂結(jié)構(gòu)的影響，保證槽式聚光鏡與屋頂結(jié)構(gòu)的可靠連接.為實(shí)現(xiàn)屋頂槽式聚光鏡系統(tǒng)模塊化設(shè)計，需利用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計模擬、管道碰撞檢查等;同時，要計算建筑屋頂結(jié)構(gòu)的承載能力，驗(yàn)算其變形及裂縫寬度，并解決屋面防潮、保溫及防火等問題，以上均需建筑結(jié)構(gòu)工程師與槽式聚光鏡設(shè)備師等專業(yè)人員從工業(yè)設(shè)計和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域進(jìn)行深度合作研究，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計.

4? ? 結(jié)論

屋頂槽式聚光鏡的前景十分廣闊，所蘊(yùn)含的市場潛力非常巨大，因此，發(fā)展適合我國的屋頂槽式聚光鏡對于我國生態(tài)型城市的建設(shè)、城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義.本文利用ANSYS有限元軟件對安裝屋頂槽式聚光鏡前后的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得了相應(yīng)的靜力分析結(jié)果.具體研究成果如下：

1）分析在風(fēng)荷載作用下屋頂槽式聚光鏡對頂層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力及變形的影響.屋頂槽式聚光鏡在風(fēng)荷載作用下，會增大建筑頂層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移及內(nèi)力，尤其是對屋面板和屋面梁內(nèi)力影響很大.

2）為提高建筑物頂層結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，本文從減輕槽式聚光鏡自重、加固房屋頂層結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)架空、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置及跨學(xué)科合作等方面提出了有利措施，以減小屋頂槽式聚光鏡在風(fēng)荷載作用下對屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響.

3）本文所得結(jié)論適用于與本文相近尺寸的槽式聚光鏡及建筑結(jié)構(gòu)，對于尺寸與本文原型差異較大的可能與本文的研究成果會有一定的差別.

需要指出的是，本文是關(guān)于屋頂槽式聚光鏡對屋頂結(jié)構(gòu)影響有限元分析的初步探索，還有許多問題需要做進(jìn)一步實(shí)測和試驗(yàn)研究.

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