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太阳能雨篷支架结构设计

发布时间:2020-01-04 16:12浏览次数:

太阳能雨篷支架结构设计

 

    要:

现代建筑中的雨篷多用钢结构支座和覆面玻璃板通过一定的方式搭接固定, 用来遮阳、避雨或是增加使用面积。雨篷的整体结构设计很重要, 主要是保证构件的安全性、耐久性和实用性, 同时在一定程度上对建筑起着装饰美化的作用。本文将太阳能绿色建筑思想融入雨篷的设计中, 把原有的覆面材料转换成新型的太阳能电池板, 并制得简易模型, 针对该模型进行细致的结构设计计算, 以获得更加科学的太阳能雨篷技术, 为该技术的实际推广应用建立必要的理论基础。

 

 

太阳能雨篷支架结构设计

Abstract:

Awnings always use steel structure bearing and cladding glass lap joint and fixed by a way in modern buildings, it is used to shade, shelter from the rain, or increase the use of the area. It's very important to the overall structural design of the awning, mainly to ensure safety, durability, and practicality of the member, someone plays the role of decorative landscaping to the building to some extent. This article is quite innovative, put solar green building ideas into the design of the awning. And the original cladding material is converted into a new type of solar panels, and then make a simple model. Here, the author will have a meticulous calculation of the model's structural design, in order to acquire the more scientific solar awning technology, and promote this technology using in a large area.

1 引言

雨篷虽然只是建筑物的辅助构件, 但却是建筑中不可缺少的部分。雨篷多处在建筑的外部, 用于遮阳和避雨。而我国大部分地区, 晴天多于雨天, 有报道说一年中雨天和晴天的比例5.2:10.19。由此可见遮阳才是雨篷的主要工作。我国地处北半球欧亚大陆的东部, 北纬18°到54°之间, 幅员辽阔, 是太阳能能源丰富的国家。我国的太阳能年辐射总量为335k J/cm2~1000k J/cm2, 年日照时数为1000h~3300h。若将这些太阳能收集并转化成可以被人类利用的能源, 将是缓解当下各种能源紧张问题的有效途径。笔者也正是看到了太阳能科技发展的两大趋势:一是光与电的结合;二是太阳能与建筑的结合, 才萌生了将雨篷覆面材料更换为太阳能电池板的想法, 那么遮阳雨篷就由原来的两个功能——遮阳、挡雨转化为三个功能——遮阳、挡雨和发电。太阳能雨篷供电可作为建筑物重要的能源来源之一, 有利于建筑节能减排[1]

本文计算分析太阳能雨篷荷载对建筑结构内力的影响并设计钢结构雨篷支座, 在保证结构的安全性、耐久性和实用性的前提下, 设计一种成本低廉且安装方便的雨棚支座, 既有利于节能环保, 又适应市场广阔的应用前景[2]

2 结构设计概况

设计一种居民房的太阳能雨篷支座, 雨篷上部的覆面材料为太阳能板。设计的雨篷模型不仅需要承受自身钢结构支座的重量, 还需要承受太阳能板的重量, 同时也要考虑雨篷的安装问题。

具体内容有以下几点:

a) 现有太阳能板设计规格为1470mm×680mm×35mm, 质量12.0kg;

b) 太阳能板雨篷支座材料选取:等边角钢和扁钢, 钢材间的连接方式为对接焊缝, 焊缝部分损耗忽略不计;

 

c) 选用角钢规格:型号4, 长度单位 (m) , 边宽40mm、厚4mm, 理论质量2.4kg/m;

d) 选用扁钢规格:其质量/米公式:w=0.00785×边宽×边厚 (单位kg/m) 。设计选用边宽40mm, 边厚选用3mm;

e) 模型为直角三角形, 两个锐角分别为60°、30°, 模型中α=30°。该钢结构支座结构模型如图1所示。

3 理论依据

该结构设计中必须要计算出钢结构支座承受太阳能板的荷载, 以及整体结构与墙体连接处螺栓的规格间距。在这个过程中需要用到结构设计的荷载效应的基本组合设计值, 即由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合, 并且在这两种组合值中选取最不利值来确定设计值。

由可变荷载效应控制的组合:

 

 

由永久荷载效应控制的组合:

 

 

式中:

S——荷载效应基本组合设计值;

γG——永久荷载分项系数, 当其效应对结构构件的承载能力不利时, 对由可变荷载效应控制的组合, 应取1.2, 对由永久荷载效应控制的组合, 应取1.35;当其效应对结构承载能力有利时, 应取1.0;

γQ1、γQi——分别为主导可变荷载Q1的分项系数和第i个可变荷载Qi的分项系数, 一般情况下应取1.4;

SGk——按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值;

SQ1k——按主导可变荷载标准值Q1k计算的荷载效应值;

SQik——按第i个可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值;

ψci——第i个可变荷载的组合值系数, 包括雪荷载、风荷载、其他可变荷载的组合值系数[3]

4 计算过程

4.1 初步确定数据

通过资料查询数据, 可解得扁钢:

 

 

所用钢材质量:

 

 

则所受重力为:

 

 

太阳能板:

 

 

太阳能雨棚板1m板上的活荷载标准值取0.5k N/m, 本案例中假设太阳能雨棚活荷载 (包括雪荷载、风荷载、人员维修等荷载) :

 

 

4.2 理论求解

对仅有一个可变荷载时, 由可变荷载效应控制的组合

 

 

由永久荷载效应控制的组合 (νG=1.35, νQ=1.4, ν0=0.7) :

 

 

两者取较不利值N=844N, 将模型简化成一个简单的桁架结构, 所受力分别是太阳能雨棚板的重力、支座重力和雨棚板面的活荷载。这里有两个雨棚支座, 择一个支座受力:

 

 

为了简化计算, 更直接方便地得到数据, 本案例中将这个均匀分布在CA面上的力看成是集中作用在A、B、C三个支点上。则:

 

 

4.3 各支点力学分析

通过上述的求解过程, 可以绘出太阳能雨篷支座模型简图, 仓储雨篷再由模型简图分析各个节点处的受力情况, 以得到与墙体连接处C、D两点的受力情况, 为连接点螺栓的选择提供具体科学的数据。图2为钢结构支座模型简图。

 

分别对A、B、C、D各点进行力学分析:

 

a) 点A:

 

 

则:

 

 

得到:FAB=303.2N (拉) , FAD=-262.58N (压)

b) 点B:

 

 

 

则:

 

 

得到:FBC=454.8N (拉) , FBD=-151.6N (压)

c) C、D为铰支与墙体连接, FCD=0N

——点C:

 

 

 

得到:FCx=-393.89N (压) , FCy=379N (剪)

——点D:

 

 

 

得到:FDx=393.87N (拉) , FDy=75.8N (剪)

由上述分点计算可知, 支座C, D点上, 最大拉力为393.87N, 最大剪力在C处, 为379N。

5 膨胀螺栓的选取

物流大篷本案例中支座与墙体的连接采用膨胀螺栓锚固。根据一系列资料, 选用M8×70, Φ12埋深45mm的膨胀螺栓 (C、D处均设置两个) 。螺栓中心点间距1.2×3.5=4.2cm, 即两边伸出的钢材长度为4.2+1.2=5.4cm, 则两边设置加长长度各为60mm。

此时增加钢材质量:

 

 

其重量为:0.11304×10=1.1304N, 对整体结构基本没有影响, 因此该模型采用膨胀螺栓锚固合适。

6 结语

在结构设计中, 钢雨篷作为建筑物的一分子, 虽然其所占比重较小, 但通过一定的设计布置, 可以将不被利用的太阳能吸收并转化成电能供建筑内部使用, 成为建筑物不可缺少的一部分。当然, 与此同时雨篷的安全性、耐久性也不容忽视, 需要设计者综合考虑各种荷载的组合效应, 整体结构与外墙锚固等情况, 在安全的前提下, 获得经济合理的结构设计模型。本文所提出的太阳能雨篷结构设计, 打破了传统的雨篷设计思路, 活跃了雨篷设计的思维, 实现绿色建筑的目的, 是新时期雨篷发展的方向[4、5]


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