UPS系統為關鍵設備提供高質量和不間斷的電源設備,應用場景非常廣泛,比如數據中心、醫療設備、工業設備等比較重要的場合。UPS的從業人員也都是和電力相關的專業,對建筑結構和相關的力學知識不了解,所以在UPS系統的設計和實施過程中,由于UPS系統的UPS主機或者電池組的重量很大,對于安裝UPS系統的房間或者樓板的承重能力是否滿足承重需要?一直困擾著UPS的從業人員,因為沒有一個相關的參考量去評估承重能力。本文通過對國家規范《建筑結構荷載規范》和《民用建筑可靠性鑒定標準》的理解,并結合相關的設計文獻,推薦兩種可以在UPS系統設計和實施中對樓板的承重能力是否滿足承重要求的驗算方法。

01承重驗算的情況
　　
　　首先我們需要知道,在什么情況下不需要進行承重驗算?在什么情況下需要進行承重驗算?
　　
　　當我們的房間或者樓板在建筑時，是按照實際的使用用途建造的，我們不用對此房間或者樓板進行承重驗算，比如《數據中心設計規范》中對UPS室和電池室的活荷載要求分別為：8～10kN/m2和16kN/m2。凡是滿足此要求的設備間，房間內的設備可以自由布置在其中的任何位置而不受限制。
　　
　　在實際應用中,大多數情況都是利用現有的辦公樓的房間做電源室,根據《建筑結構荷載規范》對辦公樓的設計要求,辦公樓的活荷載要求為:2kN/m2,相比《數據中心設計規范》對UPS室和電池室的要求小了近4～8倍,所以為了安全,必須對房間或樓板的承重能力進行驗算。如果不能滿足承重需要,就需要進行優化,比如增加散力架,設備布局進行調整,樓板加固等辦法。
　　

02承重驗算方法

1 ? 方法1
　　
　　根據《建筑結構荷載規范》,建筑樓面在生產使用或安裝檢修時，由設備、管道、運輸工具及可能拆移的隔墻產生的局部荷載，均應按實際情況考慮。可采用等效均布活荷載代替。在實際工作中，可以根據這個規定，進行簡化等效均布荷載法分析。
　　
　　確定樓面等效均布活荷載的方法規定如下:
　　
　?、贅敲?板、次梁及主梁)的等效均布活荷載,應在其設計控制部位上,根據需要按內力、變形及裂縫的等值要求來確定。在一般情況下,可僅按內力的等值來確定;
　　
　　②連續梁、板的等效均布活荷載,可按單跨簡支計算。但計算內力時,仍應按連續考慮;
　　
　?、塾捎谏a、檢修、安裝工藝以及結構布置的不同,樓面活荷載差別較大時,應劃分區域分別確定等效均布活荷載;
　　
　　④單向板上局部荷載(包括集中荷載)的等效均布活荷載可按下列規定計算:
　　
　　等效均布活荷載qe為
　　
　      　　
　　式中:l——板的跨度;
　　
　　b——板上荷載的有效分布寬度;
　　
　　Mmax——簡支單向板的絕對最大彎矩,按設備的最不利布置確定。計算Mmax時,設備荷載應乘以動力系數,并扣去設備在該板跨內所占面積上由操作荷載引起的彎矩。
　　
　　具體參數要求請參考《建筑結構荷載規范》GB50009-2012附錄C的要求。

2 ? 方法2
　　
　　根據《民用建筑可靠性鑒定標準》規定:建筑物改變用途或使用條件時,應該進行可靠性鑒定。
   在計算出原設計樓面活荷載作用下的結構構件的彎矩值與機房設備布置情況下的彎矩值后，結合結構重要性系數γ0可以求出比值R/(γ0S)，根據該比值并進行等級判斷即可確認基站的可靠性等級。
　　
　?、倏煽啃栽u級為“a”級,表示安裝設備后,結構的使用荷載仍能達到原設計的要求,機房不需進行調整設備或加固;
　　
　?、诳煽啃栽u級為“b”級,表示安裝設備后,結構的現有使用荷載比其原設計荷載要高出一些,可靠度比原設計的要求略有降低,但不顯著影響承載功能,機房不需進行調整設備或加固;
　　
　　③可靠性評級為“c”、“d”級,安裝設備后,產生的荷載效應較大幅度超過了原設計要求,顯著影響承載功能,存在安全隱患,需要進行整改。經整改后,能夠達到“a”級或“b”級標準的基站,可按整改后的設備布置圖進行設備安裝;對于無法通過整改達到“a”級或“b”級標準的,應進行搬遷、擴大等處理。
　　
　　以下是鑒定標準規范具體要求:
　　
　　建筑領域中所要求的民用建筑可靠性鑒定，可分為安全性鑒定和正常使用性鑒定兩個組成部分。
　　

　　圖1表示建筑結構構件的基本功能要求,由此圖可見,可靠性鑒定中的“安全性鑒定”部分,面向的是圖中的“安全性”要求;“正常使用性鑒定”部分則面向圖中的“適用性”和“耐久性”要求。
　　
　?、侔踩澡b定
　　
　　安全性鑒定考察的是結構構件的承載能力、構造以及不適于繼續承載的位移(或變形)和裂縫等四個方面，對于鋼結構構件只需要考慮前三個方面。
　　
　　承載能力方面是通過計算結構抗力R與結構上作用的荷載效應S進行比較,結合結構重要性系數γ0,評定結構的安全等級。構造方面是根據連接節點和受力預埋件的完好程度和工作狀態進行評定，應排除連接方式不當，構造有嚴重缺陷，已導致焊縫或螺栓等發生明顯變形、滑移、局部拉脫、剪壞或裂縫等情況。
　　
　　位移和變形方面是對桁架(屋架、托架)及其他受彎構件的撓度或施工偏差造成的側向彎曲以及柱頂的水平位移(或傾斜)等方面進行評定,當其在限值之內時可以認為滿足安全要求。裂縫方面是對受力主筋處的彎曲(含一般彎剪)裂縫和軸拉裂縫寬度斜拉裂縫以及集中荷載靠近支座處出現的或深梁中出現的斜壓裂縫寬度進行評定,當其在限值之內時可以認為滿足安全要求。
　　
　?、阼b定評級標準
　　
　　民用建筑安全性鑒定評級的各層次分級標準,應按《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015的表3.3.1的規定采用。
　　
　　當按承載能力評定混凝土結構構件的安全性等級時,應按該標準表5.2.2的規定分別評定每一驗算項目的等級,并應取其中最低等級作為該構件承載能力的安全性等級?；炷两Y構傾覆、滑移、疲勞的驗算,應按國家現行相關規范進行。
　　圖片

03承重驗算舉例說明
　　
1 ? 方法1
　　
　?、侔咐?如圖2所示,在工業廠房辦公區的房間里設置UPS的電池室,樓板結構為單向板。房間寬為3m,長為6m,放置1組山特城堡C12V系列C12-100的40塊100Ah電池,單只電池重量為28kG,電池柜采用山特SBC系列SBC-40100,電池柜尺寸為950×880×1190mm.假設樓板活荷載為2kN/m2,樓板厚為100mm,問樓板承重是否滿足安裝要求?
　　
　?、谟嬎氵^程見式(1)
　　
　　其中:l為3m.b為上荷載的有效分布寬度,按《建筑結構荷載規范》GB50009-2012附錄C.0.5確定;經過計算為3.08m.Mmax為簡支單向板的絕對最大彎矩,按設備的最不利布置確定。最不利的布置就是放置在樓板中間,經過計算為6.24kN.mqe=8×6.24÷3.08÷32=1.82kN/m2<樓板設計活荷載。
　　
　　結論:由于電池組的等效活荷載小于樓板設計活荷載,所以電池組可以任意放置。
　　
　?、郯咐卣?客戶需要兩組電池放置在該房間,是否可以滿足承重要求?見圖3。其中:l為3m.b為上荷載的有效分布寬度,按GB50009-2012附錄C.0.5確定;經過計算為3.52m。Mmax為簡支單向板的絕對最大彎矩,按設備的最不利布置確定。最不利的布置就是放置在樓板中間,經過計算為12.66kN.mqe=8×12.66÷3.52÷32=3.19kN/m2>樓板設計活荷載。
　　
　　結論:由于電池組的等效活荷載大于樓板設計活荷載，所以電池組不滿足承重要求，需要進行優化。
　　
　　優化:增加散力架經過測算,當散力架尺寸為2.5×1.5m時,qe=2kN/m2=樓板設計活荷載
　　
　　結論:增加散力架(2.5×1.5m)后,滿足電池組的承重要求。
　　

2 ? 方法2
　　
　?、侔咐?在工業廠房辦公區的房間里設置UPS的電池室,樓板結構為雙向板。房間寬為5m,長為6m,放置1組山特城堡C12V系列C12-100的40塊100Ah電池,單只電池重量為28kG,電池柜采用山特SBC系列SBC-40100,電池柜尺寸為950×880×1190mm.假設樓板活荷載為2kN/m2,樓板厚為100mm,問樓板承重是否滿足要求?
　　
　?、谟嬎阏f明:由于雙向板的彎矩計算復雜,建議采用計算機軟件《理正工具箱》幫助計算。采用了計算機軟件后,不僅對單個設備可以計算,對于多個設備也可以快算計算。經過本人測算,采用手算的等效均布荷載和計算機軟件的計算結果大體相同,由于UPS的從業人員不是建筑結構專業人士,不需要一個精確的數值進行參考。所以采用軟件后難度大大降低。
　　
　?、塾嬎氵^程
　　
　　·計算出原設計樓面活荷載作用下的結構構件的彎矩值;
　　
　　·計算電池組布置情況下的彎矩值;
　　
　　·根據該比值并進行等級判斷即可確認基站的可靠性等級。如圖5所示。
　　圖片
　　·原設計樓板跨中彎矩,水平彎矩Mxmax為7.84,垂直彎矩“Mymax為10.37;
　　
　　·放置電池組時的樓板跨中彎矩,水平彎矩Mxmax為7.05,垂直彎矩”Mymax為8.37;
　　
　　·Mxmax/”Mxmax=1.11,安全等級為A;Mymax/”Mymax=1.23,安全等級為A
　　
　　結論:鑒定為A級,滿足承重要求,電池組可以放置房間里任意位置。按方法一驗算評估:計算方法采用《建筑結構荷載設計手冊》上的雙向板樓面特效荷載計算方式,查表法得出水平和垂直方向等效荷載分別為:1.46kN/m2,1.81kN/m2。
　　
　　結論:復驗后,和計算機軟件結果一致,滿足承重要求。
　　
　?、馨咐卣?客戶需要2組電池放置在些房間,是否可以滿足承重要求?
　　
　　計算過程如下(圖6):

　　·原設計樓板跨中彎矩,水平彎矩Mxmax為7.84,垂直彎矩Mymax為10.37;
　　
　　·放置2組電池組時的樓板跨中彎矩,水平彎矩”Mxmax為8.47,垂直彎矩”Mymax為10.91;
　　
　　·Mxmax/”Mxmax=0.92安全等級為B,Mymax/”Mymax=0.95安全等級為B。
　　
　　結論:鑒定為B級,樓板結構的現有使用荷載比其原設計荷載要高出一些,可靠度比原設計的要求略有降低,但不顯著影響承載功能,按照規范可以不需要進行調整設備或加固。
　　　　按方法一驗算評估:計算方法采用《建筑結構荷載設計手冊》上的雙向板樓面特效荷載計算方式,查表法得出水平和垂直方向等效荷載分別為:2.61kN/m2和2.58kN/m2。
　　
　　結論:略大于承重要求,和計算機軟件結果一致,可以進行優化,也可以不做處理。

04常用承重驗算方式分析
　　
　　目前UPS的從業人員常用的兩種承重驗算方法:
　　
　?、俜块g面積估算法:房間的總面積×活荷載的80%≤設備的總重量;
　　
　　②設備重量÷底面積≤活荷載。
　　
　　用上面案例(3×6房間放置電池組對比)數據進行分析對比。
　　
　　第一種方法:電源間面積為3×6=18m2,總荷載為18×1.6=28.8kN=2938kG,電池總重量為2400kG,估算結果是可以放置到房間里。當采用2組電池時,如果電池放置到樓板中間,樓板承重已經不滿足了。所以此種方法沒有充分考慮設備的布局位置。雖然考慮了安全系數(80%),但是放置樓板中間后,將會造成永久的損壞。
　　
　　第二種方法設備重量1200÷0.836=1435kG/m2≈14kN/m2>活荷載2kN/m2,所以設備需要增加散力架面積為7m2,上面案例我們已經計算出當采用一組電池時,房間承重滿足要求,可以任意放置。放置2組電池組增加散力架面積為3.75m2。采用這種方式計算的散力架是實際的約2倍,當放置2組時散力架已接近整個房間面積。所以現場應用中,這種方法只適合重量較小設備。
　　
　　經過對比發現,在設計和實施應用中,采用以上兩種方法均會出現弊端。而且當設備數量較多,設備布局復雜時,就無法進行估算?！　?/p>

05結束語
　　
　　 作者從事UPS行業已有十多年,UPS系統設計、安裝及實施也有許多實戰經驗,設計和安裝過程中采用的就是常規大家普遍使用的兩種方法,雖然心里也常打鼓,但也沒有發現樓板有壓塌的情況,后經過了解結構力學方面的知識,發現樓板的損壞不是壓塌為標準。當樓板超重后,墻體和承重梁會出現裂紋等現象,整體建筑的壽命會減少,假如建筑設計壽命是50年,那么超重后出現了損壞。建筑壽命會折損。
　　
　　經過學習相關的國家規范及建筑結構設計手冊,并參考相關承重驗算文件,總結出兩種相比常用的估算方法較為精確的驗算方法。分享給UPS行業內從業人士,方便大家在UPS設計和實施過程有所參考。如果大家對此種計算方法有異議的,歡迎大家來一塊探討。

                                                                                                                                                文章來源于網絡

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