UPS系統(tǒng)為關(guān)鍵設(shè)備提供高質(zhì)量和不間斷的電源設(shè)備,應(yīng)用場景非常廣泛,比如數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等比較重要的場合。UPS的從業(yè)人員也都是和電力相關(guān)的專業(yè),對建筑結(jié)構(gòu)和相關(guān)的力學(xué)知識不了解,所以在UPS系統(tǒng)的設(shè)計和實施過程中,由于UPS系統(tǒng)的UPS主機(jī)或者電池組的重量很大,對于安裝UPS系統(tǒng)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(yè)人員,因為沒有一個相關(guān)的參考量去評估承重能力。本文通過對國家規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的理解,并結(jié)合相關(guān)的設(shè)計文獻(xiàn),推薦兩種可以在UPS系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行承重驗算?在什么情況下需要進(jìn)行承重驗算?
　　
　　當(dāng)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(jìn)行承重驗算，比如《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)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(shè)備間，房間內(nèi)的設(shè)備可以自由布置在其中的任何位置而不受限制。
　　
　　在實際應(yīng)用中,大多數(shù)情況都是利用現(xiàn)有的辦公樓的房間做電源室,根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對辦公樓的設(shè)計要求,辦公樓的活荷載要求為:2kN/m2,相比《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)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(jìn)行驗算。如果不能滿足承重需要,就需要進(jìn)行優(yōu)化,比如增加散力架,設(shè)備布局進(jìn)行調(diào)整,樓板加固等辦法。
　　

02承重驗算方法

1 ? 方法1
　　
　　根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,建筑樓面在生產(chǎn)使用或安裝檢修時，由設(shè)備、管道、運輸工具及可能拆移的隔墻產(chǎn)生的局部荷載，均應(yīng)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(jù)這個規(guī)定，進(jìn)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(guī)定如下:
　　
　?、贅敲?板、次梁及主梁)的等效均布活荷載,應(yīng)在其設(shè)計控制部位上,根據(jù)需要按內(nèi)力、變形及裂縫的等值要求來確定。在一般情況下,可僅按內(nèi)力的等值來確定;
　　
　　②連續(xù)梁、板的等效均布活荷載,可按單跨簡支計算。但計算內(nèi)力時,仍應(yīng)按連續(xù)考慮;
　　
　　③由于生產(chǎn)、檢修、安裝工藝以及結(jié)構(gòu)布置的不同,樓面活荷載差別較大時,應(yīng)劃分區(qū)域分別確定等效均布活荷載;
　　
　?、軉蜗虬迳暇植亢奢d(包括集中荷載)的等效均布活荷載可按下列規(guī)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(shè)備的最不利布置確定。計算Mmax時,設(shè)備荷載應(yīng)乘以動力系數(shù),并扣去設(shè)備在該板跨內(nèi)所占面積上由操作荷載引起的彎矩。
　　
　　具體參數(shù)要求請參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012附錄C的要求。

2 ? 方法2
　　
　　根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:建筑物改變用途或使用條件時,應(yīng)該進(jìn)行可靠性鑒定。
   在計算出原設(shè)計樓面活荷載作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎矩值與機(jī)房設(shè)備布置情況下的彎矩值后，結(jié)合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0可以求出比值R/(γ0S)，根據(jù)該比值并進(jìn)行等級判斷即可確認(rèn)基站的可靠性等級。
　　
　　①可靠性評級為“a”級,表示安裝設(shè)備后,結(jié)構(gòu)的使用荷載仍能達(dá)到原設(shè)計的要求,機(jī)房不需進(jìn)行調(diào)整設(shè)備或加固;
　　
　?、诳煽啃栽u級為“b”級,表示安裝設(shè)備后,結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有使用荷載比其原設(shè)計荷載要高出一些,可靠度比原設(shè)計的要求略有降低,但不顯著影響承載功能,機(jī)房不需進(jìn)行調(diào)整設(shè)備或加固;
　　
　?、劭煽啃栽u級為“c”、“d”級,安裝設(shè)備后,產(chǎn)生的荷載效應(yīng)較大幅度超過了原設(shè)計要求,顯著影響承載功能,存在安全隱患,需要進(jìn)行整改。經(jīng)整改后,能夠達(dá)到“a”級或“b”級標(biāo)準(zhǔn)的基站,可按整改后的設(shè)備布置圖進(jìn)行設(shè)備安裝;對于無法通過整改達(dá)到“a”級或“b”級標(biāo)準(zhǔn)的,應(yīng)進(jìn)行搬遷、擴(kuò)大等處理。
　　
　　以下是鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范具體要求:
　　
　　建筑領(lǐng)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(jié)構(gòu)構(gòu)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。
　　
　　①安全性鑒定
　　
　　安全性鑒定考察的是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力、構(gòu)造以及不適于繼續(xù)承載的位移(或變形)和裂縫等四個方面，對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件只需要考慮前三個方面。
　　
　　承載能力方面是通過計算結(jié)構(gòu)抗力R與結(jié)構(gòu)上作用的荷載效應(yīng)S進(jìn)行比較,結(jié)合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0,評定結(jié)構(gòu)的安全等級。構(gòu)造方面是根據(jù)連接節(jié)點和受力預(yù)埋件的完好程度和工作狀態(tài)進(jìn)行評定，應(yīng)排除連接方式不當(dāng)，構(gòu)造有嚴(yán)重缺陷，已導(dǎo)致焊縫或螺栓等發(fā)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(gòu)件的撓度或施工偏差造成的側(cè)向彎曲以及柱頂?shù)乃轿灰?或傾斜)等方面進(jìn)行評定,當(dāng)其在限值之內(nèi)時可以認(rèn)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(xiàn)的或深梁中出現(xiàn)的斜壓裂縫寬度進(jìn)行評定,當(dāng)其在限值之內(nèi)時可以認(rèn)為滿足安全要求。
　　
　?、阼b定評級標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　民用建筑安全性鑒定評級的各層次分級標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)按《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB50292-2015的表3.3.1的規(guī)定采用。
　　
　　當(dāng)按承載能力評定混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性等級時,應(yīng)按該標(biāo)準(zhǔn)表5.2.2的規(guī)定分別評定每一驗算項目的等級,并應(yīng)取其中最低等級作為該構(gòu)件承載能力的安全性等級?；炷两Y(jié)構(gòu)傾覆、滑移、疲勞的驗算,應(yīng)按國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進(jìn)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(yè)廠房辦公區(qū)的房間里設(shè)置UPS的電池室,樓板結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012附錄C.0.5確定;經(jīng)過計算為3.08m.Mmax為簡支單向板的絕對最大彎矩,按設(shè)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(jīng)過計算為6.24kN.mqe=8×6.24÷3.08÷32=1.82kN/m2<樓板設(shè)計活荷載。
　　
　　結(jié)論:由于電池組的等效活荷載小于樓板設(shè)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(jīng)過計算為3.52m。Mmax為簡支單向板的絕對最大彎矩,按設(shè)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(jīng)過計算為12.66kN.mqe=8×12.66÷3.52÷32=3.19kN/m2>樓板設(shè)計活荷載。
　　
　　結(jié)論:由于電池組的等效活荷載大于樓板設(shè)計活荷載，所以電池組不滿足承重要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。
　　
　　優(yōu)化:增加散力架經(jīng)過測算,當(dāng)散力架尺寸為2.5×1.5m時,qe=2kN/m2=樓板設(shè)計活荷載
　　
　　結(jié)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
　　
　　①案例:在工業(yè)廠房辦公區(qū)的房間里設(shè)置UPS的電池室,樓板結(jié)構(gòu)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(shè)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(fù)雜,建議采用計算機(jī)軟件《理正工具箱》幫助計算。采用了計算機(jī)軟件后,不僅對單個設(shè)備可以計算,對于多個設(shè)備也可以快算計算。經(jīng)過本人測算,采用手算的等效均布荷載和計算機(jī)軟件的計算結(jié)果大體相同,由于UPS的從業(yè)人員不是建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)人士,不需要一個精確的數(shù)值進(jìn)行參考。所以采用軟件后難度大大降低。
　　
　　③計算過程
　　
　　·計算出原設(shè)計樓面活荷載作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎矩值;
　　
　　·計算電池組布置情況下的彎矩值;
　　
　　·根據(jù)該比值并進(jìn)行等級判斷即可確認(rèn)基站的可靠性等級。如圖5所示。
　　圖片
　　·原設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)荷載設(shè)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(jié)論:復(fù)驗后,和計算機(jī)軟件結(jié)果一致,滿足承重要求。
　　
　　④案例拓展: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(shè)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(jié)論:鑒定為B級,樓板結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有使用荷載比其原設(shè)計荷載要高出一些,可靠度比原設(shè)計的要求略有降低,但不顯著影響承載功能,按照規(guī)范可以不需要進(jìn)行調(diào)整設(shè)備或加固。
　　　　按方法一驗算評估:計算方法采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)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(jié)論:略大于承重要求,和計算機(jī)軟件結(jié)果一致,可以進(jìn)行優(yōu)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(yè)人員常用的兩種承重驗算方法:
　　
　　①房間面積估算法:房間的總面積×活荷載的80%≤設(shè)備的總重量;
　　
　?、谠O(shè)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(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果是可以放置到房間里。當(dāng)采用2組電池時,如果電池放置到樓板中間,樓板承重已經(jīng)不滿足了。所以此種方法沒有充分考慮設(shè)備的布局位置。雖然考慮了安全系數(shù)(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(shè)備重量1200÷0.836=1435kG/m2≈14kN/m2>活荷載2kN/m2,所以設(shè)備需要增加散力架面積為7m2,上面案例我們已經(jīng)計算出當(dāng)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(dāng)放置2組時散力架已接近整個房間面積。所以現(xiàn)場應(yīng)用中,這種方法只適合重量較小設(shè)備。
　　
　　經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),在設(shè)計和實施應(yīng)用中,采用以上兩種方法均會出現(xiàn)弊端。而且當(dāng)設(shè)備數(shù)量較多,設(shè)備布局復(fù)雜時,就無法進(jìn)行估算。　　

05結(jié)束語
　　
　　 作者從事UPS行業(yè)已有十多年,UPS系統(tǒng)設(shè)計、安裝及實施也有許多實戰(zhàn)經(jīng)驗,設(shè)計和安裝過程中采用的就是常規(guī)大家普遍使用的兩種方法,雖然心里也常打鼓,但也沒有發(fā)現(xiàn)樓板有壓塌的情況,后經(jīng)過了解結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的知識,發(fā)現(xiàn)樓板的損壞不是壓塌為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)樓板超重后,墻體和承重梁會出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象,整體建筑的壽命會減少,假如建筑設(shè)計壽命是50年,那么超重后出現(xiàn)了損壞。建筑壽命會折損。
　　
　　經(jīng)過學(xué)習(xí)相關(guān)的國家規(guī)范及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊,并參考相關(guān)承重驗算文件,總結(jié)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(yè)內(nèi)從業(yè)人士,方便大家在UPS設(shè)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。

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UPS電源安裝維修，找山東億達(dá)，70人技術(shù)團(tuán)隊，4006866839.

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