UPS系统为关键设备提供高质量和不间断的电源设备,应用场景非常广泛,比如数据中心、医疗设备、工业设备等比较重要的场合。UPS的从业人员也都是和电力相关的专业,对建筑结构和相关的力学知识不了解,所以在UPS系统的设计和实施过程中,由于UPS系统的UPS主机或者电池组的重量很大,对于安装UPS系统的房间或者楼板的承重能力是否满足承重需要?一直困扰着UPS的从业人员,因为没有一个相关的参考量去评估承重能力。本文通过对国家规范《建筑结构荷载规范》和《民用建筑可靠性鉴定标准》的理解,并结合相关的设计文献,推荐两种可以在UPS系统设计和实施中对楼板的承重能力是否满足承重要求的验算方法。
　　
　　1 承重验算的情况
　　
　　首先我们需要知道,在什么情况下不需要进行承重验算?在什么情况下需要进行承重验算?
　　
　　当我们的房间或者楼板在建筑时，是按照实际的使用用途建造的，我们不用对此房间或者楼板进行承重验算，比如《数据中心设计规范》中对UPS室和电池室的活荷载要求分别为：8～10kN/m2和16kN/m2。凡是满足此要求的设备间，房间内的设备可以自由布置在其中的任何位置而不受限制。
　　
　　在实际应用中,大多数情况都是利用现有的办公楼的房间做电源室,根据《建筑结构荷载规范》对办公楼的设计要求,办公楼的活荷载要求为:2kN/m2,相比《数据中心设计规范》对UPS室和电池室的要求小了近4～8倍,所以为了安全,必须对房间或楼板的承重能力进行验算。如果不能满足承重需要,就需要进行优化,比如增加散力架,设备布局进行调整,楼板加固等办法。
　　
　　2 承重验算方法
　　
　　(1)方法1
　　
　　根据《建筑结构荷载规范》,建筑楼面在生产使用或安装检修时，由设备、管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的局部荷载，均应按实际情况考虑。可采用等效均布活荷载代替。在实际工作中，可以根据这个规定，进行简化等效均布荷载法分析。
　　
　　确定楼面等效均布活荷载的方法规定如下:
　　
　　①楼面(板、次梁及主梁)的等效均布活荷载,应在其设计控制部位上,根据需要按内力、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般情况下,可仅按内力的等值来确定;
　　
　　②连续梁、板的等效均布活荷载,可按单跨简支计算。但计算内力时,仍应按连续考虑;
　　
　　③由于生产、检修、安装工艺以及结构布置的不同,楼面活荷载差别较大时,应划分区域分别确定等效均布活荷载;
　　
　　④单向板上局部荷载(包括集中荷载)的等效均布活荷载可按下列规定计算:
　　
　　等效均布活荷载qe为
　　
　       　(1)
　　
　　式中:l——板的跨度;
　　
　　b——板上荷载的有效分布宽度;
　　
　　Mmax——简支单向板的绝对最大弯矩,按设备的最不利布置确定。计算Mmax时,设备荷载应乘以动力系数,并扣去设备在该板跨内所占面积上由操作荷载引起的弯矩。
　　
　　具体参数要求请参考《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录C的要求。
　　
　　(2)方法2
　　
　　根据《民用建筑可靠性鉴定标准》规定:建筑物改变用途或使用条件时,应该进行可靠性鉴定。

   在计算出原设计楼面活荷载作用下的结构构件的弯矩值与机房设备布置情况下的弯矩值后，结合结构重要性系数γ0可以求出比值R/(γ0S)，根据该比值并进行等级判断即可确认基站的可靠性等级。
　　
　　①可靠性评级为“a”级,表示安装设备后,结构的使用荷载仍能达到原设计的要求,机房不需进行调整设备或加固;
　　
　　②可靠性评级为“b”级,表示安装设备后,结构的现有使用荷载比其原设计荷载要高出一些,可靠度比原设计的要求略有降低,但不显著影响承载功能,机房不需进行调整设备或加固;
　　
　　③可靠性评级为“c”、“d”级,安装设备后,产生的荷载效应较大幅度超过了原设计要求,显著影响承载功能,存在安全隐患,需要进行整改。经整改后,能够达到“a”级或“b”级标准的基站,可按整改后的设备布置图进行设备安装;对于无法通过整改达到“a”级或“b”级标准的,应进行搬迁、扩大等处理。
　　
　　以下是鉴定标准规范具体要求:
　　
　　建筑领域中所要求的民用建筑可靠性鉴定，可分为安全性鉴定和正常使用性鉴定两个组成部分。
　　
　　图1表示建筑结构构件的基本功能要求,由此图可见,可靠性鉴定中的“安全性鉴定”部分,面向的是图中的“安全性”要求;“正常使用性鉴定”部分则面向图中的“适用性”和“耐久性”要求。
　　
　　①安全性鉴定
　　
　　安全性鉴定考察的是结构构件的承载能力、构造以及不适于继续承载的位移(或变形)和裂缝等四个方面，对于钢结构构件只需要考虑前三个方面。
　　
　　承载能力方面是通过计算结构抗力R与结构上作用的荷载效应S进行比较,结合结构重要性系数γ0,评定结构的安全等级。构造方面是根据连接节点和受力预埋件的完好程度和工作状态进行评定，应排除连接方式不当，构造有严重缺陷，已导致焊缝或螺栓等发生明显变形、滑移、局部拉脱、剪坏或裂缝等情况。
　　
　　位移和变形方面是对桁架(屋架、托架)及其他受弯构件的挠度或施工偏差造成的侧向弯曲以及柱顶的水平位移(或倾斜)等方面进行评定,当其在限值之内时可以认为满足安全要求。裂缝方面是对受力主筋处的弯曲(含一般弯剪)裂缝和轴拉裂缝宽度斜拉裂缝以及集中荷载靠近支座处出现的或深梁中出现的斜压裂缝宽度进行评定,当其在限值之内时可以认为满足安全要求。
　　
　　②鉴定评级标准
　　
　　民用建筑安全性鉴定评级的各层次分级标准,应按《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015的表3.3.1的规定采用。
　　
　　当按承载能力评定混凝土结构构件的安全性等级时,应按该标准表5.2.2的规定分别评定每一验算项目的等级,并应取其中最低等级作为该构件承载能力的安全性等级。混凝土结构倾覆、滑移、疲劳的验算,应按国家现行相关规范进行。
　　
　　3 承重验算举例说明
　　
　　(1)方法1
　　
　　①案例:如图2所示,在工业厂房办公区的房间里设置UPS的电池室,楼板结构为单向板。房间宽为3m,长为6m,放置1组山特城堡C12V系列C12-100的40块100Ah电池,单只电池重量为28kG,电池柜采用山特SBC系列SBC-40100,电池柜尺寸为950×880×1190mm.假设楼板活荷载为2kN/m2,楼板厚为100mm,问楼板承重是否满足安装要求?
　　
　　②计算过程见式(1)
　　
　　其中:l为3m.b为上荷载的有效分布宽度,按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录C.0.5确定;经过计算为3.08m.Mmax为简支单向板的绝对最大弯矩,按设备的最不利布置确定。最不利的布置就是放置在楼板中间,经过计算为6.24kN.mqe=8×6.24÷3.08÷32=1.82kN/m2<楼板设计活荷载。
　　
　　结论:由于电池组的等效活荷载小于楼板设计活荷载,所以电池组可以任意放置。
　　
　　③案例拓展:客户需要两组电池放置在该房间,是否可以满足承重要求?见图3。其中:l为3m.b为上荷载的有效分布宽度,按GB50009-2012附录C.0.5确定;经过计算为3.52m。Mmax为简支单向板的绝对最大弯矩,按设备的最不利布置确定。最不利的布置就是放置在楼板中间,经过计算为12.66kN.mqe=8×12.66÷3.52÷32=3.19kN/m2>楼板设计活荷载。
　　
　　结论:由于电池组的等效活荷载大于楼板设计活荷载，所以电池组不满足承重要求，需要进行优化。
　　
　　优化:增加散力架经过测算,当散力架尺寸为2.5×1.5m时,qe=2kN/m2=楼板设计活荷载
　　
　　结论:增加散力架(2.5×1.5m)后,满足电池组的承重要求。如图4所示。
　　
　　(2)方法2
　　
　　①案例:在工业厂房办公区的房间里设置UPS的电池室,楼板结构为双向板。房间宽为5m,长为6m,放置1组山特城堡C12V系列C12-100的40块100Ah电池,单只电池重量为28kG,电池柜采用山特SBC系列SBC-40100,电池柜尺寸为950×880×1190mm.假设楼板活荷载为2kN/m2,楼板厚为100mm,问楼板承重是否满足要求?
　　
　　②计算说明:由于双向板的弯矩计算复杂,建议采用计算机软件《理正工具箱》帮助计算。采用了计算机软件后,不仅对单个设备可以计算,对于多个设备也可以快算计算。经过本人测算,采用手算的等效均布荷载和计算机软件的计算结果大体相同,由于UPS的从业人员不是建筑结构专业人士,不需要一个精确的数值进行参考。所以采用软件后难度大大降低。
　　
　　③计算过程
　　
　　·计算出原设计楼面活荷载作用下的结构构件的弯矩值;
　　
　　·计算电池组布置情况下的弯矩值;
　　
　　·根据该比值并进行等级判断即可确认基站的可靠性等级。如图5所示。
　　
　　·原设计楼板跨中弯矩,水平弯矩Mxmax为7.84,垂直弯矩“Mymax为10.37;
　　
　　·放置电池组时的楼板跨中弯矩,水平弯矩Mxmax为7.05,垂直弯矩”Mymax为8.37;
　　
　　·Mxmax/”Mxmax=1.11,安全等级为A;Mymax/”Mymax=1.23,安全等级为A
　　
　　结论:鉴定为A级,满足承重要求,电池组可以放置房间里任意位置。按方法一验算评估:计算方法采用《建筑结构荷载设计手册》上的双向板楼面特效荷载计算方式,查表法得出水平和垂直方向等效荷载分别为:1.46kN/m2,1.81kN/m2。
　　
　　结论:复验后,和计算机软件结果一致,满足承重要求。
　　
　　④案例拓展:客户需要2组电池放置在些房间,是否可以满足承重要求?
　　
　　计算过程如下(图6):
　　
　　·原设计楼板跨中弯矩,水平弯矩Mxmax为7.84,垂直弯矩Mymax为10.37;
　　
　　·放置2组电池组时的楼板跨中弯矩,水平弯矩”Mxmax为8.47,垂直弯矩”Mymax为10.91;
　　
　　·Mxmax/”Mxmax=0.92安全等级为B,Mymax/”Mymax=0.95安全等级为B。
　　
　　结论:鉴定为B级,楼板结构的现有使用荷载比其原设计荷载要高出一些,可靠度比原设计的要求略有降低,但不显著影响承载功能,按照规范可以不需要进行调整设备或加固。
　　
　　按方法一验算评估:计算方法采用《建筑结构荷载设计手册》上的双向板楼面特效荷载计算方式,查表法得出水平和垂直方向等效荷载分别为:2.61kN/m2和2.58kN/m2。
　　
　　结论:略大于承重要求,和计算机软件结果一致,可以进行优化,也可以不做处理。
　　
　　4 常用承重验算方式分析
　　
　　目前UPS的从业人员常用的两种承重验算方法:
　　
　　①房间面积估算法:房间的总面积×活荷载的80%≤设备的总重量;
　　
　　②设备重量÷底面积≤活荷载。
　　
　　用上面案例(3×6房间放置电池组对比)数据进行分析对比。
　　
　　第一种方法:电源间面积为3×6=18m2,总荷载为18×1.6=28.8kN=2938kG,电池总重量为2400kG,估算结果是可以放置到房间里。当采用2组电池时,如果电池放置到楼板中间,楼板承重已经不满足了。所以此种方法没有充分考虑设备的布局位置。虽然考虑了安全系数(80%),但是放置楼板中间后,将会造成永久的损坏。
　　
　　第二种方法设备重量1200÷0.836=1435kG/m2≈14kN/m2>活荷载2kN/m2,所以设备需要增加散力架面积为7m2,上面案例我们已经计算出当采用一组电池时,房间承重满足要求,可以任意放置。放置2组电池组增加散力架面积为3.75m2。采用这种方式计算的散力架是实际的约2倍,当放置2组时散力架已接近整个房间面积。所以现场应用中,这种方法只适合重量较小设备。
　　
　　经过对比发现,在设计和实施应用中,采用以上两种方法均会出现弊端。而且当设备数量较多,设备布局复杂时,就无法进行估算。
　　
　　5 结束语
　　
　　本人从事UPS行业已有十多年,UPS系统设计、安装及实施也有许多实战经验,设计和安装过程中采用的就是常规大家普遍使用的两种方法,虽然心里也常打鼓,但也没有发现楼板有压塌的情况,后经过了解结构力学方面的知识,发现楼板的损坏不是压塌为标准。当楼板超重后,墙体和承重梁会出现裂纹等现象,整体建筑的寿命会减少,假如建筑设计寿命是50年,那么超重后出现了损坏。建筑寿命会折损。
　　
　　经过学习相关的国家规范及建筑结构设计手册,并参考相关承重验算文件,总结出两种相比常用的估算方法较为精确的验算方法。分享给UPS行业内从业人士,方便大家在UPS设计和实施过程有所参考。如果大家对此种计算方法有异议的,欢迎大家来一块探讨。
　　
　　作者简介
　　
　　裴跃冬,目前任职于伊顿电气电能质量业务部,负责山特UPS华北区及西北区售前负责人。获得国家一级建造师执业资格。从事数据中心物理基础设施的设计及技术支持工作已有十多年经验,对UPS系统设计及实施更有独特的见解。
　　
　　编辑：Harris