【奧森知識分享】UPS電源及電池承重問題解決方案
當今，UPS電源系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)機房、電力設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)等場景。同時我們要注意UPS電源及配套鉛酸蓄電池重量密度是比較高的，房間或樓層是否能夠承受重量？困擾著廣大UPS電源從業(yè)人員和電力工程商。如果安裝不當，會損壞樓層建筑結(jié)構(gòu)，帶來安全隱患。為此，奧森電氣就為大家梳理一下具體安裝細節(jié)，并參考國家標準《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《民用建筑可靠性鑒定標準》相關(guān)規(guī)范，確保安裝電池架（箱柜）的樓層結(jié)構(gòu)不被破壞，推薦幾種安全有效的施工方法：
一、UPS電源及電池承重驗算的情況
1、當房間或者樓板在建筑時是按照實際的使用用途建造的，可以不用對此房間或者樓板進行承重驗算，比如《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中對UPS電源室和UPS電源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。
2、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電源室和UPS電源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(yōu)化，比如增加散力架、設(shè)備布局進行調(diào)整、樓板加固等辦法。
二、UPS電源及電池承重驗算方法
1、等效均布荷載法
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：
樓面(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。
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。
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。
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(guī)定計算：等效均布活荷載qe為
等效均布活荷載
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、可靠性鑒定
根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》規(guī)定：建筑物改變用途或使用條件時，應(yīng)該進行可靠性鑒定。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)該比值并進行等級判斷即可確認基站的可靠性等級。
l可靠性評級為“a”級，表示安裝設(shè)備后，結(jié)構(gòu)的使用荷載仍能達到原設(shè)計的要求，機房不需進行調(diào)整設(shè)備或加固。
l可靠性評級為“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，機房不需進行調(diào)整設(shè)備或加固;
l可靠性評級為“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，需要進行整改。經(jīng)整改后，能夠達到“a”級或“b”級標準的基站，可按整改后的設(shè)備布置圖進行設(shè)備安裝;對于無法通過整改達到“a”級或“b”級標準的，應(yīng)進行搬遷、擴大等處理。
以下是鑒定標準規(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。
建筑領(lǐng)域中所要求的民用建筑可靠性鑒定
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
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)進行評定，應(yīng)排除連接方式不當，構(gòu)造有嚴重缺陷，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)等方面進行評定，當其在限值之內(nèi)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(xiàn)的或深梁中出現(xiàn)的斜壓裂縫寬度進行評定，當其在限值之內(nèi)時可以認為滿足安全要求。
民用建筑安全性鑒定評級的各層次分級標準，應(yīng)按《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015的表3.3.1的規(guī)定采用。
當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)按該標準表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)范進行。
《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015的表3.3.1的規(guī)定
《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015的表3.3.1的規(guī)定
三、UPS電源及電池承重驗算舉例說明
1、等效均布荷載法舉例
在工業(yè)廠房辦公區(qū)的房間里設(shè)置UPS電源的電池室，樓板結(jié)構(gòu)為單向板。房間寬為3m、長為6m，放置1組12V/100AH的40塊100AH鉛酸蓄電池，單只電池重量為28kG，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?
等效均布荷載法舉例
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。
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。
案例拓展：客戶需要兩組電池放置在該房間，是否可以滿足承重要求？
1）計算：
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。
等效均布荷載法拓展舉例
2）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，需要進行優(yōu)化。
3）優(yōu)化:增加散力架經(jīng)過測算，當散力架尺寸為2.5×1.5m時，qe=2kN/m2=樓板設(shè)計活荷載。增加散力架(2.5×1.5m)后，滿足電池組的承重要求。
2、可靠性鑒定舉例
在工業(yè)廠房辦公區(qū)的房間里設(shè)置UPS電源電池室，樓板結(jié)構(gòu)為雙向板。房間寬為5m，長為6m，放置1組12V/100AH的40塊100Ah電池，單只電池重量為28kG，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?
1）計算
由于雙向板的彎矩計算復(fù)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(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軟件的計算結(jié)果大體相同，由于UPS電源的從業(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)值進行參考。所以采用軟件后難度大大降低。
2）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)該比值并進行等級判斷即可確認基站的可靠性等級。
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。
可靠性鑒定舉例
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。
3）結(jié)論:復(fù)驗后，和計算機軟件結(jié)果一致，滿足承重要求。
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？
1）計算
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；
l 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。
可靠性鑒定舉例2
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。
2）結(jié)論:略大于承重要求，和計算機軟件結(jié)果一致，可以進行優(yōu)化，也可以不做處理。
四、UPS電源及電池常用承重驗算方式分析
目前UPS電源工程商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；
2.設(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(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。而且當設(shè)備數(shù)量較多，設(shè)備布局復(fù)雜時，就無法進行估算。
奧森電氣從事電力設(shè)備配套產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)12年，經(jīng)眾多客戶的信息反饋，結(jié)合相關(guān)的國家規(guī)范及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準，并參考相關(guān)承重驗算文件，總結(jié)出兩種相比常用的UPS電源及電池承重估算方法較為精確的驗算方法。分享給UPS電源從業(yè)人士，方便大家在UPS設(shè)計和實施過程有所參考。
奧森電氣愿與每一位客戶一起成長，提高自身能力，組建專業(yè)工程師團隊，運用先進的生產(chǎn)及檢驗檢測設(shè)備，只為用戶提供高效優(yōu)質(zhì)的電源電力配套產(chǎn)品和專業(yè)服務(wù)，是我們奧森人不變的追求。
