蓄电池的承重.doc

第七届全国铅酸蓄电池学术年会论文 论文编号（36）
VRLA蓄电池的承重设计及分析
Design and Analysis of Bear the Weight for VRLA Battery
许卫疆 张宾 肖奕晖 刘业东
深圳华达电源系统有限公司(518067)

摘 要 VRLA蓄电池系统质量较大，当其安装于楼层上时，其安装与布局方式的正确与否对建筑物的安全有着极大的影响。本文应用结构力学和材料力学原理，对在蓄电池作用下，楼板的受力，破坏形式进行了分析及计算，给出了等效均布荷载的计算方法，为蓄电池系统的安全安装与布局提供了理论依据。
关键词 VRLA蓄电池 等效均布荷载 承载能力

Abstract When a set of battery system is installed on second and upper floor, it’s layout is very important to the safety of building because of it’s weight. In this paper, structural mechanics and material mechanics are applied to analyze the load and the demolish condition of floor. The method of calculating equivalent average load is also obtained in this paper. Some principles of layout are provided at the end of this paper.
Key words Valve regulated lead acid battery uniformly distributed load carrying capacity

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第七届全国铅酸蓄电池学术年会论文 论文编号（36）
1. 前言
VRLA电池由于其优良的性能及便于安装维护的特点，得到了越来越广泛的应用。就目前而言，用作通信设备的后备电源占了它使用量的绝大多数，如今几乎所有的交换机房和GSM基站使用的都是VRLA电池。但VRLA电池也有一个无法克服的不足之处，它质量太大，一方面在无法使用机械的地方，会给它的搬运安装带来一些困难，另一方面对交换机房和用作GSM基站的楼房安全也是一个考验。交换机房和GSM基站都应是专门设计的建筑，但绝大多数的GSM基站做不到这一点，从金钱及时间上考虑，GSM基站多是租用位置适当的现有民房，在楼上安装所需设备，建成GSM基站。但一般的民用建筑承载能力都比较小，质量较大的蓄电池安装方式的正确与否对基站的安全就有着很大的影响。因此，对蓄电池进行楼板承重的设计和分析，一方面可以校核楼板的安全性，一方面还可以指导蓄电池的安装方式以降低楼板的负荷，提高其承载能力，这对于目前基站的建设具有重要意义，并将进一步推动VRLA电池的应用。
2. 楼板的受力及破坏形式
要对蓄电池安装于楼板上时的承重问题进行分析，应先对楼房、楼板的结构作一简要分析。
现代楼房多为框架结构，这种结构以钢筋混凝土浇注的柱和梁构成整幢楼房的基本框架，在梁上铺设（或浇注）楼板，楼板或梁上建隔墙，从而完成整个楼房的建造。楼房内所受的力一般经过 楼板 → （次梁） → 主梁 → 柱 的路线传至地面。
2.1 楼板的结构

图 2-2 楼板平面结构图

图 2-1 楼板截面结构图

板和梁是工程结构中最常见的受弯构件，基本上都是用钢筋混凝土制成，分预制与现浇两种，其基本结构如图2-1、图2-2所示。
图 2-3 楼板(粱)受力形式图截面结构图

从材料力学的观点来看，可将楼板看成一比较宽的梁，其受力如图2-3所示。楼板（或梁）在荷载作用下将发生弯曲，受弯以后，受拉区的的拉力主要由钢筋承受，受压区的压力主要由混凝土承受。
2.2 楼板的破坏
设计合理的楼板，其破坏过程为塑性破坏，基本过程如下：当荷载逐步增大时，楼板所受弯矩也不断增大，楼板底部的混凝土达到抗拉极限而开裂，此时拉区的的拉力全部由钢筋承担，而压区的混凝土由于压力的增加表现出塑性性能；荷载进一步增大，钢筋应力达到其屈服极限，变形急剧增加，裂缝迅速向上扩展，受压区高度迅速减小，混凝土压应力迅速增大，直至被压碎，构件破坏。
3. 蓄电池安装于楼板上时的承重计算
3.1 等效均布荷载
建筑物中楼板和梁的承载能力，在设计时一般都是按均布荷载来计算的，即假定楼板上每一块面积相等的地方都承受了大小相等的力，其工程单位是kg/m2， 现已逐步采用国际单位制kN/m2 ，1 kN/m2 ≈ 100 kg/m2
但在实际当中，楼板上受到的设备的压力多为集中荷载或局部荷载，不少人在计算楼板的承载能力时，一般是将设备重量与设备底面积的比值与楼板的设计承重值进行比较，若重量与面积的比值大于设计值，则认为不安全，这种算法并不正确。如前所述，楼板的破坏，究其根源，是楼板所受的最大弯矩超过了其许可值而造成的，仅用设备总重量除以总面积的算法，割裂了楼板的整体性，是不科学的。科学的方法，是把这些集中荷载或局部荷载按内力（弯矩、剪力等）、变形或裂缝的等值要求换算成均布荷载，作为计算楼板承载能力的依据。在一般情况下可仅用内力等值的原则确定，根据内力的性质又可分为按弯矩换算的等效均布荷载和和按剪力换算的等效均布荷载。大多数情况下，我们按弯矩等效来计算均布荷载。
3.2 等效均布荷载的计算
3.2.1 有效分布宽度
作用在钢筋混凝土单向板上的局部荷载，使板在一定宽度内发生弯曲，所以这个局部荷载可看作分布在“有效分布宽度”b上进行计算。b值的确定见表3-1。
表3-1

荷载长边平行于板跨
荷载长边垂直于板跨

tx≥ty

tx2.2l
b
ty+0.7l
0.6ty+0.73l
（2/3）ty+0.73l
ty
式中：l —— 板的跨度
tx —— 平行于板跨的荷载计算宽度
ty —— 垂直于板跨的荷载计算宽度
表中集中(局部)荷载的计算宽度(tx ，ty)是考虑到它传到板上还有一个分布宽度的缘故。其中
tx=ax+2s+h
ty=ay+2s+h
式中 s —— 垫层厚度
h —— 楼板的厚度
3.2.2 等效均布荷载的计算方法：
计算钢筋混凝土单向板在集中（局部）荷载作用下的等效均布荷载时，不考虑板的连续性，用单跨简支的计算简图进行换算。其等效均布荷载qe可按下式计算：
式中
l0 — 板的计算跨度；
b — 板上局部荷载的有效分布宽度；
Mmax — 简支板的绝对最大弯矩。
3.3 实际应用
在实际工作中，我们碰到很多需要计算楼板承重的问题，其典型例子如下：
一楼房的楼板跨距为2.5m，楼板承重200kg/m2，需安装48V-300Ah电池两组，问楼板是否安全？应采用何种安装方式？
华达电源系统公司生产的48V-300Ah的电池有三种典型安装方式（如图3-1）。其中，四层安装适于承重足够而空间较小，单层安装则适于承重稍显薄弱而空间较大。这几种安装方式，分别采用按总重量除以底面积和上文讨论的按等效均布荷载的算法，得出所需的楼板承重如表3-2所示：

图3-1 48V-300Ah电池的几种典型安装方式
表3-2
安装方式
总重量/总面积（kg/m2）
等效均布荷载值（kg/m2）
四层单列
1668
178
二层二列
834
143
单层四列
417
102
从以上结果可以看出，若采用总重量比总面积的算法，即使按单层安装，大部分的民用建筑都不能建基站。但采用计算等效均布荷载的方法，一般承重在200kg/m2以上的楼房都可以按单层四列或二层二列的方式安装电池 此处等效均布荷载的计算不包括基站的其他设备和安装人员，实际工作时应留有一定安全裕度。
。事实上，我们已经有很多基站建在了一般民用建筑中，而且在部分基站中还采用了二层二列的安装方式，到目前为止，所有基站都运行良好。
我们在实际工作当中，应用此方法，将本公司生产的各种型号的电池，按24V和48V两种典型应用，计算了各种安装方式在不同的楼板跨距下对楼板造成的等效均布荷载，并制成表格，供我公司的销售人员和客户使用参考，收到了良好的效果。
4.结论
因受条件限制，重量很大的VRLA电池必须安装在楼上时，应采取科学的方法慎重处理。从计算等效均布荷载的公式可知，要减小楼板的负荷，无非就是减小楼板所受的弯矩和增大等效宽度，我们可以采取以下几种方法：
1．在面积许可的情况下，尽量减少电池安装的层数；
2．在位置许可的情况下，电池安装应尽量靠近梁或承重墙；
3．电池底部加垫层；
4．当有两组电池需安装于一个房间内时，这两组电池间应尽可能分开，距离分得越开越好（比如将它们分别安装于房间的两个对角）；
5．在采取了以上措施后，如楼板承重仍达不到要求，可在电池系统底部加装槽钢，槽钢两头支撑在梁或承重墙上，相当于用槽钢而不是楼板来承受电池重量，但此时需对梁或承重墙的强度进行校核。

参考文献
1 建筑结构荷载设计手册/陈基发，沙志国编. —北京：中国建筑工业出版社，1997：26~53
2 钢筋混凝土结构件计算/倪吉昌，姚仲贤 等编. —北京：中国建筑工业出版社，1984
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