基于Sap2000柔性光伏支架结构分析

梁玉红1     ,高兴胜2

1 山东电力工程咨询院有限公司   济南2  山东奥翔电力工程设计咨询院有限公司  济南

摘要：本文针对土地集约化利用地区的柔性光伏支架提出采用桁架索的方案，利用SAP2000结构有限元分析软件对30m跨度的预应力张拉索结构应力与变形进行分析，结果表明柔性桁架索光伏支架的预应力索符合光伏支架承载力与刚度的设计要求，并对预应力张拉索的张力范围进行了计算，为今后的相似工程设计提供参考。

关键词：预应力索， 柔性桁架索，光伏支架，Sap2000

0 引言

随着经济化石能源日渐枯竭，不可再生能源供给不足成为人类社会发展的首要问题之一，而开发和利用可再生能源则是现今解决能源问题的策略之一。目前今太阳能已成为绿色轻型能源，太阳能具有经济、环保的优势，可有效缓解对传统能源资源需求不足，因此，太阳能光伏发电技术应用越来越广泛。近年来围绕降低光伏电站成本和适应各种复杂的场地建设条件对光伏电站进行更加深入的研究。在当前山地光伏、渔光互补、农光互补及大型污水处理厂综合利用等这些传统刚性光伏支架因为占地面积大、场地平整度要求高、土地无法二次利用等缺点制约着光伏电站的发展。因此，针对地形条件差而光资源较好的地区、对土地的二次利用及其大跨度上，柔性光伏支架被推至前沿。柔性光伏支架仅承重支撑结构占用土地面积，对场地面积要求低，能广泛用于各类复杂地形，该支架采用柔性张拉索承重，张拉后的钢索支架承重结构具有较好的力学性能、力学刚度，且造价相对普通支架较低，能充分二次利用土地空间，具有较好的土地综合经济效益，更能有效推动光伏产业快速发展。

1 工程概况

2.1 项目背景

项目为一个盐碱牧场，属于对土地空间的二次开发，选用550wp多晶硅组件，每个单元0.396Mwp，总装机容量15.84Mwp光伏发电并网项目。本工程采用大跨度空间为牧场解决了大型机械操作空间的难题，不影响牧场正常使用。此处太阳资源丰富，适于建造光伏电站。2.2 技术参数

结构安全等级为三级，支架设计工作年限25年。光伏组件荷载标准值为0.15kPa；

根据《光伏支架结构设计规程》中取25年一遇基本风压雪压值，基本风压：0.38kPa；基本雪压：0.28kPa。地面粗糙度类别为B类，体形系数为+0.8、-0.95，高度变化系数为1.0。抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组；场地类别为II类。

2 柔性桁架索光伏支架技术原理

柔性桁架索光伏支架设计方案是把传统刚性支架方案的组件支撑檩条改为钢绞线，其特点是通过提供预应力钢绞线张拉，具有较强几何刚度。在光伏组件自重，以及风压、雪压等不同荷载工况条件下从而实现10.0~30.0m大跨度跨越，可满足不同地形的需要。柔性光伏支架主要由预应力钢绞线、端部两侧支撑构件、中部立柱及横向支撑等构件组成。悬挂体系中的预应力钢索系本身仅在单索竖直平面内存在刚度，在外荷载作用下索系会产生刚体运动。然而，对于各种复杂地形下的柔性支架还需要考虑较大的结构跨度，布置方向的光伏组件倾角，并且由于结构存在较大高差需要注意风荷载的影响，对于各种工况进行验算，必要对结构进行防风设计，如增加稳定索、防风锁等形成空间索网体系，以此加大结构的稳定和承载力。本文对一座五联跨柔性光伏支架结构进行拉索的受力与变形分析，并对与张力方位内进行了讨论，为今后的工程设计提供参考。

3 柔性支架设计选型

3.1 根据《静力计算手册》，5连跨度作为一个分区。选取工程中一个五跨连续柔性光伏支架进行分析，每跨长度为30.0m，所有支架与地面铰接，承重索与稳定索在两端与钢支架进行锚固，与中间采用V型锥支架进行连接，以增强结构整体稳定性，承重索和稳定索均采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢绞线，直径分别为Φ15.7和Φ13.4，两端支架高度均为4.50m，端部支架立柱选用Φ180*6.0镀锌无缝钢管，横向支撑选用Φ95*4.0，端部拉杆选用镀锌五级550钢直径Φ25，连接选用墩头直螺纹；横向支撑选用镀锌Φ20 柔性支撑，系杆选用Φ102*3.0无缝镀锌钢管，V型锥支架选用Φ50*2.5无缝镀锌钢管，支架型钢标号均采用Q355B。结构计算模型如下图：

图1 柔性桁架索光伏支架图

3.2 荷载组合及控制要点

光伏组件柔性支架系统是一种新型的支撑体系，在行业规范与标准中没有统一的设计标准；且该系统利用张紧的钢绞线的轴向拉力抵抗组件重力、雪荷载和风荷载等横向荷载，属于几何非线性受力体系，受力与变形特征复杂。根据柔性支架工作机制情况，荷载组合可分为支撑结构、光伏组件自重，雪及风等活荷载等共同作用的多种工况情况。支架结构受力分析应对不同的荷载效应组合，形成不同工况进行分析并保证钢绞线应力不超限。为了合理设计柔性支架系统，保证其在不同工况下能够安全服役，同时也为其后续设计优化提供支撑，采用sap2000分析软件对不同工况下支架系统的受力与变形规律进行模拟分析。

3.3 风荷载标准值计算

我国柔性光伏支架产业发展时间不长，对光伏结构风荷载计算尚未形成专门的规范。对于光伏结构而言，其高度变化范围不大，光伏支架风振系数可近似取为常数。与普通建筑（构）物相比，柔性光伏支架因为预应力张力索柔度较大，结构风振效应较为显著。此外，预应力张拉索为劲性结构，一旦破坏便无法恢复。目前，《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)对于主要受力结构，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：

规范中风荷载规定如下：

式中：为风荷载标准值，kPa；：为高度z处的风振系数；柔性支架为风敏感结构，应考虑风压脉动对结构产生风振的影响。为风荷载体型系数；

：为风压高度变化系数；：为基本风压，kPa，计算基本风压时，取一20℃时的空气密度值，即1.396 kg／m3。

4 柔性光伏支架结构力学分析

4.1 结构分析

柔性支架荷载组合可分为：（1）仅考虑结构自重、(2)考虑自重与雪荷载共同作用、(3)考虑自重与风荷载共同作用下的3种情况。这3种受力情况下荷载计算与组合形式不同，因此受力分析时，选用不同的荷载效应进行组合，形成不同工况。同时，环境温度的变化会导致钢绞线膨胀或收缩，从而造成预应力的变化，并引起钢绞线位移增大或缩小。因此，一方面应保证在温度上升达到设计最高值时，钢绞线位移仍然满足刚度条件；另一方面保证在温度降低到最低值时，钢绞线应力不超限。

4.2结构方案设计结果

1）风吸荷载单工况下桁架索体系变形达到585mm，最大变形小于1/60，满足设计要求。张拉索体未失效，承重索轴力95.25kN，稳定索轴力93.51 kN，互换对称承重索和稳定索组成桁架索体系具有抵抗风荷载的能力，充分利用光伏支架刚性承载力，达到了预应力索桁架的大跨越能力，预应力施加简单、量化、可控。

2）单短跨与多跨方案相同荷载工况下预应力张拉索内力相差不大，利用中柱承载与钢索组成几何不变体系，稳定可靠。因此结构设计中尽量优选多跨度方案，以期减少型钢支架的用钢量，降低桁架式柔性光伏支架综合成本。

3）计算表明，钢绞线直接锚固于柱体上时， 钢绞线在柱体连接处弯曲变形明显，钢绞线与端柱相接处应设为铰接，避免钢绞线局部弯曲过大，强度失效。

4）通过预应力张拉索结构非线性静力分析的一般迭代算法，结合SAP200有限元计算程序，分析在自重和风荷载作用下的位移结构，验证柔性桁架索光伏支架设计方案的合理性，为柔性光伏支架设计应用提供一种思路。通过钢结构支撑+预应力索体系架高安装太阳能光伏电池组件，实现了光伏与农牧产业的完美结合。

图2 雪荷载主导可变荷载变形图一	图3 雪荷载主导可变荷载变形图二
图4 风荷载主导可变荷载变形图一	图5 风荷载主导可变荷载变形图二

5 结束语

随着光伏电站项目单体规模越来越大、可利用的相对平整土地资源越来越少、光伏+土地综合利用项目比重份额会逐渐增大的特点，因此对土地的集约化、复合化利用、降低建设成本尤为重要。传统支架的适用性、局限性越来越严重，而柔性光伏支架具有跨度大、跨度范围灵活可调的优势，在土地综合利用，降低支架成本、提高发电效率等方面拥有显著优势，新型柔性支架方案在光伏产业发展的道路上更具有推动意义。

参考文献

[1]《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）

[2]《钢结构设计标准》（GB50017-2017）

[3]《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）

[4]《光伏发电站设计规范》（GB50797-2012）

[5]《光伏支架结构设计规范》（NB/T 10115-2018）