基于PKPM軟件在獨(dú)棟式光伏農(nóng)業(yè)大棚結(jié)構(gòu)校核中的應(yīng)用

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 黃華 姚一波 劉夏偉

1 工程概況

1.1 氣象條件

本項(xiàng)目場址地處湖北省的麻城市，屬亞熱帶大陸性濕潤季風(fēng)氣候，江淮小氣候區(qū)；光照充足、熱量豐富、降水充沛、無霜期長；四季分明，冬冷夏熱，雨、熱同季為普遍現(xiàn)象，平均降水量為1111.2～1688.7 mm。

1.2 電站詳細(xì)地質(zhì)條件

擬建光伏農(nóng)業(yè)大棚場區(qū)在勘探深度內(nèi)揭露的地層巖性特征描述為：

第一層：耕土(Q4)，褐色，主要由粉土等組成，含有少量粘性土和有機(jī)物等，力學(xué)性質(zhì)差。該層結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)較均勻，力學(xué)性差，不宜做地基的持力層使用，該層厚0.3～0.9 m。

第二層：黃土狀粉土(Q41pl+dl)，褐黃色，稍濕，稍密，含云母、氧化物，濕陷系數(shù)大于0.015，具浸水濕陷性，局部夾薄層粉質(zhì)粘土，該層層底埋深1.2～10.0 m，層厚0.6～10.0 m，平均厚1.67 m。表1為項(xiàng)目現(xiàn)場持力層巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值。

表1 巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值

2 光伏農(nóng)業(yè)大棚介紹

2.1 鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)及規(guī)格

2.1.1 材質(zhì)

所用鋼結(jié)構(gòu)均為Q235標(biāo)準(zhǔn)型材，熱鍍鋅處理。

2.1.2 主要構(gòu)件參數(shù)

立柱：方鋼100 mm×100 mm×3 mm；圍合部分框架：方鋼50 mm×50 mm×2 mm；棚頂主梁：方鋼80 mm×80 mm×2.5 mm；棚頂次梁：方鋼40 mm×40 mm×2 mm；光伏電池組件、透光玻璃安裝支架：角鋼50 mm×50 mm×3 mm。

2.2 大棚主體結(jié)構(gòu)

大棚主體結(jié)構(gòu)包括四周立面的鋼結(jié)構(gòu)立柱圍合部分和南北兩跨設(shè)置在立面圍合部分上方的棚頂。南北兩跨棚頂為帶傾角平面頂，南坡面局部區(qū)域采用多晶硅太陽電池組件，與鋼結(jié)構(gòu)骨架通過專用柔性連接件連接，其余區(qū)域采用透光玻璃；北坡面全部采用透光玻璃覆蓋。

此次設(shè)計的獨(dú)棟式光伏農(nóng)業(yè)大棚方位東西延長、坐北朝南。東西長30 m，南北寬9 m，圍合部分高2.6 m，棚頂高4.7 m，棚頂南坡相對于水平面的傾角為16°，北坡相對于水平面的傾角為42°。大棚的南北側(cè)立面圍合部分每隔3.33 m設(shè)置1個鋼結(jié)構(gòu)立柱，每個立柱下面設(shè)置1個400 mm×400 mm×800 mm的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，立柱法蘭與基礎(chǔ)之間通過預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)的地腳螺栓固定。圖1為獨(dú)棟式鋼結(jié)構(gòu)光伏農(nóng)業(yè)大棚軸立面布置圖。

圖1 光伏農(nóng)業(yè)大棚軸立面布置圖

3 PKPM軟件在結(jié)構(gòu)校核中的應(yīng)用

3.1 風(fēng)荷載分析

3.1.1 風(fēng)荷載計算參數(shù)

項(xiàng)目所在地基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，風(fēng)荷載作用下舒適度驗(yàn)算，地面粗糙程度B類，結(jié)構(gòu)X向基本周期0.25 s，結(jié)構(gòu)Y向基本周期0.25 s，考慮風(fēng)振、風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的阻尼比1.0%，風(fēng)荷載作用下舒適度驗(yàn)算阻尼比2.0%。

圖2 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)空間變形簡圖

3.1.2 風(fēng)荷載計算結(jié)果

X、Y方向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)空間變形如圖2所示。通過PKPM軟件進(jìn)行加載計算得出，X方向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)空間最大變形為10.13 mm，Y方向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)空間最大變形為19.99 mm。

3.2 恒荷載分析

3.2.1 恒荷載計算參數(shù)

本次恒荷載計算主要考慮光伏電池組件、透光玻璃及連接件的自重，通過計算，棚頂承受恒荷載為0.125 kN/m2。

3.2.2 恒荷載計算結(jié)果

恒荷載作用下結(jié)構(gòu)空間變形如圖3所示。將荷載信息導(dǎo)入PKPM軟件，經(jīng)計算得出恒荷載作用下大棚空間結(jié)構(gòu)最大變形為11.26 mm。

圖3 恒荷載作用下結(jié)構(gòu)空間變形簡圖

3.3 地震荷載分析

3.3.1 地震荷載計算參數(shù)

本項(xiàng)目所在場區(qū)地震烈度為7度，場地類別II類，設(shè)計地震分組第一組，特征周期0.35 s，地震影響系數(shù)最大值0.08，鋼框架的抗震等級4級，活荷重力荷載代表值組合系數(shù)0.5，周期折減系數(shù)1.0，結(jié)構(gòu)的阻尼比4.0%。

3.3.2 地震荷載計算結(jié)果

X、Y方向地震力作用下結(jié)構(gòu)空間變形如圖4所示。將荷載信息導(dǎo)入PKPM軟件，通過加載計算得出，X方向地震力作用下結(jié)構(gòu)空間最大變形為4.98 mm，Y方向地震力作用下結(jié)構(gòu)空間最大變形為2.64 mm。

3.4 結(jié)論

圖4 地震力作用下結(jié)構(gòu)空間變形簡圖

通過上述加載分析計算可知，光伏農(nóng)業(yè)大棚鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下空間結(jié)構(gòu)最大變形為19.99 mm，在恒荷載作用下空間結(jié)構(gòu)最大變形為11.26 mm，在地震力作用下空間結(jié)構(gòu)最大變形為4.98 mm。查閱相關(guān)規(guī)范得知，上述變形值均滿足建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中對鋼構(gòu)架空間結(jié)構(gòu)變形的規(guī)定，因此，該獨(dú)棟式光伏農(nóng)業(yè)大棚結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

PKPM軟件在光伏農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計中的應(yīng)用大幅提高了空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的準(zhǔn)確性，縮短了設(shè)計周期。但該軟件有部分參數(shù)是程序默認(rèn)值，在實(shí)際工程應(yīng)用中不一定能滿足每個工況的實(shí)際情況。因此，設(shè)計過程中必須結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)和相關(guān)規(guī)范的要求，對不合理的參數(shù)加以修正，在確保鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用性能的前提下，達(dá)到成本最優(yōu)的目的。

[1] GB50017-2003, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB50011-2010, 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB50009-2001, 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] GB50797-2012, 光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].