基于PKPM軟件在獨棟式光伏農業大棚結構校核中的應用

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

本項目場址地處湖北省的麻城市，屬亞熱帶大陸性濕潤季風氣候，江淮小氣候區；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、熱同季為普遍現象，平均降水量為1111.2～1688.7 mm。

1.2 電站詳細地質條件

擬建光伏農業大棚場區在勘探深度內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物等，力學性質差。該層結構松散，土質較均勻，力學性差，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，濕陷系數大于0.015，具浸水濕陷性，局部夾薄層粉質粘土，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為項目現場持力層巖土主要物理力學性質指標值。

表1 巖土主要物理力學性質指標值

2 光伏農業大棚介紹

2.1 鋼結構材質及規格

2.1.1 材質

所用鋼結構均為Q235標準型材，熱鍍鋅處理。

2.1.2 主要構件參數

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 大棚主體結構

大棚主體結構包括四周立面的鋼結構立柱圍合部分和南北兩跨設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，南坡面局部區域采用多晶硅太陽電池組件，與鋼結構骨架通過專用柔性連接件連接，其余區域采用透光玻璃；北坡面全部采用透光玻璃覆蓋。

此次設計的獨棟式光伏農業大棚方位東西延長、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°。大棚的南北側立面圍合部分每隔3.33 m設置1個鋼結構立柱，每個立柱下面設置1個400 mm×400 mm×800 mm的鋼筋混凝土基礎，立柱法蘭與基礎之間通過預埋在基礎內的地腳螺栓固定。圖1為獨棟式鋼結構光伏農業大棚軸立面布置圖。

圖1 光伏農業大棚軸立面布置圖

3 PKPM軟件在結構校核中的應用

3.1 風荷載分析

3.1.1 風荷載計算參數

項目所在地基本風壓為0.55 kN/m2，風荷載作用下舒適度驗算，地面粗糙程度B類，結構X向基本周期0.25 s，結構Y向基本周期0.25 s，考慮風振、風荷載作用下結構的阻尼比1.0%，風荷載作用下舒適度驗算阻尼比2.0%。

圖2 風荷載作用下結構空間變形簡圖

3.1.2 風荷載計算結果

X、Y方向風荷載作用下結構空間變形如圖2所示。通過PKPM軟件進行加載計算得出，X方向風荷載作用下結構空間最大變形為10.13 mm，Y方向風荷載作用下結構空間最大變形為19.99 mm。

3.2 恒荷載分析

3.2.1 恒荷載計算參數

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 恒荷載計算結果

恒荷載作用下結構空間變形如圖3所示。將荷載信息導入PKPM軟件，經計算得出恒荷載作用下大棚空間結構最大變形為11.26 mm。

圖3 恒荷載作用下結構空間變形簡圖

3.3 地震荷載分析

3.3.1 地震荷載計算參數

本項目所在場區地震烈度為7度，場地類別II類，設計地震分組第一組，特征周期0.35 s，地震影響系數最大值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0.5，周期折減系數1.0，結構的阻尼比4.0%。

3.3.2 地震荷載計算結果

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

3.4 結論

圖4 地震力作用下結構空間變形簡圖

通過上述加載分析計算可知，光伏農業大棚鋼結構在風荷載作用下空間結構最大變形為19.99 mm，在恒荷載作用下空間結構最大變形為11.26 mm，在地震力作用下空間結構最大變形為4.98 mm。查閱相關規范得知，上述變形值均滿足建筑結構荷載規范中對鋼構架空間結構變形的規定，因此，該獨棟式光伏農業大棚結構滿足設計要求。

4 結束語

PKPM軟件在光伏農業大棚設計中的應用大幅提高了空間結構強度校核的準確性，縮短了設計周期。但該軟件有部分參數是程序默認值，在實際工程應用中不一定能滿足每個工況的實際情況。因此，設計過程中必須結合鋼結構實際受力特點和相關規范的要求，對不合理的參數加以修正，在確保鋼結構穩定性和使用性能的前提下，達到成本最優的目的。

[1] GB50017-2003, 鋼結構設計規范[S].

[2] GB50011-2010, 建筑抗震設計規范[S].

[3] GB50009-2001, 建筑結構荷載規范[S].

[4] GB50797-2012, 光伏發電站設計規范[S].