某混凝土屋面分布式光伏電站基礎方案分析與計算

孫海燕（信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司華東分院，江蘇 無錫 214071）

某混凝土屋面分布式光伏電站基礎方案分析與計算

孫海燕
（信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司華東分院，江蘇 無錫 214071）

分布式光伏電站，俗稱屋面電站，即利用商場、工廠、民宅等屋面建設的電站。因光伏發電屬于無污染、無噪音的清潔能源和可再生能源，受國家產業政策鼓勵和大力扶持。分布式電站市場啟動以來，國內出現了大量小型太陽能項目，分布式光伏電站有著規模小、數量多、項目分散的特點，相當一部分電站建設在混凝土屋面上，光伏支架與原有屋面如何連接、支架采用何種基礎形式成為結構設計的重要部分，混凝土屋面電站常用的基礎方案一般有四種：混凝土支墩配重法、預制混凝土壓塊法、后錨固化學連接法、結構膠粘劑法，本文對此做法進行了比較和說明，并針對具體項目選定了基礎方案，且出具了詳細荷載取值及計算過程，可供類似工程參考。

分布式電站；混凝土屋面；計算方法

1 某混凝土屋面分布電站情況介紹

無錫某1.2MWp屋面分布式光伏電站共布置在4棟面積相同的屋面上，每棟建筑屋面尺寸均為90m×48m，此4棟建筑屋面均為上人屋面，屋面設計荷載標準值為2kN/m2上標。屋面為結構找坡，坡度為3%。屋面電站組件功率為255Wp，組件尺寸為1952mm×992mm，重量為28kg，組件間距為20mm，組件陣列為2排8列，共18塊，組件朝南，傾角25°。

2 光伏支架基礎方案介紹

方案一：混凝土支墩配重法。在混凝土屋面上現場澆筑（重量小的也可預制）鋼筋混凝土支墩，支墩內一般配置少量鋼筋抗裂，在支墩頂面與支架連接處預埋地腳錨栓或者其他連接件，光伏支架與配重支墩螺栓連接。配重法基礎有兩種形式，根據受力計算結果對支架前后腿分別設置大小不同的獨立支墩，如圖1（a）所示，將支架前后腿支墩連為一體，如圖1（b）所示。

圖1 混凝土支墩配重法屋面結構圖

優點：基礎穩固，結構安全可靠，不會對原有屋面防水層造成破壞，若支墩重量不大的話可以預制，能有效縮短工期，且光伏支架用鋼量較少。

缺點：支墩需要支模，支墩混凝土澆筑完畢后又需要養護，需要大量人工，耗時，支墩自重較大，原屋面所增荷載較多，采用此法需要計算復核查明原有屋面是否具備足夠的承載能力。

方案二：預制混凝土壓塊法。支架與屋面無連接，簡單擱置在屋面上，將預制混凝土塊壓在支架底梁上，通過混凝土壓塊自身重量和與壓塊與屋面之間接觸面上的摩擦力達到抗傾覆、抗滑移的作用，保證結構安全。壓塊采用混凝土預制而成（壓塊內無鋼筋），每個支架上需要配置的壓塊大小和重量根據計算確定，一般來講單個支架底梁上配置多個壓塊，這樣會有效降低每個壓塊的重量，以便于施工和運輸，如圖2所示。

圖2 壓塊法混凝土預制屋面結構圖

優點：節省鋼筋、工時，可提前制作水泥磚，水泥磚上不需要預埋地腳錨栓和其他連接件，施工比較簡單，可有效降低工期，不會對原有屋面防水造成破壞。

缺點：支架用鋼量較多，混凝土塊容易開裂，耐久性不夠好，支架與屋面之間無連接，可靠性不夠好，混凝土塊也對屋面增加了荷載，采用此法也需要復核計算屋面是否具備足夠的承載能力。

方案三：后錨固化學連接法。屋面光伏支架連為一個整體，每隔一定距離設置一個鋼立柱，鋼立柱柱腳下設置鋼筋混凝土短柱，短柱采用化學植筋（或化學螺栓）與屋面相連，因化學植筋（或化學螺栓）在原有結構內需要滿足一定的錨固長度要求，故支架柱腳短柱應設置在鋼筋混凝土柱頂上或屋面梁上，施工時需要鑿除短柱處屋面面層，露出結構層，將化學植筋（或化學螺栓）和鋼筋混凝土短柱施工完畢后，再修復屋面面層和防水層，此種方法多用于不上人鋼筋混凝土屋面因不上人屋面的設計活荷載標準值一般為0.5kN/m2上標，屋面不能承受配重方案所帶來的新增荷載，如圖3所示。

圖3 后錨固化學連接法屋面結構示意圖

優點：連接牢固，結構安全可靠，光伏支架用鋼量少，原有屋面增加荷載少。

缺點：破壞了原有屋面面層，有修復不好而漏水的風險。施工較為復雜，工序較多，工期較長。

方案四：結構膠粘劑法。采用專門的建筑結構膠粘劑，將支架支腿直接粘結于混凝土屋面上，所選用膠粘劑應能長期承受設計應力和環境作用。

優點：省時省力，安裝快捷，節省材料。

缺點：國內案例較少，在設計使用年限內的耐久性、可靠性有待考驗。

3 方案選擇和計算

此工業園1.2MWp屋面電站項目業主要求工程設計使用年限為25年，設計院必須保證項目在設計使用年限內的安全可靠性，并要特別保證原有建筑的安全可靠。而原有屋面為上人屋面，設計活荷載為2.0kN/m2，則四種方案都可以考慮，又由于方案三破壞了原有屋面面層、方案二的可靠性不好、方案四的耐久性有待驗證，故選取方案一，方案一也有獨立支墩和整體支墩之分。下面介紹計算支墩大小所需的荷載取值和計算方法：

支架間距取為2.7m，組件及支架自重取值為0.15kN/m2上標。

根據《建筑結構荷載規范》表E.5，查得無錫市的風壓值為：

10年一遇風壓w0=0.30kN/m2上標、100年一遇風壓w0=0.50kN/m2上標；

根據《建筑結構荷載規范》E.3.4式，換算成25年一遇基本風壓：

w0=0.30+（0.50-0.30）×（lnR/ln10-1）=0.30+0.20×0.39794=0.38 kN/m2上標。

屋面地處無錫市某工業園內，地面粗糙度類別為B類，屋面最高處離地面高度接近20m。

根據《建筑結構荷載規范》表8.2.1，風壓高度變化系數μz=1.23；

根據《光伏發電站設計規范》6.8.7條，風荷載體型系數μs=1.3；

垂直于組件的風荷載標準值為wk=μ z×μs×w0=1.23×1.3×0.38=0.61kN/m2上標。

（1）若基礎采用獨立支墩，根據豎向力的平衡，支架前腿支墩需取為0.4m×0.4m×0.469m，假設后腿支墩尺寸為La長×La寬×0.4m高，獨立支墩支架受力模型如圖4所示。

圖4 獨立支墩支架受力模型

前腿支墩自重G1k=0.4m×0.4m× 0.469m×25kN/m3=1.88kN；

后腿支墩自重G2k=Lam×Lam× 0.4m×25kN/m3=10×La×LakN；

組件和支架本身自重自重G3k= 0.15kN/m2上標×2.7m×3.924m=1.59kN；

垂直于組件的風荷載G4k=0.61kN/m2上標×2.7m×3.924m=6.463kN；

傾覆力矩Mq=G4k×1.883m=6.463kN ×1.883m=12.17kN·m；

抗傾覆力矩Mk=G1k×0.2m+G2k× 2.7m+G3k×1.45m=2.6815kN·m+27× La×LakN·m；

根據《地基基礎設計規范》抗傾覆穩定性驗算公式Mk/Mq≥1.6，計算得La≥0.8m。

則每個支架的支墩混凝土用量為0.4m×0.4m×0.469m+0.8m×0.8m×0.4m =0.3664m3。

（2）若基礎采用整體支墩，支架整體支墩尺寸假設為Lb長×0.4寬×0.4m高，整體支墩受力模型如圖5所示：

將整體支墩總重量分為兩個部分G1k+G2k，

G1k=0.4m×Lbm×0.4m×25kN/m3= 4×LbkN；

G2k=Lbm×3% ×Lbm/2×0.4m× 25kN/m3=0.15× Lb×LbkN；

組件和支架本身自重自重G3k= 0.15kN/m2上標×2.7m×3.924m=1.59kN；

垂直于組件的風荷載

G4k=0.61kN/m2上標×2.7m×3.924m= 6.463kN；

傾覆力矩

Mq=G4k×1.883m=6.463kN×1.883m =12.17kN·m；

抗傾覆力矩

Mk=G1k×Lb/2+G2k× Lb/3+G3k× 1.45m

=2×Lb×LbkN·m+0.05×Lb×Lb× LbkN·m+ 2.31kN·m

根據抗傾覆穩定性驗算公式Mk/Mq≥1.6，計算得Lb≥2.8m。

則每個支架的支墩混凝土用量為（0.4m+0.4m+2.8m×3%）×2.8m/2× 0.4m=0.495m3。

故無錫工業園1.2MWp屋面電站項目最終選擇混凝土支墩配重法中的獨立支墩方案，在光伏組件投影面積內屋面每平方荷載增重為（0.3664m3×25kN/m3 +1.59kN組件支架自重）/2.7m/（3.924m×Cos253）=1.12kN/m2上標＜2.0kN/m2上標，屋面滿足荷載要求。

圖5 整體支墩受力模型

結語

總之，混凝土屋面分布式光伏支架基礎方案應根據具體工程特點（荷載情況、項目工期、材料用量等），多方比較，力求滿足安全、適用、經濟、合理、美觀的要求，同時盡可能的降低工程造價和縮短工期。

[1]祁建洲.混凝土平屋面光伏組件支架的連接設計[J].門窗，2012（05）.

[2] GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[3] GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[4] GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

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