混凝土平屋面光伏支架強度及屋面承重計算

■ 買發軍潘甲龍白榮麗（.特變電工新疆新能源股份有限公司；.中國船舶重工集團西安第七O五研究所海源測控技術有限公司）

混凝土平屋面光伏支架強度及屋面承重計算

■ 買發軍1*潘甲龍1白榮麗2
（1.特變電工新疆新能源股份有限公司；2.中國船舶重工集團西安第七O五研究所海源測控技術有限公司）

結合泰安加華電力器材有限公司以利奧林6 MW分布式光伏電站項目，從混凝土屋頂支架強度計算、混凝土基礎負重設計、屋面承重計算等方面展開論述，詳細介紹了支架強度計算方法、混凝土基礎負重設計及屋面承重校核方法。

光伏支架；支架強度；混凝土基礎；屋面荷載

0　引言

光伏組件支架是固定光伏組件的重要部件，光伏支架的強度和支架基礎負重設計是確保光伏電站可靠性的關鍵。風荷載對支架強度的影響主要有支架前面吹來（順風）的風壓及從支架后面吹來（逆風）的風壓引起的材料的彎曲強度和彎曲量兩個方面，混凝土屋頂支架設計及基礎校核要充分考慮承重、抗風、抗雪壓、抗震等因素的影響。

1　工程簡介

1.1工程概況及建設規模

項目名稱：泰安加華電力器材有限公司以利奧林6 MW分布式光伏電站項目。

工程地點：山東以利奧林電力科技有限公司廠區。

工程特征：分布式安裝，以380 V/10 kV電壓等級將分布式光伏電站［1］接入用戶電網，就近消納，余電上網。

建設規模：本期建設規模為6.291 MW，分別安裝在鐵芯材料表面處理車間、晶體處理車間、常化酸洗車間和制氫制氮車間屋頂。該廠區條件非常適合光伏電站的建設和利用，是國家級分布式光伏發電示范區。

1.2設計依據

組件尺寸為1640 mm×990 mm×50 mm；組件重量為20 kg；最大風速為30 m/s。安裝方式：組件安裝采用縱向2×10陣列安裝，20塊組件為一個單元；采用固定傾角鋼支架，支架傾角為33°。

2　支架型材強度計算

2.1設計取值

1）假設為一般地方中最大的荷重，采用固定荷載G和暴風雨產生的風壓荷載W的短期復合荷重。

2）根據氣象資料，本計算最大風速設定為30 m/s。

3）對于混凝土屋面，采用最佳傾角33°安裝的系統需要考慮足夠的配重，確保組件方陣的穩定可靠。

4）屋面高度為10 m。

2.2承受荷載

2.2.1固定荷載G

以2×10陣列為一個單元進行計算，則光伏組件質量G1=20 kg×20=400 kg，因此C形軌道承載的固定荷載重量G=400×9.8=3920 N。

2.2.2風荷載W

根據《建筑結構荷載規范》［2］，垂直于建筑物表面的風荷載標準值的計算公式（按承重結構設計）為：

式中，Wk為風荷載標準值，kN/m2；βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數，取0.84；W0為基本風壓，kN/m2，取0.2。

根據《建筑結構荷載規范》表7.4.3中脈動增大系數ξ為1.6，所以βz為1.6；根據表7.3.1，體型系數μs取0.83。

因此，Wk=1.6×0.83×0.84×0.2=0.223 kN/m2。

2.2.3雪荷載S

根據《建筑結構荷載規范》中的規定，屋面水平投影面上的雪荷載標準值計算式為：

式中，Sk為雪荷載標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數；S0為基本雪壓，kN/m2。

根據《建筑結構荷載規范》表6.2.1，μr取0.2，S0取0.35 kN/m2。因此，Sk=0.2×0.35=0.07 kN/m2。2.2.4 地震荷載FEk

根據《建筑抗震設計規范》［3］，采用底部剪力法時，按下列公式確定：

式中，FEk為結構總水平地震作用標準值；1為水平地震影響系數值；Geq為結構等效總重力荷載，單質點應取總重力荷載代表值。

由于泰安市不處于我國地震帶，根據《建筑抗震設計規范》表5.1.2-2，查得Geq=0，所以FEk=0。

2.2.5荷載基本組合P

根據《建筑結構荷載規范》第3.2節荷載組合，計算式如下：

風壓主導時 ：P=G+W+S （4）

式中，Wk=0.223 kN/m2；Sk=0.07 kN/m2；a為電池板長度，取1.64 m；b為電池板寬度，取0.99 m；n為一個光伏組件陣列的數量，取20。

所以，P=3.92+7.24+2.27=13.43 kN。

2.2.6C形軌道結構強度計算

以下進行C形軌道的驗算：

圖1　軌道受力示意圖

材料彎曲應力為：

式中，q為施加在電池板上的均布荷載，N/m，由于系統由4排軌道支撐，每排軌道長10.2 m，則q=P/（4×10.2）=329.17 N/m；L為兩個支點間跨距，取L=2.073 m；E為材料彈性模量，取E=6.9×105 N/cm2；IM為慣性矩，取IM=28 cm4。

根據《光伏發電站設計規范》表6.8.8，受彎構件允許的撓度值為L/250，即 （2.073×102） / 250=0.83 cm＞0.39 cm，所以安全。

3　屋面混凝土基礎負重設計

混凝土屋面光伏支架方陣采用主次梁布置，電池板以33°傾角布置；本次計算以2×10陣列為一個單元進行計算，陣列布置簡圖見圖2。

圖2　光伏組件陣列布置簡圖（單位：mm）

基礎校核如下：

荷載基本組合P為13.43 kN，即負荷為13.43 kN。單個基礎的配重為1.6 kN，則基礎總配重為1.6×10=16 kN。

本項目的基礎總配置達到16 kN，大于負荷13.43 kN，滿足安全性要求。

4　屋面承重計算

4.1屋面荷載質量

光伏組件質量G1=20×20=400 kg，支架總荷質量G2=136 kg，混凝土基礎質量G3=160× 10=1600 kg。因此，總荷重G4=400+136+1600= 2136 kg。

4.2屋頂單位面積受力

組件安裝面積為10.125×2.973=30.1 m2；屋頂單位面積受力為2136/30.1=70.96 kg/m2=0.80 kN/ m2。

由于本項目建筑均為上人屋面，根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》設計，混凝土屋面設計載荷為2 kN/ m2，屋頂平均載荷為0.80 kN/m2，安裝太陽能方陣后的載荷遠小于設計載荷，所以屋面承重安全。

5　結束語

隨著光伏電站的大規模應用，太陽能光伏發電成為電力系統中不可或缺的電力來源之一。本文結合泰安加華電力器材有限公司以利奧林6 MW分布式光伏電站項目，從滿足抗風荷載、抗雪壓、抗地震荷載等方面進行論述，對混凝土屋頂光伏支架強度、支架基礎負重及屋面承受荷載進行校核計算，為光伏電站可靠、安全、穩定的運行提供了理論依據。

［1］ GB 50797-2012，光伏發電站設計規范［S］.

［2］ GB 50009-2012，建筑結構荷載規范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

2015-11-13

買發軍（1987—），男，本科，主要從事光伏系統集成的設計與研究。maifajun3410@163.com