太陽能板支架體系等效靜力風荷載響應分析

劉春雨 白 冰 李臘梅

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

太陽能板支架體系等效靜力風荷載響應分析

劉春雨 白 冰 李臘梅

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

太陽能結構受風荷載影響較大，而目前對風載研究較少。以常見的展廳式太陽能板結構為研究對象，將風荷載作為等效靜力荷載，采用有限元法對其進行結構建模及風載響應分析，得出了在等效靜力風荷載作用下結構各處的位移和應力值，將結構在各工況下的位移和應力相比較，得出風荷載對結構的影響，為太陽能結構的設計提供參考。

太陽能板，風載響應，等效靜力風荷載，有限元分析

太陽能作為一種清潔能源，已成為學術界和工程界研究的熱點[1]。目前國內對于太陽能支架系統的研究相對較少，更多的是直接將支架體系作為一種結構進行研究[2-4]。將太陽能板作為一種附加荷載，對支架體系結構進行分析研究，是一種比較成熟的分析方法，包括對各類大跨度結構、塔式結構、橋梁結構等的研究，主要考慮的設計荷載為風振荷載、地震荷載或者兩者的共同作用[5]。本文擬采取上述方式，對某展廳式太陽能板支架體系進行風荷載研究分析。分析中忽略了風荷載對板的影響，直接將板作為已知荷載均攤到結構上，利用ANSYS建模進行結構的受力分析[6]。

1 等效靜力風荷載

靜風荷載的模擬主要是根據大量的實踐經驗得出的計算公式，考慮不同風速、結構高度、體型變化、地面粗糙度等，賦予不同的參考數值及系數。其理論意義是：用一組靜力荷載施加在結構上，該靜力荷載要滿足產生的響應與按照隨機振動理論方法計算得到的結構各處的響應相等或基本相等，并可以把這組靜力荷載作為等效靜力風荷載來使用，進而簡化工程結構的抗風設計。下面簡單介紹兩種：陣風荷載因子法和慣性力法。

1.1陣風荷載因子法

(1)

(2)

1.2慣性力法

慣性力法是從結構動力方程出發，用結構的一階振型慣性力來表示等效靜風荷載。

根據結構動力學的理論，脈動風荷載作用下的結構動力平衡方程可表示為：

(3)

式(3)右端為廣義外荷載，用{Peq}表示。那么結構在脈動風荷載作用下的動力響應可看作是在廣義外荷載作用下的靜力響應：

[K]{x(t)}={Peq}

(4)

可以看出，廣義外荷載就相當于結構的恢復力。利用振型分解法，式(4)可進一步表示為：

(5)

其中，{φ}j為第j振型向量；qj(t)為第j振型廣義坐標。

已知結構的特征值方程為：

(6)

其中，ωj為結構的第j振型圓頻率。

將式(6)代入式(5)得：

(7)

從式(7)可看出，廣義外荷載代表了各振型慣性力的組合。當僅考慮第一階振型的影響時，廣義外荷載可表示為：

(8)

其中,g為峰值因子；σ1為第一階振型廣義坐標q1的均方根。

則等效靜風荷載可表示為：

(9)

式(9)也可進一步表示為：

(10)

其中，Gp為風振系數，其表達式為：

(11)

雖然上述兩種方法得到的計算式式(2)和式(11)結構上很相似，但是它們是有本質的區別的。首先，風振系數Gp與結構的質量分布和動力特性有關，其沿高度是變化的，而陣風荷載因子Gx由于僅與結構頂點的響應有關，因此是一個定值；其次，由慣性力法所得的等效靜風荷載是平均風荷載與結構振型慣性力的疊加，其分布顯然與平均風荷載不同。相比陣風荷載因子法來說，慣性力法更好的反映了結構在脈動風作用下動力響應放大的物理本質，而且其推導過程更為嚴密。但當結構剛度較大，以背景響應為主時，根據慣性力法所得出的計算結果與真實的荷載分布會存在一定的偏差。

2 工程應用實例

2.1工程概況

本文所選擇的結構為一種常見展廳的結構類型，幾何外形如圖1,圖2所示。主體為受壓柱和承受拉力為主的鋼繩索。太陽能板布置在屋頂。在結構分析中，太陽能板以外荷載的形式附加在結構骨架上。本文選擇的計算外環境為：鄭州市B類地貌。

結構為中心對稱結構，跨度為36 m，高度36 m，型鋼環距頂部5 m，玻璃鋼環距地面高程為22.25 m。中心柱采用1.5 m直徑的鋼筋混凝土結構；三叉支撐采用0.7 m直徑的鋼筋混凝土結構；上纜繩采用直徑7/15 cm的鋼管，下纜繩由于長度較長，為增大其剛度，選取與上纜繩不同的截面鋼管，即10 cm/20 cm；玻璃鋼管直徑0.7 m、內徑0.6 m。材料參數如表1所示。

表1 材料參數表

材料類型密度/kg·m-3彈性模量/Pa泊松比鋼筋混凝土25003.0e100.18鋼絞線78002.5e110.1型鋼80002.1e110.3玻璃鋼21002.1e100.3

2.2荷載工況

荷載工況分為5類。重點觀察各工況下節點的X向位移以及各工況下單元的應力，按照加載順序分別為：

工況一：結構自重。

工況二：結構自重+屋頂活荷載。

工況三：結構自重+屋頂活荷載+風荷載。

工況四：結構自重+屋頂活荷載+水重。

工況五：結構自重+屋頂活荷載+風荷載+水重。

注：屋頂活荷載取0.5 kN/m2；水重是玻璃鋼管中充滿水時的重量。

2.3結果及分析

取4個典型節點：鋼纜繩中間節點476、三叉撐中間撐上部節點4333、型鋼環中間節點14以及中心柱上端節點6110，對其X方向位移作重點分析。4個典型節點的位移隨工況變化的情況如圖3所示。

由圖3可以看出：1)在各工況作用下，上鋼纜繩及三叉撐發生的水平向位移較其他構件都大，最大的X向位移為5.05 cm，發生在三叉撐上部節點，最大值在結構的承受范圍內；2)對比工況二和工況四、工況三和工況五，風荷載的施加對X水平向的位移產生比較大的影響；3)對比工況四和工況五發現，豎向的作用力會對風荷載產生的水平向位移有微小的影響，且影響是正向的；4)對于各構件的水平位移主要是由于風荷載的作用引起的。

原因分析：1)鋼纜繩的柔度相對較其他構件大，對于荷載引起的變形也相對較其他構件大；2)風荷載的施加是引起構件水平位移的主要原因；3)對各構件的水平位移影響最大的荷載是水平向風荷載。

再選擇6個典型單元：型鋼環中間單元10、上纜繩上部及下部單元229和709、下纜繩中間單元1640、玻璃鋼管跨中單元3481和中心柱下部單元25177，對其應力作重點分析。6個典型單元的應力隨工況變化的規律如圖4所示。

圖4中，前5個單元的應力結果為第一主應力，而最后一個單元的應力結果為Z向應力。

由圖4可以看出：1)在各工況下，型鋼環的最大應力為7.79 MPa，在型鋼環的承載能力范圍內；2)各工況在鋼筋混凝土中心柱上產生的壓應力最大值為5.88 MPa，在鋼筋混凝土的承載能力范圍；3)上纜繩在各工況下產生的最大拉應力為79.34 MPa，在鋼纜繩的承載能力范圍內；4)隨著荷載的施加，構件的應力逐漸增大，其中，對型鋼環應力影響最大的是水平向的風荷載，對鋼筋混凝土柱應力影響最大的是豎直向的屋面活荷載。

3 結語

經過上述分析計算，可以得出如下結論：

1)風荷載對柔度較大的構件產生的影響較大。X,Z向位移變形最大的位置分別在三叉撐上部節點和上纜繩跨中節點上，由于其柔度大，在水平和豎直方向受力時，產生的位移較大。2)對比工況二和工況四、工況三和工況五，風荷載的施加對X水平向的位移產生比較大的影響。3)對比工況四和工況五發現，豎向的作用力會對風荷載產生的水平向位移有微小的影響，且影響是正向的。這給對風重耦合的效應研究提供了參考。

[1] 王藝璇.巴黎氣候大會成果初顯[J].經濟全球，2016(1):47-49.

[2] 王芝云，楊林青，吳二軍,等.光伏支架受力性能影響參數有限元分析[J].低溫建筑技術，2015(12):77-80.

[3] 張慶祝，劉志璋，齊曉慧,等.太陽能光伏板風載的載荷分析[J].能源技術，2010,31(2):93-95.

[4] Browne M T L,Gibbons M P M,Gamble S,et al.Wind loading on tilted roof-top solar arrays;the parapet effect[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2013(123)：202-213.

[5] 董 銳.大跨度橋梁位移響應多目標等效靜力風荷載計算方法[J].中國公路學報，2013,26(5):69-75.

[6] 李臘梅.太陽能板支架體系風載響應分析[D]．鄭州：華北水利水電大學，2017.

Responseanalysisofequivalentstaticwindloadofsolarpanelsupportsystem

LiuChunyuBaiBingLiLamei

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The solar energy structure is affected by wind load, but there is little research on wind load. In this paper, a common solar panel structure is taken as the object of study. Wind load is taken as an equivalent static load, and the structure model and wind load response analysis are carried out by the finite element method. The displacement and stress values of the structure under the static wind load are obtained. The displacement and stress of the structure under different working conditions are compared, and the influence of wind load on the structure is obtained. It provides reference for the design of solar energy structure.

solar panel, wind load response, equivalent static wind load, finite element analysis

TU312.1

A

1009-6825(2017)27-0045-03

2017-07-15

劉春雨(1991- )，男，在讀碩士