分布式光伏電站屋面荷載取值研究

王利中 胡 昕 何玲玲

(中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100840)

0 引言

太陽能光伏發(fā)電作為一種清潔又環(huán)保的綠色能源，是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，我國分布式光伏電站正處于迅猛發(fā)展階段。在屋頂建設(shè)光伏電站，改變了屋面的荷載條件，需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行檢測鑒定。結(jié)構(gòu)承載力驗算時結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件的幾何尺寸、材料性能、荷載條件這幾項條件是必不可少的。本文主要對光伏電站建設(shè)對屋面荷載的影響進行探討。

1 屋面光伏組件的安裝方式

1.1 混凝土屋面

這種屋面主要為混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)的屋面。為保證原有屋面的防水性能，光伏組件一般是直接擱置在屋面上，用配重來抵抗風荷載。安裝形式見圖1。這種安裝方式光伏組件和原屋面是分離的。

1.2 輕鋼屋面

這種屋面主要為門式剛架、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的屋面。安裝方式主要用扣件直接卡扣在屋面上，安裝形式見圖2。這種安裝方式光伏組件和原屋面是結(jié)合在一起的。

2 屋面主要荷載

2.1 屋面結(jié)構(gòu)自重

鋼筋混凝土樓板自重、屋面鋼梁檁條彩鋼板的自重、屋面保溫防水材料的自重、屋面原有構(gòu)件及設(shè)備的自重(屬于恒荷載)。屋面恒載應根據(jù)實際屋面做法計算取值。

2.2 光伏電站系統(tǒng)荷載

光伏組件、支架、基礎(chǔ)、電纜、匯流箱等(屬于新增恒荷載)。按光伏設(shè)計圖紙進行核算取值。

2.3 屋面活荷載

施工荷載—施工階段，設(shè)備材料的吊裝、運輸、施工人員、施工設(shè)備等產(chǎn)生的作用影響，屬于活荷載。建設(shè)光伏電站的屋面活荷載可只考慮施工活荷載和安裝完成后的檢修荷載，根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，不上人屋面活荷載取值為0.5 kN/m2。

根據(jù)GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范4.1.3條，當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面按水平投影面積計算的豎向活荷載的標準值應取0.5 kN/m2，對于承受荷載水平投影面積大于60 m2的剛架構(gòu)件，屋面豎向均布荷載的標準值可取不小于0.3 kN/m2。

2.4 雪荷載

屋面水平投影面上的雪荷載標準值應按下式計算：

sk=μrs0。

其中，sk為雪荷載標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)；s0為基本雪壓，kN/m2。

1)屋面積雪分布系數(shù)的取值。

對于混凝土屋面(平坡屋面)，光伏面板一般與屋面呈一定的夾角，導致屋面形式發(fā)生變化，可按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范表7.2.1中鋸齒形屋面來考慮積雪的均勻分布與不均勻分布情況。

對于壓型鋼板屋面，光伏面板一般貼于屋面上，對改變屋面形式影響較小，雪荷載可按照實際屋面形式按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范表7.2.1采用。

2)基本雪壓的取值。

基本雪壓應按現(xiàn)行國家標準GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的方法確定的50年重現(xiàn)期的雪壓，對于輕型屋蓋結(jié)構(gòu)或大跨度結(jié)構(gòu)，雪荷載經(jīng)常是控制荷載，極端雪荷載作用下容易造成結(jié)構(gòu)整體破壞，后果特別嚴重，屬于對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應采用100年重現(xiàn)期的雪壓。

2.5 風荷載

根據(jù)GB 50797—2012光伏電站設(shè)計規(guī)范，光伏支架風荷載應按現(xiàn)行國家標準GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中25年一遇的荷載數(shù)值取值，地面和樓頂支架風荷載體型系數(shù)取1.3。這里的風荷載體型系數(shù)是用于光伏支架和混凝土屋頂配重設(shè)計的。

對于混凝土屋面，一般情況下光伏電站系統(tǒng)和屋面是獨立的，風吸力作用下對下部結(jié)構(gòu)的影響是不用考慮的，主要是考慮風壓力作用下對主體結(jié)構(gòu)的影響，在對下部主體結(jié)構(gòu)驗算時應考慮風壓的荷載組合。

對于輕鋼屋面，由于光伏電站和屋面是聯(lián)系在一起的，需要同時考慮風吸和風壓兩種情況。在此類屋面上安裝太陽能電池板(不起傾角，隨屋面坡度安裝)，徐成[6]利用風洞試驗研究了屋頂安裝太陽能板對風荷載的影響，結(jié)果表明，安裝光伏太陽能板對屋頂整體風荷載的影響不大，但增大了局部的最強風吸力；安裝在屋頂?shù)奶柲芄夥弩w型系數(shù)隨位置變化不敏感，取值均在±0.2之間。

涉及到輕鋼屋面風荷載計算的主要規(guī)范有GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,CECS 102：2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范，三本規(guī)范、規(guī)程對于風荷載的計算不盡相同。

取典型門式剛架，房屋高度不大于18 m、房屋高寬比小于1、屋面坡度1/20為例，計算不同規(guī)范的風荷載，匯總結(jié)果見表1和表2。

表1 剛架風荷載系數(shù)對比

表2 檁條風荷載系數(shù)對比

從表1和表2中可以看出，GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范對風荷載的要求較高，檁條在屋面各區(qū)均會存在風吸力和風壓力兩種情況的，計算時應考慮兩種工況下的荷載組合。按此規(guī)范，光伏項目中對于既有廠房檁條驗算通過率不高。

3 荷載的組合應注意的問題

1)荷載組合的原則應遵循以下原則：a.屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者的較大值。b.積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮。c.施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮。d.風荷載不與地震作用同時考慮。

2)荷載基本組合的效應設(shè)計值應按下式確定。

Sd=rGSGk+ΨQrQSQk+ΨwrwSwk。

應注意式中ΨQ和Ψw分別為可變荷載組合值系數(shù)和風荷載組合值系數(shù)，當永久荷載效應起控制作用時應分別取0.7和0；當可變荷載效應起控制作用時應分別取1.0和0.6。同時，應考慮風壓和風吸力兩種荷載工況。

4 屋面荷載的預判

4.1 鋼筋混凝土屋面

混凝土屋面光伏系統(tǒng)按單排組件最佳傾角進行安裝、以混凝土配重來抵抗風荷載，屋面新增荷載約0.50 kN/m2～1.0 kN/m2。新增光伏發(fā)電系統(tǒng)的承載力校核驗算通過率大于80%。結(jié)構(gòu)方面比較適宜安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。

混凝土預制板屋面、預應力雙T板屋面、馬鞍板屋面，通過選擇合適的安裝形式，如適當降低安裝傾角、避讓敏感區(qū)域、陣列加裝導流板、降低配重塊高度和重量等，也可以安裝光伏電站系統(tǒng)。

4.2 輕鋼屋面

輕鋼瓦屋面光伏系統(tǒng)按組件順屋面坡度平鋪安裝、支架檁條采用夾具夾在金屬屋面瓦楞上考慮，屋面新增荷載約0.15 kN/m2～0.20 kN/m2。新增光伏發(fā)電系統(tǒng)的承載力校核驗算通過率小于50%。結(jié)構(gòu)承載力不足情況較多，使用前需認真校核。

4.3 應注意的問題

光伏電站在施工時經(jīng)常會存在一些不規(guī)范施工的問題，比如將光伏組件成箱吊至屋面某一處，電纜線在屋面上拖拽前行，人員較密集的在一起，這些做法對于輕鋼屋面是非常危險的。檢測鑒定單位和設(shè)計單位應將這些注意事項告知施工單位，消除安全隱患。私自建造的建筑物、建設(shè)年代久遠的老舊建筑，存在偷工減料的豆腐渣工程、私自改擴建的建筑，建設(shè)期替換過鋼材等級的建筑，這些往往是存在安全問題建筑。在光伏電站選址時應避開這些建筑，或根據(jù)檢測鑒定進行補強加固后進行光伏電站建設(shè)。

[1] GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 51022—2015，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[3] CECS 102:2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012年版)[S].

[4] 宗 岳,束云華,徐建美,等.屋頂光伏陣列風荷載的研究[A].第14屆中國光伏大會(CPVC14)論文集[C].2014:299-304.

[5] 吉春明,朱慶東.屋面光伏陣列荷載分析與結(jié)構(gòu)承載力評估[J].武漢大學學報(工學版),2011(S44):109-112.

[6] 徐 成,趙金城,鄭洪有,等.屋頂安裝光伏太陽能板風荷載試驗研究[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版),2015,28(2):33-34.