螺旋地樁在日本光伏支架系統(tǒng)中的計算

郭立算

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0 引言

光伏支架基礎(chǔ)按照材質(zhì)進行區(qū)分大致可以分為水泥和鋼樁。近年來，由于日本水泥基礎(chǔ)費用高昂，以及環(huán)境污染等問題，鋼樁已經(jīng)成為光伏支架的主流形式，尤其是螺旋地樁，以其施工便捷、整體費用低等優(yōu)點，成為支架系統(tǒng)基礎(chǔ)的首選。由于日本JIS標準中沒有專門的標準針對光伏支架基礎(chǔ)進行規(guī)定，造成國內(nèi)技術(shù)人員對螺旋地樁在日本光伏支架系統(tǒng)中的計算不夠清楚，部分技術(shù)人員引用國內(nèi)標準進行計算，導(dǎo)致項目通不過當?shù)氐膶徍恕；诖耍恼乱萌毡鞠嚓P(guān)標準對螺旋地樁進行計算。

1 螺旋地樁計算概述

螺旋地樁基礎(chǔ)計算主要分成兩個部分。

（1）螺旋地樁本身強度的計算。通過與螺旋地樁接觸的上部分支架結(jié)構(gòu)，計算出螺旋地樁的水平彎矩、抗拉力、抗壓力3個方向的受力，然后利用基本的材料力學(xué)公式進行強度校核。

（2）螺旋地樁在土壤中容許壓力、容許拉力的計算。利用地勘報告所獲得的土壤信息，進行地樁壓力和拉力的計算，將所得結(jié)果與利用地樁本身強度計算所得的壓力和拉力進行對比，前者小于后者則代表該方法可行。

2 螺旋地樁本身強度計算

2.1 地樁上部受力分析

根據(jù)地樁上面部分支架結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件（SAP2000、PKPM等）計算地樁3個方向的力，水平x軸上的彎矩Mx，水平y(tǒng)軸上的彎矩My，及其z軸上的力|F|。其中，z軸上的力又分為向下的壓力F1和向上的拉力F2。地樁受力圖如圖1所示。圖1中，H為地樁露出地面的距離。文章只計算地樁部分，不對地樁上面部分展開計算。

圖1 地樁受力圖

2.2 地樁容許彎曲應(yīng)力計算

（1）地樁容許彎曲應(yīng)力fb計算。材料彎曲應(yīng)力與地樁的具體結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)系。當λy≤85時，

其中：fb≤ft[1]。

式中：F為材料的屈服強度；ft為材料的長期彎曲應(yīng)力；λy為長細比，；Lb為地樁計算長度，是地樁露出長度的2倍；i為回轉(zhuǎn)半徑；E為彈性模量；Cb為力矩系數(shù)。

以最常見的螺旋地樁為例，其一般露出地面200 mm，規(guī)格為外徑76 mm、壁厚3 mm，材質(zhì)為Q235B，對應(yīng)日本標號為SS400[2]。所對應(yīng)的各個參數(shù)如下：F=235 N/mm2；ft=235÷1.5=156.67 N/mm2；E=205 000 N/mm2；Cb=1.75；Lb=2×200=400 mm；i=25.8；λy==400÷25.8=15.504；85=112.44。

有λy≤85，則，且fb≤ft=156.67 N/mm2，最終可得fb=156.67 N/mm2。

（2）地樁容許壓縮應(yīng)力fc計算。當λ≤Λ時，

當λ＞Λ時，

式中：Λ為彈性極限細長比，。

以上述地樁為例，可得F=235 N/mm2；E=205 000 N/mm2；i=25.8；Lb=2×200=400 mm；λ==400/25.8=15.504 ≤；。

2.3 地樁強度校核

地樁校核公式為

式中：Z為地樁抗彎截面系數(shù)；A為螺旋地樁有效截面積；Mx為水平x軸上的彎矩；My為水平y(tǒng)軸上的彎矩；為z軸上的力，。

3 螺旋地樁在土壤中的容許力計算

3.1 地樁在土壤中容許壓力計算

長期荷載作用下的容許壓力[3]為

短期荷載作用下的容許壓力為

式中：Ra為地樁在土壤中的容許壓力；RU為地樁現(xiàn)場荷載試驗的極限壓力；qp為地樁端阻力，qp=50 N；N為土壤N值，由標準貫入試驗獲得；Ap為地樁尖端有效截面積；RF為側(cè)摩擦阻力；NS為砂質(zhì)土N值，標準貫入試驗獲得；LS為地樁在砂質(zhì)土中的總長度；qu為無側(cè)限抗壓強度，qu=2C；C為黏性土內(nèi)聚力，C=6～10 N[4]；Lc為地樁在黏性土中的總長度；φ為地樁周長。

3.2地樁在土壤中容許拉力計算

長期荷載作用下的容許拉力[3]為

短期荷載作用下的容許拉力[4]為

式中：tRa為地樁在土壤中的容許拉力；tRU為地樁現(xiàn)場荷載試驗的極限拉力；RF為側(cè)摩擦阻力；Wp為地樁的有效自重。

3.3 計算案例

（1）利用現(xiàn)場地樁拉力測試數(shù)據(jù)。日本一個17 MW光伏項目現(xiàn)場地樁拉力測試報告的部分數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 17 MW光伏現(xiàn)場拉力試驗測試報告數(shù)據(jù)

由表1可得，tRU=24.34 kN；地樁自重Wp=14.5 kg= 0.142 kN。根據(jù)第3.2節(jié)的計算公式，可得容許拉力（長期）為

容許拉力（短期）為

當tRa≤F1時，地樁抗拉力滿足要求（F1引用自第2.1節(jié)）。

（2）利用地勘報告數(shù)據(jù)，地勘測試報告部分數(shù)據(jù)如表2所示，地樁如圖2所示。

引用表2數(shù)據(jù)，將圖2的地樁分成三段進行計算。第一段為埋入地下部分的圓管部分，Lc1=0.70 m，此部分圓管周長φ1=0.076π=0.239 m，根據(jù)地勘底下0.7 m的平均N值，N1=0.96。第二段為埋入地下的葉片部分，Lc2=0.74 m，此部分圓管周長φ2=0.096π=0.302 m，根據(jù)地勘可得此段土壤的平均N值，N2=4.47。第三段為埋入地下的縮管部分，此部分呈梯形，因此長度只能計算一半Lc3=0.36÷2=0.18 m，此部分圓管周長φ3=0.096π=0.302 m，根據(jù)地勘可得此段土壤的平均N值，N2=6.125；地樁自重Wp=0.142 kN。

圖2 地樁（單位：mm）

表2 地勘測試報告部分數(shù)據(jù)

取C=10 N[5]，根據(jù)第3.1節(jié)中的計算公式可得

根據(jù)第3.2節(jié)中的計算公式，可得容許拉力（長期）為

容許拉力（短期）為

當tRa≤F1時，地樁抗拉力滿足要求（F1引用自第2.1節(jié)）。

4 結(jié)束語

文章通過引用日本標準，從以下兩個方面論述了螺旋地樁在日本光伏市場計算的方法：通過對地樁本身材料強度的驗算，驗證地樁是否滿足強度要求；通過地勘報告的運用，對地樁在土壤中的拉力進行計算，驗證地樁是否滿足工程需求。該研究可以為從業(yè)者提供相關(guān)參考。