張弦梁結構體系在光伏項目中的應用分析

劉 丹

(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021)

張弦梁是一種穩定的預應力自平衡體系，即施加在結構上的預應力在結構本體內得到平衡，而不會傳遞到支座或者基礎上。同一般索結構相比，張弦梁結構的剛度要大很多，在不規則風荷載作用下，結構的形狀穩定性更優[1-2]。張弦梁結構體系主要由上弦鋼梁、撐桿、下弦索體等部分組成，通過張拉下弦索體，使撐桿對鋼梁產生向上的集中力，這樣，在豎向荷載作用下，鋼梁的受力特征從類似簡支梁變化為多跨連續梁(同時受壓)，截面利用效率更高，經濟性更好。但是對于輕型屋面結構，如果風吸力大于屋面自重，風吸力工況作用下，鋼梁向上彎曲，這時撐桿對鋼梁產生的向上集中力反而成為了不利荷載，故張弦梁結構一般適用于重型屋面結構[3]。光伏組件、支架等組成的光伏系統自重較小(一般小于0.15 kN/m2)，屬于輕型屋面，將張弦梁結構體系運用到光伏支架中，需要布置攬風索，減小風吸力作用下鋼梁向上彎曲，保證結構強度、剛度滿足設計要求。本文介紹了一種帶攬風索的張弦梁光伏支架體系，并建立了三維計算模型，分析了主索施加不同張拉力時，結構的自振特性，鋼梁、攬風索以及柱腳處的內力變化規律，鋼梁的變形規律。

1 張弦梁光伏支架方案概述

本文提出的張弦梁光伏支架體系采用較大跨度的結構布置方案，可利用平整性較差的光伏場地，可跨越較大溝壑、河道，可用于復合型(農光互補、林光互補、漁光互補等)光伏電站。結構體系主要由鋼梁、立柱、撐桿、主索、攬風索、光伏組件、檁條、水平支撐、系桿、水平滑動支座、鉸接支座等組成，張弦梁跨度為20.4 m，跨中3等分點處設置2道撐桿，撐桿高度均為2 m，鋼梁兩端支撐在立柱上，一端設置水平滑動支座，一端設置鉸接支座，撐桿與鋼梁連接點處，設置攬風索，攬風索向2側斜拉，固定于立柱上。張弦梁縱向間距為6 m，2榀張弦梁之間布置檁條，檁條上鋪設光伏組件，光伏組件起坡至10°。張弦梁對應支座和撐桿節點處設置通長系桿，結構四周縱、橫向設置水平支撐。每2榀張弦梁之間共鋪設6排(每排5塊)光伏組件，結構方案如圖1，圖2所示。實際工程中，結構縱向跨數根據場地情況調整。本文建立了張弦梁光伏支架體系的三維分析模型，研究模型中，各類荷載以線荷載形式作用于檁條。

2 設計參數及計算模型

2.1 構件信息

本文張弦梁結構方案中，柔性構件(主索、攬風索等)采用Φ15 mm鋼絞線，鋼梁采用Q355方鋼管，撐桿采用Q355圓鋼管。

2.2 荷載取值

分析模型恒荷載按0.15 kN/m2考慮，雪荷載、風荷載按25 a重現期取值[4]，雪荷載按0.25 kN/m2考慮，風荷載按0.45 kN/m2考慮，考慮風振系數。主索張拉荷載作為變量輸入計算模型。

2.3 計算軟件

本文采用SAP2000進行分析計算。SAP2000是國際上通用的一款計算、分析軟件，它幾乎囊括了所有結構工程領域內的結構分析功能，多年的發展，SAP2000積累了豐富的結構計算分析經驗，從靜力動力計算，到非線性分析，其均能得到可靠的分析結果[5]。

2.4 模型信息

根據主索張拉荷載的不同，本文建立了7個三維對比分析模型：M1-5，M1-10，M1-15，M1-20，M1-25，M1-30，M1-35，各模型主索預拉力分別為5 kN,10 kN,15 kN,20 kN,25 kN,30 kN,35 kN。

各計算模型考慮了施工階段影響，在張弦梁主索張拉完成之后布置屋面恒荷載，然后再布置攬風索(即攬風索在主索預拉力荷載、恒荷載施加完成之后的結構形態上施加)，之后施加雪荷載、風荷載；同時，采用靜力非線性方法計算分析，考慮結構幾何非線性影響[6]。

3 主索張拉力對結構自振特性的影響

3.1 結構自振周期

三維分析模型的前3階自振周期見表1。

表1 結構自振周期

由表1可知，主索施加不同的預拉力，結構的前3階自振周期無顯著變化，這也說明，張弦梁結構主索施加不同的預拉力對結構整體剛度無顯著影響。

3.2 結構振型狀態

三維分析模型M1-15的前3階振型特征見圖3。

由圖3可知，結構第1階振型以X向(縱向)平動為主，張弦梁跨中振幅較大，支座處振幅較小；結構第2階振型以Y向(橫向)平動為主，張弦梁在平面內呈波浪形振動；結構第3階振型為扭轉振型。以上振型狀態說明：張弦梁結構平面外剛度較弱，上弦鋼梁和下弦主索均需要設置可靠的平面外支撐體系，避免結構在平面外失穩。

4 主索張拉力對結構剛度的影響

主索施加不同的預拉力時，在風壓力和風吸力控制工況下，鋼梁(中間榀，下同)的最大變形量如表2,圖4所示。

表2 結構最大變形量

由表2，圖4可知，在風壓力控制工況下，主索施加不同的張拉力，結構向下位移量并沒有顯著變化；在風吸力控制工況下，隨著主索施加的張拉力增大，結構位移由向下逐漸變為向上，數值逐漸增大。以上結構位移變化特征說明：改變主索張拉力，張弦梁結構的豎向剛度沒有顯著變化；由于攬風索的作用，風吸力工況下，增加主索張拉力，鋼梁跨中變形發生變化。

5 主索張拉力對主要構件內力的影響

5.1 主索張拉力對鋼梁、攬風索內力的影響

表3及圖5～圖7反映了風荷載控制工況下，主索施加不同的預拉力，結構鋼梁和攬風索的內力及其變化規律。

表3 鋼梁與攬風索內力

由表3及圖5，圖6可知：風壓力工況下，隨著主索張拉力變大，鋼梁正彎矩(使鋼梁下翼緣受拉的彎矩為正)在逐漸減??；風吸力工況下，隨著主索張拉力變大，鋼梁負彎矩(使鋼梁上翼緣受拉的彎矩為負)在逐漸增大。這是因為主索張拉力增加，撐桿對鋼梁施加的向上反力增加，使鋼梁負彎矩增加，這對風壓力工況有利，對風吸力工況不利。

隨著主索張拉力變大，風吸力工況下，攬風索最大拉力在逐漸減小，這說明主索張拉力增大，不改變攬風索張拉力的情況下，攬風索的攬風作用在逐漸減弱。

圖7反映了主索張拉力變化時，鋼梁彎矩的變化趨勢。

風壓力控制工況下，當主索張拉力較小時，鋼梁為全段正彎矩，隨著主索張拉力增加，鋼梁跨中彎矩逐漸減小，最后跨中彎矩變為負彎矩；風吸力控制工況下，當主索張拉力較小時，鋼梁彎矩分為三段，撐桿處為正彎矩，其余位置為負彎矩，隨著主索張拉力增加，跨中負彎矩逐漸增加，最后鋼梁全段為負彎矩；通過彎矩圖變化趨勢可以看出，隨著主索張拉力增加，攬風索起到的作用逐漸變小。

鋼梁設計時，應綜合考慮風壓力、風吸力工況下的內力，當風壓力工況下梁的正負彎矩和風吸力工況下梁的正負彎矩相等時，鋼梁的抗彎承載能力利用最充分，由圖5可知，本文所述張弦梁光伏支架，當主索張拉力控制在18 kN左右時，風荷載作用下，梁的正負彎矩相近。

5.2 主索張拉力對立柱柱底反力的影響

表4，表5及圖8～圖11反映了風吸力控制工況下，主索施加不同預拉力時，右柱和左柱的柱底反力及其變化規律。

表4 右柱柱底反力

表5 左柱柱底反力

由表4及圖9～圖11可知：風壓力工況下，左柱和右柱的柱底反力與主索張拉力大小無關，這是因為張弦梁是預應力自平衡體系，所施加的預應力在體系內部平衡，并不傳遞到支座，并且在風壓力工況下，攬風索基本處于松弛狀態，不發揮作用，也不會傳遞內力到立柱，故風壓力工況下，左柱和右柱的柱底反力固定不變。風吸力工況下，左柱和右柱的柱底軸力與主索張拉力大小無關；左柱和右柱的柱底剪力、彎矩隨著主索張拉力的增大而減小。這是因為，攬風索隨著主索張拉力變大，其發揮的攬風作用在減小，其傳遞至立柱的反力也在減小。因此，在主索張拉力較大時，為了保證攬風索起到足夠的作用，需要對攬風索施加一定的預拉力。

6 結論

張弦梁結構一般適用于重型屋面，光伏系統自重較小，屬于輕型屋面，將張弦梁結構體系運用到光伏支架中，需要布置攬風索，減小風吸力作用下鋼梁向上彎曲變形，保證結構強度、剛度滿足設計要求。本文介紹了一種帶攬風索的張弦梁光伏支架體系，通過對主索施加不同的張拉力，建立對比分析模型，分析了結構自振特性與主索張拉力的關系，以及風壓力和風吸力工況下，結構變形與主索張拉力的關系，鋼梁、攬風索內力和柱腳反力與主索張拉力的關系。結論如下：

1)主索施加不同的預拉力，對結構豎向剛度無顯著影響，結構的振型特征無明顯變化；張弦梁結構平面外剛度較弱，上弦鋼梁和下弦主索均需要設置可靠的平面外支撐體系，避免結構在平面外失穩。2)改變主索張拉力，張弦梁結構的豎向剛度沒有顯著變化，風壓力控制工況下結構豎向位移基本沒有變化；風吸力控制工況下，由于攬風索的作用，增加主索張拉力，鋼梁豎向變形發生變化。3)風壓力工況下，隨著主索張拉力增大，鋼梁正彎矩在逐漸減?。伙L吸力工況下，隨著主索張拉力增大，鋼梁負彎矩在逐漸增大，因此，鋼梁設計時，應綜合考慮風壓力、風吸力工況下的內力，當風壓力工況下梁的正負彎矩和風吸力工況下梁的正負彎矩相等時，鋼梁的抗彎承載能力利用最充分，本文所述張弦梁光伏支架，當主索張拉力控制在18 kN左右時，風荷載作用下梁的正負彎矩相近。4)風吸力工況下，隨著主索張拉力增大，攬風索最大拉力在逐漸減小，這說明主索張拉力增大，不改變攬風索張拉力的情況下，攬風索的攬風作用在逐漸減弱，因此，在主索張拉力較大時，為了保證攬風索起到足夠的作用，需要對攬風索施加一定的預拉力。5)風壓力工況下，柱底反力與主索張拉力大小無關；風吸力工況下，柱底軸力與主索張拉力大小無關；柱底剪力、彎矩隨著主索張拉力的增大而減小。