柔性光伏支架錨具預制性裝配的研究與應用

詹永和，黃 莉

（江西恒能電力工程有限公司，南昌 330001）

0 引言

隨著中國提出碳達峰、碳中和的目標，以及國家從政策方面對新能源發展做出的支持，中國光伏產業得到了進一步推廣。為應對光伏發電項目激增的情況，各種場地類型、規格的光伏發電項目應運而生。停車場作為開發利用前景巨大的光伏發電場景，具有極大的開發價值。隨著光伏發電進入平價上網時代，原先停車場光伏發電項目的光伏支架結構形式、制造成本已無法滿足如今停車場光伏發電項目的建設需求。傳統的停車場光伏發電項目的結構形式是采用固定光伏支架和一般停車場結構相結合，但該結構形式的高度、跨度都存在時代的局限性，立柱較多、基礎開挖量大、僅能停放小型車輛等因素都制約了停車場光伏發電項目這一巨大市場的開發。因此，應運用創新思維，根據不同類別應用場景，探索合理的光伏支架結構設計形式和安裝方式，從而降低光伏發電項目的建設成本。

與固定光伏支架的結構不同，柔性光伏支架采用索結構作為光伏組件的支撐系統，通過錨具與主體結構相連。基于此，本文以河北省長安區某停車場光伏發電項目為例，提出該項目采用柔性光伏支架方案，對其索結構進行分析，通過對方案設計中技術方案、建設成本等要點及計算結果進行分析，提出柔性光伏支架錨具預制性裝配應用的新思路，可為今后相似工程設計提供參考。

1 方案概述

本文以河北省長安區某12 MW 停車場光伏發電項目為例，對其結構件進行分析。對該項目采用的柔性光伏支架的緊固件、主材等進行歸納整理，結合輸變電線路金具的可靠性，提出柔性光伏支架緊固件與輸變電線路部分金具進行等價代換的方式，即利用市場上成熟的輸變電線路金具，從而可以減少物資采購、工廠生產的時間，同時可以提高安裝效率，極大縮短項目的施工周期。

針對該停車場光伏發電項目進行建模，并對柔性光伏支架錨具的預制性裝配應用進行計算。根據停車場所在區域的氣象資料，結合收集到的停車場高度、跨度、凈空等基本參數要求，在CAD 軟件中構建停車場光伏發電項目中某光伏方陣模型的初始框架。定義完成后，將該框架導入到SAP2000 有限元分析軟件中，本方案柔性光伏支架系統采用索結構，在SAP2000 軟件中定義完成索單元后，采用等效降溫法模擬預應力的施加，疊加光伏組件和索的自重、雪荷載、風荷載，通過非線性分析后得出索結構的最大拉力，從而確定錨具的選型。

選取該停車場光伏發電項目中某光伏方陣進行計算。1 個標準光伏方陣設計安裝336 塊光伏組件，設計覆蓋26 個車位。標準光伏方陣的光伏組件平面布置如圖1 所示。

圖1 標準光伏方陣的光伏組件平面布置圖(單位：mm)Fig.1 Layout of PV modules for standard PV array (Unit：mm)

停車場光伏發電項目柔性光伏支架系統的前視示意圖如圖2 所示，側視示意圖如圖3 所示。

圖2 停車場光伏發電項目柔性光伏支架系統的前視示意圖Fig.2 Schematic diagram of forward looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

圖3 停車場光伏發電項目柔性光伏支架系統的側視示意圖Fig.3 Schematic diagram of side-looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

2 計算模型

2.1 主要材料截面

選擇1 個三跨柔性光伏支架進行研究，該停車場光伏發電項目的場地為平地，因此可不考慮場地坡度對索結構的影響。光伏陣列東西向跨度為20.1 m，光伏組件安裝傾角采用15°；索結構凈空為6.0 m；南北向中間榀的跨度為6.6 m，南北向邊緣榀的跨度為3.3 m，邊緣榀增加支撐；所有光伏支架立柱與地面固接，主索與穩定索通過錨具連接于主梁或立柱上，每跨內間隔4.4 m設置一道三角錐，三角錐與三角錐之間通過圓鋼連接；設計基本風壓為0.40 kN/m2、基本雪壓為0.30 kN/m2，結構安全等級為二級；設計使用年限為25 年，地面粗糙度類別為B 類；設計抗震設防烈度為6 度，基本地震加速度值為0.05g，地震分組為第3 組。

主索與穩定索均采用Φ15.2 mm 的預應力熱鍍鋅鋼絞線；主梁采用規格為150 mm×250 mm×10 mm 的口型鋼，邊跨立柱采用規格為150 mm×150 mm×8 mm×6 mm 的H 型鋼，中立柱采用規格為120 mm×4.5 mm 的口型鋼，邊立柱柱間支撐采用規格為Φ114 mm×3 mm 的型鋼，三角錐采用規格為Φ40 mm×2.5 mm 的型鋼，邊立柱側邊支撐采用規格為160 mm×4 mm 的口型鋼。所有型材均采用Q345B。

2.2 主要設計參數

由于光伏行業通常采用的相關設計規范未對柔性光伏支架進行相關描述，因此本停車場光伏發電項目按照JGJ 257—2012《索結構技術規程》[1]中的相關規定進行設計。JGJ 257—2012 中規定，索網、雙層索系及橫向加勁索系屋蓋的最大撓度與跨度之比自初始預應力狀態之后不宜大于L/250(L為跨度)；考慮到索結構撓度過大會給光伏組件造成隱裂等危害，需嚴格按照該規范要求控制索結構的撓度。該停車場光伏發電項目中柔性光伏支架的主要設計參數匯總如表1所示。

3 結構分析

3.1 建立結構分析模型

采用SAP2000 軟件進行結構分析，該軟件中有兩種方法可模擬索結構建模，分別為修改剛度法和直接繪制索法。本項目的柔性光伏支架系統的索結構建模采用直接繪制索法，即通過在軟件中直接繪制索的方法來繪制整個結構分析模型。

由于光伏組件存在15°的安裝傾角，索與主梁連接的位置無法完全重合，因此建模時在該位置設置節點約束，通過指定節點約束，添加“WELD”和“WELD2”兩個節點約束，約束類型為“BODY”。其中，“WELD”為索與邊跨主梁的連接節點約束，此約束限制X、Y、Z這3 個方向的平動和轉動，并且規定拼接容差，將同一根索與主梁連接的3 個節點歸并為1 組；“WELD2”為索與中間跨主梁的連接節點約束，此約束僅限制X、Z兩個方向的平動，并且規定拼接容差，將同一根索與主梁連接的3 個節點歸并為1 組。立柱底部采用固接。

SAP2000 軟件中可采用等效降溫法模擬預應力的施加。該方法中，所需的變化溫度ΔT的計算式可表示為：

式中：F為單根索所需達到的預拉力。

根據式(1)可計算得到，本項目中，主索的預拉力為80 kN，穩定索的預拉力為20 kN。

3.2 荷載組合

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》[2]中的條文說明，對于地面用光伏組件的光伏支架，當設計抗震設防烈度小于8 度時，可以不進行抗震驗算。本項目的設計抗震設防烈度為6 度，所以地震荷載不參與柔性光伏支架的荷載組合，在最不利荷載中不需要考慮地震荷載。

根據GB 50797—2012 中的要求，無地震作用效應組合時，荷載效應組合的設計值S應按式(2)進行計算，即：

式中：γG為永久荷載分項系數，對結構有利時取1.0，反之取1.3；γw、γs、γt分別為風荷載、雪荷載和溫度作用的分項系數，本文均取1.5；ψw、ψs、ψt分別為風荷載、雪荷載和溫度作用的組合值系數；SGk為永久荷載標準值；Swk為風荷載標準值；Ssk為雪荷載標準值；Stk為溫度作用標準值。

本項目承載能力極限狀態下的荷載基本組合分別定義如下：

1)“COMB1”：1.3SGK+ 1.5Swk1+ 1.05Ssk。

2)“COMB2”：1.3SGK+ 0.9Swk+ 1.5Ssk。

3)“COMB3”：1.0SGK+ 1.5Swk2。

式中：Swk1為風荷載標準值(迎風)；Swk2為風荷載標準值(背風)。

正常使用極限狀態下的荷載標準組合分別定義如下：

1)“COMB4”：1.0SGK+ 1.0Swk1+ 0.7Ssk。

2)“COMB5”：1.0SGK+ 0.6Swk+ 1.0Ssk。

3)“COMB6”：1.0SGK+ 1.0Swk2。

在SAP2000 軟件中，先定義溫度作用工況為初始工況，模擬初始預應力情況。分析類型選擇“非線性”選項，并選擇“幾何非線性參數”下的“P-Δ 和大位移”選項。索結構的安裝采用先張法，張拉完成后再鋪設光伏組件。在SAP2000 軟件中，用“DEAD”模擬光伏組件荷載，“接力非線性工況”選擇“溫度作用”。同理，雪荷載施加在光伏組件安裝完成后，即“接力非線性工況”選擇“DEAD”；風荷載添加與雪荷載添加原理相同。

在添加完荷載工況后，直接在荷載工況菜單欄下添加荷載組合，即分別添加“COMB1”“COMB2”“COMB3”“COMB4”“COMB5”“COMB6”，“接力非線性工況”選擇“溫度作用”。完成后，在定義荷載組合的菜單下，直接添加已在荷載工況菜單欄中添加的荷載組合“COMB1”～“COMB6”，完成荷載組合的定義。

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3.3 模型分析

采用等效降溫法模擬預應力的施加。在“荷載模式”中選擇“溫度”選項，主索施加的溫度為-242 ℃，穩定索施加的溫度為-120 ℃，模擬結果如圖4 所示。

圖4 等效降溫法得到的預應力模擬結果Fig.4 Simulated results of prestress obtained by equivalent cooling method

在正常使用極限狀態的荷載標準組合作用下，主索、穩定索的結構變形圖分別如圖5、圖6 所示。圖中：“Pt Obj”表示單位；“Pt Elm”表示節點編號；U1、U2、U3分別代表沿節點局部軸X、Y、Z向的平動位移；R1、R2、R3分別代表繞節點局部軸X、Y、Z向的轉動位移。

圖5 在正常使用極限狀態的荷載標準組合作用下主索的結構變形圖Fig.5 Diagram of structural deformation of main cable under action of load standard combinations in normal service limit state

圖6 在正常使用極限狀態的荷載標準組合作用下穩定索的結構變形圖Fig.6 Diagram of structural deformation of stable cable under action of load standard combinations in normal service limit state

從圖5、圖6 可以看出：在正常使用極限狀態的荷載標準組合作用下，主索的最大位移(即最大豎向撓度)為78.69 mm；穩定索的最大位移(即最大豎向撓度)為74.32 mm。

經計算分析，主索、穩定索均采用Φ15.2 mm 鋼絞線，可滿足使用要求，即主索的初始預應力為80 kN，穩定索的初始預應力為20 kN。

在承載能力極限狀態的荷載基本組合作用下，主索的最大內力(即最大拉力)為116.955 kN。根據JGJ 257—2012[1]的要求，索的抗拉力設計值F1需按式(3)計算，即：

式中：Ftk為索的極限抗拉力標準值；γR為索的抗拉力分項系數，本文取2.0。

Φ15.2 mm 鋼絞線的極限抗拉力標準值為260.400 kN，根據式(3)可計算得到，其抗拉力設計值為130.200 kN。而主索的最大拉力為116.955 kN，小于索的抗拉力設計值。

表2 索結構的預應力計算結果Table 2 Calculation results of prestressing force in cable structures

4 錨具的選擇

4.1 錨具類型的選擇

錨具類型需要按照JGJ 257—2012[1]和JGJ 85—2010《預應力筋用錨具、夾具和連接器應用技術規程》[3]中的要求進行選擇。

JGJ 257—2012[1]中第4.3 章關于錨具的具體規定為：索的常用錨具及連接的構造形式應滿足安裝和調節的需要；鋼絲束、鋼絲繩索體采用熱鑄錨具或冷鑄錨具；鋼絞線索體可采用夾片錨具，也可采用擠壓錨具或壓接錨具；承載低應力或動荷載的夾片錨具應有防松裝置。

JGJ 85—2010[3]中關于錨具的具體規定如表3 所示。

表3 JGJ 85—2010 中關于錨具的具體規定Table 3 Specific regulations for anchors in JGJ 85—2010

根據上述2 個規范要求，本方案創新性地采用輸電線路金具(擠壓錨具)替換柔性光伏支架系統索結構的錨具是滿足規范要求的。

4.2 輸電線路金具的受力分析

根據SAP2000 軟件輸出的計算結果，本方案柔性光伏支架系統索結構的主索及穩定索均采用Φ15.2 mm 鋼絞線；配套錨具采用輸電線路金具(即楔形線夾)。不同型號楔形線夾的主要參數如表4 所示。

表4 不同型號楔形線夾的主要參數Table 4 Main parameters of different types of wedge clamps

從表4 可以看出：根據廠家提供的資料，型號為NX-3 的楔形線夾的破壞荷載為143 kN，型號為NX-4 的楔形線夾的破壞荷載為164 kN，均可滿足使用要求。

5 大跨度柔性光伏支架錨具預制性裝配的應用前景

在當前的應用市場上，柔性光伏支架多應用于建在停車場、污水處理廠，以及復雜山地場景的光伏發電項目中。本文以停車場光伏發電項目為應用場景，在索結構安裝的部分提出錨具預制性裝配應用這一新思路。經過實際計算后發現，采用輸電線路金具可以充當索結構的錨具，并且輸電線路金具在國家電網幾十年的發展中已經趨于完善，擁有完整的設計、生產、施工的優質產業鏈。以往采用柔性光伏支架的項目中，設計院的設計方案完成后，需尋求錨具廠家針對項目所用錨具進行開模，而此過程通常需要15～30 天的周期；若直接通過設計計算后選擇相應的輸電線路金具，廠家無需開模，可直接供應產品，將極大地縮短產品的生產周期，從而縮短了光伏發電項目的施工周期，并可降低光伏發電項目的建設成本。

6 結論

本文以河北省長安區某停車場光伏發電項目為例，該項目采用柔性光伏支架方案，通過建立模型對其索結構的預應力進行計算分析，提出錨具預制性裝配應用的新思路，并對通常采用的索結構錨具與輸電線路金具(擠壓錨具)進行了對比。研究結果表明：經過實際計算后發現，采用輸電線路金具可以充當索結構的錨具，從而減少了產品的生產時間，縮短了光伏發電項目的施工周期，并降低了項目的建設成本。

在過去十幾年的時間內，中國光伏電站蓬勃發展，為助力光伏行業的持續發展，各種形式的光伏支架層出不窮，柔性光伏支架在目前應用市場的熱度也在持續增高，不少傳統光伏支架的生產企業已轉入柔性光伏支架的研發與改進中，而索結構錨具的預制性裝配應用將使縮短施工周期這一目標成為可能。