柔性光伏支架結(jié)構(gòu)布置形式分析研究

楊 光，左得奇，鐘 飛，侯克讓，鄭 中，張和平

（中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

在土地資源緊張的情況下，要大規(guī)模發(fā)展光伏電站，就要利用一切可利用的土地資源，如湖泊、魚塘、地勢(shì)復(fù)雜的山地等，采用漁光互補(bǔ)、農(nóng)光互補(bǔ)、林光互補(bǔ)等形式，以使土地資源利用最大化[1-4]。

而傳統(tǒng)固定式支架受限于其安裝方式，在灘涂、魚塘及復(fù)雜山地區(qū)域難以運(yùn)用，因此，能夠適應(yīng)復(fù)雜地理環(huán)境的柔性光伏支架應(yīng)運(yùn)而生[5-6]。柔性光伏支架采用預(yù)應(yīng)力鋼索承托光伏面板，通過端部的水平支撐構(gòu)件平衡拉索水平力，并通過設(shè)置中部支架減小拉索跨度。

王雨[7]介紹了部分柔性光伏支架技術(shù)方案，提出了柔性支架技術(shù)方案、荷載計(jì)算及預(yù)應(yīng)力張拉順序等方面的建議。牛斌[8]從單層和雙層懸索結(jié)構(gòu)的基本受力特點(diǎn)出發(fā)，分析了柔性支架在光伏發(fā)電工程中的應(yīng)用，提出預(yù)應(yīng)力的建立是索桁架獲得結(jié)構(gòu)剛度和形狀穩(wěn)定性的必要措施。周杰[9]對(duì)山區(qū)地形下柔性支架預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并提供了一種計(jì)算主索與穩(wěn)定索的預(yù)張力范圍的方法。唐俊福[10]對(duì)比了三種水平力承載構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)，并研究了水平力承載構(gòu)件與地面傾角的變化對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響。

以上研究主要針對(duì)于預(yù)應(yīng)力索、水平支撐等柔性支架結(jié)構(gòu)構(gòu)件[11-14]，對(duì)于柔性光伏支架完整系統(tǒng)整體性研究，尤其是系統(tǒng)整體關(guān)鍵參數(shù)、可靠性與經(jīng)濟(jì)性相適應(yīng)等研究尚處空白。本文鑒于現(xiàn)有柔性支架研究現(xiàn)狀，對(duì)包括索布置、梁布置、柱布置以及其他支撐布置的各類柔性支架布置形式進(jìn)行歸類整理，同時(shí)對(duì)比分析各類柔性支架布置形式以及跨度和跨數(shù)的合理性及經(jīng)濟(jì)性，提出建議取值方案。

1 柔性光伏支架結(jié)構(gòu)布置形式

1.1 柔性光伏支架系統(tǒng)

柔性光伏支架結(jié)構(gòu)體系分為2個(gè)部分 ：柔性系統(tǒng)和支架系統(tǒng)。柔性系統(tǒng)由預(yù)應(yīng)力主索、穩(wěn)定索、防風(fēng)索、組件固定夾具、三角錐或四角錐、光伏組件等構(gòu)成；支架系統(tǒng)由基礎(chǔ)(包括獨(dú)立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、錨桿基礎(chǔ))、鋼立柱、鋼梁、支撐體系(包括斜拉索、斜支撐)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 柔性支架構(gòu)件圖

當(dāng)柔性支架跨度較大或承受的荷載增大時(shí)，主索跨中位移以及撓度也會(huì)相應(yīng)增大，若只提高索的預(yù)拉力來消除位移及撓度增大的影響，當(dāng)預(yù)拉力增大到一定值時(shí)，將會(huì)超過索的承載力，在此類情況下，應(yīng)設(shè)置穩(wěn)定索以及防風(fēng)索，有條件時(shí)可利用鋼桁架替代防風(fēng)索。

1.2 索—梁形式

索—梁形式即將索與梁直接相連，梁通長布置，此種布置形式的力傳導(dǎo)方式為索拉力→鋼橫梁→鋼立柱→支撐。

1.2.1 小跨度柔性支架索—梁形式

當(dāng)柔性支架跨度較小(通常L≤30 m)時(shí)，設(shè)置2道主索即可滿足強(qiáng)度、撓度等設(shè)計(jì)要求，此種布置方式中，橫梁在跨距內(nèi)承擔(dān)了多道索的拉力，而單根索的拉力可達(dá)到100 kN左右，故橫梁的耗鋼量在整個(gè)支架結(jié)構(gòu)中占據(jù)較大的比例。由于柱間支撐和斜支撐的布置，索的水平力主要由支撐構(gòu)件承擔(dān)，鋼立柱幾乎不受水平力作用，但是柱底、斜支撐底部將會(huì)有較大的反力，在一些地質(zhì)條件不良的區(qū)域，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可能存在較大的困難。

柔性光伏支架一般有四種端部支撐形式[10]，分別為斜拉桿、鋼斜柱、八字形鋼斜柱以及斜拉索。其中，斜拉桿與斜拉索為受拉構(gòu)件，鋼斜柱為受壓構(gòu)件，八字形鋼斜柱的兩斜柱內(nèi)力等大反向，在數(shù)值上等于斜拉桿、斜拉索或鋼斜柱的一半，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn)選用合適的水平支撐體系。

連續(xù)多跨支架分為端榀支架與中榀支架如圖2所示，通過設(shè)置中榀支架減小預(yù)應(yīng)力拉索拉力。

圖2 小跨度連續(xù)多跨索—梁形式

中榀鋼橫梁對(duì)索的支承方式通常為滑動(dòng)支承，即索在中間支座時(shí)不斷開，而是一整條索連續(xù)搭接過去，使鋼橫梁不承擔(dān)索軸向拉力荷載作用。在此條件下，鋼梁的受力包括構(gòu)件重量、風(fēng)載及雪載，這些荷載相對(duì)于索拉力很小，較小的型鋼尺寸即可滿足工程需要，故中榀支架的鋼材耗量會(huì)較端部顯著下降。

1.2.2 大跨度柔性支架索—梁形式

當(dāng)柔性支架跨度L≥30 m時(shí)，設(shè)置2道主索難以滿足跨中撓度要求，如果增大預(yù)緊力以滿足撓度需要，則會(huì)超過索力設(shè)計(jì)值；同時(shí)，由于索結(jié)構(gòu)較柔，跨度較大時(shí)，風(fēng)致振動(dòng)作用較為顯著，需要設(shè)置防風(fēng)體系。

大跨度索—梁形式柔性支架如圖3所示，圖3(a)中在支架的橫向單排設(shè)置2道主索、1道穩(wěn)定索以及三角錐，穩(wěn)定索的設(shè)置可以減小索跨中撓度并可分擔(dān)部分主索拉力；在支架縱向設(shè)置防風(fēng)索以減小風(fēng)振作用，防風(fēng)索端部可錨入地基亦可牽拉至兩端端柱，但牽拉至端柱時(shí)需要增大端柱截面。圖3(b)中以鋼桁架替代防風(fēng)索，鋼桁架所用桿件為剛性桿，安裝完畢后不必進(jìn)行牽拉。圖3(c)為大跨度索—梁形式連續(xù)多跨支架。

圖3 大跨度單跨索—梁形式

在大跨度柔性支架體系中，需要施加預(yù)緊力的索有主索以及穩(wěn)定索，根據(jù)實(shí)際工程，施加預(yù)緊力順序?yàn)椋孩傧瘸醪綇埨魉鳎谥魉魃箱佋O(shè)光伏組件，安裝完成后調(diào)整主索拉力達(dá)到預(yù)張力設(shè)計(jì)值；②進(jìn)行穩(wěn)定索的張拉，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體撓度[9]。縱向防風(fēng)體系不再進(jìn)行張拉。

1.3 索—柱形式

索—柱形式即將索與柱直接或間接相連，多柱少梁，此種布置形式的力傳導(dǎo)方式為索拉力→鋼立柱→支撐或索拉力→支撐→鋼立柱。

1.3.1 小跨度柔性支架索—柱形式

小跨度單跨支架的索—柱形式如圖4所示，此種布置方式相較于索—梁形式，取消了鋼橫梁，增大了鋼柱的密度，同時(shí)減小了柱底與支撐底的反力，但是增加了基礎(chǔ)個(gè)數(shù)。索—柱形式的端部支撐形式主要為3種：斜拉索、鋼斜柱以及八字形鋼斜柱。

圖4 小跨度柔性支架索—梁形式

索—柱形式柔性支架中榀的支架形式類似于固定式單柱光伏支架，如圖5所示，構(gòu)件包括鋼斜梁、斜撐桿、鋼立柱、支撐桿、拉桿(索)，斜撐桿通過抱箍或焊接與鋼立柱相連，通過螺栓或焊接與鋼斜梁相連，鋼斜梁支承于鋼立柱與斜撐上，索支承于鋼斜梁上，每一排2根主索對(duì)應(yīng)于一根鋼立柱。中榀支架對(duì)索的支承方式同樣為滑動(dòng)支承，索在中間支座時(shí)不斷開，而采用連續(xù)搭接的方式，使支架不受預(yù)應(yīng)力索軸向拉力作用。為減小鋼橫梁用量，應(yīng)將支撐桿的作用點(diǎn)盡量靠近索與橫梁的交點(diǎn)。

1.3.2 大跨度柔性支架索—柱形式

與索—梁形式相同，通常當(dāng)柔性支架跨度L≥30 m時(shí)，需要設(shè)置防風(fēng)體系。大跨度索—柱形式柔性支架如圖6所示，索—柱形式大跨度支架端部支撐形式與小跨度相同，共3種，分別為鋼斜柱、八字形鋼斜柱以及斜拉索。

圖6 大跨度索—柱形式

在實(shí)際工程中，也可采用索—梁形式與索—柱形式相結(jié)合的布置方式，例如端榀采用索—梁形式，中榀采用索—柱形式，亦可端榀采用索—柱形式，中榀采用索—梁形式，支架的最終布置方式需根據(jù)場(chǎng)地條件、業(yè)主需要、經(jīng)濟(jì)性及安全性等因素綜合考慮。

2 兩種形式經(jīng)濟(jì)性比較分析

在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需要選擇相應(yīng)的布置形式。但是當(dāng)一個(gè)工程項(xiàng)目有多種結(jié)構(gòu)布置選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比選。

2.1 結(jié)構(gòu)布置形式比較

柔性支架的索—梁形式和索—柱形式由于結(jié)構(gòu)布置形式不同，耗鋼量會(huì)有一定差異，本節(jié)針對(duì)一個(gè)具體案例對(duì)這兩種布置形式進(jìn)行工程量比較。案例設(shè)計(jì)資料如下：

場(chǎng)地面積：80 m×125 m；框架設(shè)計(jì)高度：3 m；基本風(fēng)壓w0：0.5 kPa；光伏面板尺寸：2 383 mm×1 303 mm，單板額定功率650 W，34.4 kg/塊；設(shè)計(jì)光伏面板傾角：20°；風(fēng)載體型系數(shù)：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》取值，傾角20°時(shí)，風(fēng)載整體體型系數(shù)μs1(風(fēng)壓)為0.85，μs2(風(fēng)吸)為-1.0；風(fēng)振系數(shù)：偏保守取為2.0；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：三級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

對(duì)比方案主要為3個(gè)：索—梁布置形式、索—柱布置形式、索—梁與索—柱聯(lián)合布置形式，如圖7所示，計(jì)算軟件為sap2000。光伏板均橫向方式，每跨放置10塊，每排光伏板中心線間距為2.5 m，每橫排間距2.5 m，組件采用兩主索支承形式，在滿足撓度要求情況下不設(shè)置穩(wěn)定索和防風(fēng)索。預(yù)應(yīng)力取值：索預(yù)應(yīng)力取值不應(yīng)過大或過小。取值過大，則可能超過索容許應(yīng)力或增大基頂反力導(dǎo)致基礎(chǔ)量過大，取值過小，則可能不滿足最大容許撓度要求。故設(shè)計(jì)時(shí)建議根據(jù)允許跨中撓度計(jì)算索預(yù)應(yīng)力取值，此處根據(jù)計(jì)算取為20 kN。

圖7 75 m×120 m柔性支架設(shè)計(jì)方案

計(jì)算模型中，為正確模擬索構(gòu)件的變形與受力，考慮了構(gòu)件幾何非線性，并將索構(gòu)件定義為只拉單元；在中間跨定義連接單元以模擬中榀支架對(duì)索的滑動(dòng)支撐效果；每根主索承受荷載均換算為線荷載的形式施加；為準(zhǔn)確施加索預(yù)緊力，利用程序中目標(biāo)力在索的兩端進(jìn)行施加。

索—梁布置形式恒載與風(fēng)壓作用下的位移云圖，如圖8所示。單跨跨中最大位移為-0.65 m，滿足規(guī)范[15]L/20跨中垂度要求，此時(shí)主索軸力達(dá)到87 kN，選用φ15鋼絞線，極限破斷力為189 kN(抗拉強(qiáng)度1 570 MPa)[16]，索力設(shè)計(jì)值為94.5 kN。在其他兩個(gè)方案中，由于荷載、主索跨度與主索截面大小均相同，結(jié)構(gòu)最大位移與索—梁布置形式相差不大。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將各構(gòu)件的最大應(yīng)力比控制在0.8～0.9，避免各構(gòu)件截面過大或過小。

圖8 恒載與風(fēng)壓作用下位移云圖(索—梁布置形式)

以上3個(gè)方案的計(jì)算用鋼量見表1(序號(hào)1、2、3)所列，索—梁布置形式用鋼量最大，為64.47 t，其中鋼橫梁耗量占比達(dá)50%以上；索—梁與索—柱聯(lián)合布置形式次之，為39.26 t；索—柱布置形式最小，為26.28 t。方陣總裝機(jī)容量為650×10×3×49=955 500 W。故換算為每兆瓦用鋼量時(shí)，方案一工程量為67.47 t/MW，方案二工程量為41.09 t/MW，方案三工程量為27.50 t/MW。經(jīng)比較，在條件允許的情況下，建議采用索—柱形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 各布置方案設(shè)計(jì)用鋼量

2.2 跨度影響性分析

在大小相同的荷載作用下，當(dāng)柔性支架跨度增大時(shí)，預(yù)應(yīng)力索的跨中撓度相應(yīng)增大，當(dāng)跨度增大到一定值時(shí)，跨中垂度將會(huì)超過規(guī)范限值(L/15～L/20)[15]，故需要設(shè)置穩(wěn)定索及防風(fēng)索。雖增加了穩(wěn)定索及防風(fēng)索，但跨度的增大會(huì)減少中榀支架的數(shù)量，故大跨度與小跨度柔性支架經(jīng)濟(jì)性不便直接比較。本節(jié)基于總長75 m的柔性支架，對(duì)比3種跨度的工程量，以評(píng)估柔性支架經(jīng)濟(jì)跨度。

對(duì)比方案為：75 m五跨支架方案、75 m三跨支架方案、75 m兩跨支架方案，如圖9所示，計(jì)算軟件為sap2000，結(jié)構(gòu)布置形式均為索—柱形式。由于75 m兩跨支架方案在不設(shè)置防風(fēng)體系時(shí)的位移較大，索拉力超過了規(guī)范限值，故需要增大索截面或增設(shè)防風(fēng)體系，此處設(shè)置了穩(wěn)定索及防風(fēng)索，根據(jù)實(shí)際施工情況，主索預(yù)緊力F應(yīng)大于穩(wěn)定索預(yù)緊力f，現(xiàn)取f=F/2，F(xiàn)取為20 kN。

圖9 跨度比較模型

圖10為75 m兩跨支架方案的位移云圖，由于穩(wěn)定索的布置，索跨中撓度減小為0.985 m，滿足撓度要求；主索、穩(wěn)定索的最大拉力分別為90 kN、82 kN，均小于φ15鋼絞線拉力設(shè)計(jì)值189/2 kN。

圖10 75 m兩跨模型位移云圖

支架構(gòu)件經(jīng)過截面設(shè)計(jì)，工程量見表1(序號(hào)4、5、6)所列。從以上3個(gè)跨度方案來看，75 m五跨方案耗鋼量為1.16 t，75 m三跨方案耗鋼量為1.07 t，75 m兩跨方案耗鋼量為1.61 t。在不設(shè)置穩(wěn)定索和防風(fēng)索的情況下，支架耗鋼量隨著跨度的增大而少量減少，當(dāng)跨度繼續(xù)增大到需要設(shè)置穩(wěn)定索和穩(wěn)定索時(shí)，支架耗鋼量顯著增加，柔性支架的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)跨度應(yīng)為需要設(shè)置穩(wěn)定索及防風(fēng)索的臨界跨度。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，若沒有跨度限值，可先計(jì)算出臨界跨度L0，實(shí)際設(shè)計(jì)跨度L可在L0基礎(chǔ)上偏安全地乘以縮減系數(shù)。

3 結(jié)論

1)相同設(shè)計(jì)條件下，索—柱形式布置在經(jīng)濟(jì)上要優(yōu)于索—梁形式，因?yàn)椴粌H要除考慮梁受力強(qiáng)度外還需考慮索的連接，所以梁截面高度不會(huì)太小，梁的耗鋼量往往超過總耗量的50%以上。

2)當(dāng)布置為小跨度時(shí)，只設(shè)置2道主索，無需設(shè)置穩(wěn)定索和抗風(fēng)索即能滿足應(yīng)力和變形的要求，此時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、施加的預(yù)應(yīng)力小、施工周期短而且經(jīng)濟(jì)性好；當(dāng)跨度較大時(shí)則需要設(shè)置穩(wěn)定索和抗風(fēng)索，鋼構(gòu)件增多，耗鋼量增加，但柱和基礎(chǔ)數(shù)量相應(yīng)減少，經(jīng)濟(jì)性根據(jù)場(chǎng)地條件差異較大。

3)連續(xù)多跨布置較單跨經(jīng)濟(jì)性優(yōu)，中間支架設(shè)計(jì)成搖擺柱，索在中間支柱處連續(xù)，索外側(cè)設(shè)置斜拉索以平衡索拉力，以減少支架工程量。