魚腹式拉索柔性支架系統構造設計研究

摘" 要：該文以復雜山地魚腹式拉索柔性支架系統結構設計需求為出發點，從基礎選型設計、鋼支架（立柱）設計、組件布置方式等方面入手，研究魚腹式拉索柔性支架系統具體構造，同時結合中核獨山縣基長農業光伏電站項目的實際施工應用及經驗，對該柔性支架系統的應用過程以及效果進行評價，同時為該形式的柔性支架系統技術創新及發展提供有價值的參考。

關鍵詞：柔性光伏支架；系統構造；優化設計；組件布局；工程應用

中圖分類號：TM615" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0023-05

Abstract： Based on the structural design requirements of fish-bellied flexible support system in complex mountainous area， this paper studies the concrete structure of fish-bellied flexible support system from the aspects of foundation selection design， steel support （pillar） design， component layout and so on. At the same time， based on the actual construction application and experience of Jichang agricultural photovoltaic power station project in Dushan County， China Nuclear Power Station， the application process and effect of the flexible support system are evaluated， which provides a valuable reference for the technological innovation and development of this form of flexible support system.

Keywords： flexible photovoltaic support; system construction; optimal design; component layout; engineering application

光伏行業進入平價時代，基于“2030年碳達峰”“2060年碳中和”的大背景，光伏行業長期成長空間廣闊，“十四五”期間國內裝機高速增長愈發明確，光伏是一個地區乃至全國優化能源結構，推動“雙碳”建設的重要抓手。魚腹式柔性光伏支架是一種大跨度多連跨結構，結構兩端固定點之間用預應力鋼絲繩連接，固定點與錨桿（索）與斜支撐（鋼管）形成倒V形結構，提供支撐反力[1]。結構體系統整體受力合理，能實現10～50 m的大跨度跨越，如山谷、河道等，能有效充分利用山谷和節約寶貴的土地資源，避免破環林草資源，同時大大降低施工難度。在實際的施工應用過程中，結合現場實際具體情況調節預應力張拉索和整體結構剛度，調整光伏組件各項設計參數，能有效減少活荷載，主要指風荷作用下系統的整體振動頻率及頻次，從而減少因震動而產生的組件隱裂風險。文章以魚腹式拉索柔性光伏支架為研究對象，對整體系統構造設計和實際工程應用展開論述。

1" 魚腹式拉索柔性支架系統構造設計需求

根據調查分析，光伏發電選址條件較為復雜，優先考慮在太陽能資源豐富且光照條件好的溫性荒漠、戈壁灘、草原、高原、屋面及山頂等。尤其在山區，地形多變，地勢起伏大，氣象條件限制多，并且山區部分植被茂密，高度較高，給光伏支架的安裝施工帶來極大不便。現有傳統的光伏發電系統一般由樁基礎、剛性固定支架、組件組成，傳統的固定支架形式地形條件要求高，布置存在諸多限制，靈活性不高，土地利用率較低，且整體造價成本高昂。魚腹式拉索柔性光伏支架，由T型基礎、鋼支架（鋼立柱、鋼管斜支撐、型鋼斜支撐）、柔性承重索、上下弦鋼拉索、中間鋼立柱和斜拉索等組成，通過張拉預應力鋼絞線形成整體穩固的受力系統，來承受支撐、固定光伏組件，靈活性較高。魚腹式拉索柔性支架結構形式較為簡單，安裝操作簡便，施工質量較強，且具有一定彈性，便于卸去風荷載產生的震動，魚腹式拉索柔性支架系統施工成本較低，可大范圍地應用于山區、河谷、山谷、水面魚池、灌木林地及荒坡荒山等多種大跨度復雜場地[2]。可全方位地突破傳統意義光伏固定支架安裝的限制，能充分利用各種地形、地勢條件，是當前光伏發電系統建設主要支架形式之一，能充分滿足各種復雜地形光伏發電系統建設要求。

魚腹式拉索柔性支架系統所采用的鋼絞線承重材料有彈性模數大、強度高的特點，鋼絞線端部采用單向鎖頭，長期使用亦能保持原來的預應力，不會出現松弛的情況，能有效減少地理條件的限制，同時能減少預應力系統的維護成本，幾乎可做到系統免維護，滿足山區復雜地形大范圍建設要求。在設計期間，針對山區各種復雜地形，柔性支架結構的設計還需要充分考慮其他限制因素，例如山體天然止息角、傾斜角、山谷跨越距離、風（雪）荷載等，同時還要考慮組件自身重力、風（雪）壓等各種組合荷載作用下柔性系統的施工和應用影響，進行全面、細致的受力分析。設計人員需要提前掌握光伏場區所在地的各種基本設計參數，比如設計使用年限、結構安全等級、抗震設防烈度、基本地震加速度、設計地震分組、地面粗糙度、50年一遇的基本風壓及雪壓等。詳細驗算各種不利荷載工況組合，重視柔性支架系統的防傾覆能力，結構穩定性和承載力，重視防風、防震動設計，適當增加防風索、穩定索等，從而滿足柔性光伏支架系統的整體穩定性、耐用性。

2" 魚腹式拉索柔性光伏支架系統具體構造設計

2.1" 基礎結構設計

魚腹式拉索柔性光伏支架系統基礎設計一般分為樁基礎、獨立基礎、條形基礎、錨桿基礎等，布置在魚腹式拉索柔性光伏支架兩端，用于支撐鋼立柱，端部鋼立柱外側可分為斜拉鋼絞線、斜拉鋼支撐。作用在端部基礎上的力主要有系統本身自重、光伏組件自重以及由風（雪）荷載引發的支架柱底力，因此端部基礎設計時，應當充分考慮這些作用荷載，計算最不利荷載作用下的受力情況，避免出現可能發生的基礎以及整體支架系統滑移、傾覆、拔起等問題，因此要精確驗算基礎穩定性、地基承載力和變形參數[3]。為了保證地基的穩定性，設計工作者應該要確定基礎的深度，首先要充分考慮現場實際的地基承載力，根據實際的地質勘測情況研究計算基礎的設計方案，并充分考慮基礎底部范圍內的荷載，根據基礎兩側的荷載情況及其他參數修正基礎的埋設深度，最終確定魚腹式拉索結構的基礎埋深。因此，魚腹式拉索結構柔性光伏支架系統基礎在設計及實施時，特別要注重結構的穩定性試驗，做好整體支架系統的強度、抗拉拔、抗傾覆的驗算工作，同時還要精確計算承載能力極限狀態下荷載效應的基本組合。

為確保基礎各項參數滿足設計要求，基礎設計完成后，需要在現場進行試樁工作，并檢測各項數據是否滿足設計要求，在做試驗樁檢測時，試驗樁要盡可能選擇在原場地的原位進行，主要考慮數據的真實性、有效性、代表性，避免設計參數與實際參數存在較大差異，為魚腹式拉索結構柔性光伏支架系統提供安全、耐久性的基礎支撐。樁基礎施工完成后同步要對正式工程樁開展單樁豎向承載力、水平力、樁身完整性等試驗檢測，抽檢比例必須滿足相關規定要求：豎向承載力和水平力檢測數量不低于3根，且檢測數量不少于總樁數1%；樁身完整性檢測抽檢數量不少于10根；對于其他情況，需要視施工現場實際情況，適當擴大抽檢比例。

2.2" 柔性支架主結構系統設計

魚腹式拉索支架系統主要由鋼支架（鋼立柱、鋼管斜支撐、型鋼斜支撐）、柔性承重索、上下弦鋼拉索、中間鋼立柱和斜拉索等組成，鋼立柱系統主要由鋼立柱（受壓桿）、型鋼斜支撐（受拉桿）、鋼管斜支撐（加固作用）共同組成，三者共同組成一個倒置V字形結構，型鋼鋼梁水平布置在鋼立柱頂部，兩端鋼立柱之間同步布置有多個小立柱支撐（含小橫梁）。鋼絞線系統由承重鋼索、上弦拉索、下弦拉索及其他小部件共同組成，上弦拉索、下弦拉索共同組成“魚腹”結構，魚腹式拉索柔性支架上部鋼絞線系統對兩端鋼立柱柱頂產生向內水平荷載，承重鋼絞線所產生的水平拉力對端部基礎產生較大剪力，對內測樁基產生壓力、對外側樁基產生拉拔力，型鋼斜支撐在柱頂提供的水平拉力可抵消鋼絞線系統所產生的水平拉力，同時，型鋼斜支撐還具備一定豎向拉力，可平衡基礎位置豎向拉力。另外，為了確保整個魚腹式柔性支架陣列的整體穩定性及減少風荷載對組件產生的震動，鋼絞線系統在豎向布置拉索的同時，在橫向同步布置拉索，將整個拉索系統完整的組成一張拉索網。

整個鋼絞線系統在進行設計時要充分考慮以下荷載：恒荷載D、風荷載W、雪荷載S、地震荷載E、預應力荷載temp，荷載組合見表1。

本設計采用有限元軟件SAP2000進行構件、節點設計和計算分析。通過對節點和約束形式、桿件編號、桿件截面、端部釋放、溫度荷載、自重荷載、正風向荷載、反風向荷載及雪荷載等進行模擬及計算。

1×7結構鋼絞線的尺寸及允許偏差、每米參考質量見表2。

各構件最大彎矩或軸力如下。

1）承重拉索（1×7芯，直徑12.7 mm）：Fx=76.86 kN（根據軟件模型計算得出）。

σ=Fx÷A×2（索單元的安全系數為2）

=76.86/98.7×2（1×7鋼絞線，直徑12.7 mm）

=1 557.45 MPa。

鋼絞線變形：D=252.74 mmlt;28 000/60=466.67 mm。

鋼絞線強度及撓度滿足設計要求。

2）主梁H200×100×6×5，Q355：

M3=21 234 680 N·m，M2=3 025 490 N·m（根據軟件模型計算得出）。

截面特性：

Mry，1=PoZyn/γm=330×26 700/1.2=7 342 500 N·mm，

Mrx，1=PoZxn/γm=330×173 490/1.2=47 709 750 N·mm，

主梁的應力比21 234 680/47 709 750+3 025 490/ 7 342 500=0.857lt;1。

主梁變形（上端梁）：

D=（5.112+2.882）0.5=5.87 mmlt;790/120=6.32 mm。

主梁強度及撓度滿足設計要求。

3）斜梁C40×40×10×2.0， Q355：

M3=239 300 N·m，M2=11 410 N·m（根據軟件模型計算得出）。

截面特性：

Mry，1=PoZyn/γm=330×3 310/1.2=910 250 N·mm，

Mrx，1=PoZxn/γm=330×3 600/1.2=990 000 N·mm，

斜梁的應力比239 300/910 250+11 410/990 000=0.274lt;1。

變形校核：

D=（（28.22+18.62）0.5+（26.72+82.22）0.5）/2-（23.42+54.22）0.5=1.07 mmlt;1 400/250=5.6 mm。

斜梁強度及撓度滿足設計要求。

4）中間立柱C40×40×10×2.0，Q355：

M3=298 330 N·m，F=8.252 kN（根據軟件模型計算得出）。

截面特性：

Mry，1=PoZyn/γm=330×3 310/1.2=910 250 N·mm，

Mrx，1=PoZxn/γm=330×3 600/1.2=990 000 N·mm，

斜梁的應力比298 330/910 250=0.327lt;1，

σ=8.252/264×1 000=31.26 MPalt;330 MPa。

中立柱強度滿足設計要求。

5）邊立柱H100×100×5×4，Q355：

M3=2 392 970 N·m，M2=1 302 600 N·m，F=187.36 kN（根據軟件模型計算得出）。

截面特性：

Mry，1=PoZyn/γm=330×50 020/1.2=13 755 500 N·mm，

Mrx，1=PoZyn/γm=330×16 670/1.2=4 584 250 N·mm，

邊立柱的應力比2 392 970/13 755 500+1 302 600/4 584 250+187 360/1 360/330=0.876lt;1。

變形校核：

D=（4.2722+0.672）0.5=4.32 mmlt;1 300/125=10.4 mm。

邊立柱強度及撓度滿足設計要求。

6）斜拉圓管76×4，Q355：

F=214.071 kN。

截面特性：

邊立柱的應力比214 070/904.8/330=0.717lt;1。

斜拉強度滿足設計要求。

2.3" 光伏組件布局設計

通常情況下，光伏組件安裝布置方案分為2種，豎排布置和橫排布置，隨著光伏產業的快速發展，且隨著受場地限制的增大，目前的單跨度設計方案已然無法滿足光伏建設的要求，因此為了滿足光伏建設的需要，在設計過程中需要采用多跨方案來設計。

柔性支架光伏組件安裝設計應充分考慮各種方向的風荷載影響因素，比如正向風荷載、反向風荷載。設計采用模擬風洞試驗和模型試驗，研究風向角、傾角、間距、安裝位置等對光伏組件風荷載的具體影響。在研究組件安裝傾角的影響因素時，試驗數據顯示，組件安裝傾角越大，對應的風荷載越大。在一定范圍內，組件安裝傾角與其對應風荷載呈現正相關增長趨勢，總體呈現先快后慢的變化規律，顯而易見組件承受的風荷載與其安裝傾角有緊密的關系。在試驗間距比對組件風荷載的影響時，發現間距比對風荷載體型系數有一定影響，主要通過改變光伏組件被背風面氣流流動實現，還與組件傾角相關[4]。即光伏組件所承受的風荷載變化主要因素為繞流運動，當間距比不變，傾角越大，三維繞流效應越強，背風面對風荷載敏感程度越強。

3" 柔性支架整體安裝施工

施工前首先進行圖紙設計交底，明確魚腹式支架施工及安裝的具體參數及設計要求，確認無誤后按照圖紙設計進行施工便道規劃及施工。嚴格按照圖紙進行樁基礎的定位放線工作，定位放線驗收合格后進入下一道工序。施工過程中確保施工安全規范，采取安全防護措施，并根據設計規范及質量要求施工。

主結構鋼構件到貨及驗收。所有鋼結構構件在廠家制作完成，設備材料到場驗收后按圖紙設計要求對各個構件的尺寸、構件的配套情況、鍍鋅層的厚度等進行驗收，驗收檢查合格后，確認簽字，作好檢查記錄，方可進行焊接及組裝工作，焊接工作完成后，按照設計要求對焊縫質量進行探傷試驗，試驗合格后進入下一道工序。

鋼絞線拉索施工。魚腹式拉索上下弦即“魚腹式”部分在地面同中間支撐進行組裝，組裝完成后整體吊裝并及時安裝單向鎖頭，逐步張緊；隨后安裝承重鋼絞線，承重鋼絞線安裝定位后進行鎖緊，直至達到設計要求后為止。

組件安裝。鋼絞線整體系統安裝符合設計要求進行下一步組件安裝。組件安裝必須保證組件穩固，固定件采用熱鍍鋅背壓板、熱鍍鋅卡板及8.8級螺栓按照2平1彈1母的形式固定。確保不存在變形預應力等破壞組件的因素，同時按照圖紙設計要求的組件安裝角度10°進行安裝。

4" 魚腹式拉索柔性光伏支架系統的工程應用實踐

4.1" 工程概況

貴州省獨山縣基長200 MW農業光伏電站項目位于獨山縣境內，廠區中心坐標為東經107.75°，北緯25.72°，高程約1 000 m，用地范圍內山陡谷深，部分斜坡傾角超過40°，部分采用魚腹式拉索柔性光伏支架系統結構，組件規格2 384 mm×1 096 mm×35 mm，組件自重29 kg，東西橫向24塊組件×南北豎向1塊組件組成，安裝傾角10°；中間柱間距28 000 mm，端部樁拉拔力值為282 kN，水平力為212 kN，承重鎖采用拉伸強度為1 860 MPa的預應力鋼絞線。

4.2" 應用過程與效果評價

4.2.1" 計算模型

使用有限元軟件（SAP2000）進行模擬及計算，將溫度荷載、自重荷載、正風向荷載、反風向荷載、雪荷載及鋼絞線拉力等基本數值，將各荷載最不利荷載組合等計算數據輸入模型，確保計算結果滿足規范要求后，選擇最優的材料規格和尺寸，包括12.7 mm（1×7）鋼絞線。端部鋼立柱材料為H型鋼（150×150×6×8），M3=212.3 kN·m，M2=302.5 kN·m。

4.2.2" 荷載組合設計

在整個柔性結構系統設計過程中，為保障魚腹式拉索柔性支架結構的安全性、穩定性，還進行了多方因素的研究分析，以此來判定不同組合荷載對應的數值，做好數據分析，掌握材料規格、尺寸對應荷載，計算其不同組合方式形成的不同數據。設計采用薄壁型鋼端鋼梁（150×150×6×8），斜支撐梁（200×150×4.5×6），斜鋼管支撐（60×3），承重鎖直徑為12.7 mm，光伏組件傾角為10°，將對應數值輸入SAP2000模型后，計算出的數值與規范標準數值及要求進行逐一對比，計算結果合格后，明確到施工和技術規范中。同時，根據上述計算結果并參照各種參數可計算得出柔性支架端樁基礎埋深和尺寸，為設計基礎詳細參數提供數據支撐。

4.2.3" 設計結果

上述得知某項目中魚腹式拉索柔性光伏支架結構整體設計方案，借助軟件對設計方案進行試驗后，得出此設計方案能滿足建設要求。針對風荷載光伏組件有震動影響時，光伏組件單組陣列會發生橫向擺動，導致組件出現隱裂風險，增加不穩定因素。為避免分風載對組件的破環，需要再增加上弦拉索以及垂直承重鎖的方式增加接地鎖，形成整體的鎖網結構，確保整體柔性支架陣列系統的穩定性和安全性。

4.2.4" 經濟、社會效益

在使用魚腹式拉索結構的區域多為山谷區域，固定支架在此區域存在遮擋、背坡、光照不滿足的情況，采用此種方案能大大提高土地利用效率，采用魚腹式柔性支架的占地面積約為100畝（1畝約等于667 m2），可減少常規南坡占地面積，節約占地成本約100×2 150元/畝=215 000元。該方法的成功應用是重視新技術、新產品、新材料、新工藝和新設備的結果。把自然環境（山谷、陡坡等）對施工工期的影響降到最低點，大大提高了土地利用率，降低了建設成本。同時，魚腹式拉索柔性支架施工方案，供施工地類項目使用。

5" 結束語

綜上所述，通過魚腹式拉索柔性支架的研究及應用，該方案能夠將山谷、河流、陡坡等不利于固定支架的區域充分利用起來；經過詳細計算采用魚腹式柔性支架可將單兆瓦土地利用畝數控制在10～13畝之間，最大程度地減少光伏建設用地面積；該方案的成功研究及應用不但把自然環境對施工范圍的影響降到最低點，還能大大提高在山區等高難度地區的土地利用率，并且加快施工進度、縮短工期，更能使施工費用降低，同時充分利用光照能源，又能滿足國家對新能源光伏產業集約化用地的要求，有著顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 牛斌.大跨度預應力索桁架光伏支承結構的設計[J].太陽能，2018（7）：19-22.

[2] 姚金楠.光伏電站上山下海 支架選型如何匹配[N].中國能源報，2022-08-15（010）.

[3] 楊政，賀擁軍，全勇.單層懸索光伏支架靜力分析及簡化計算方法[J].科學技術與工程，2022，22（21）：9252-9259.

[4] 杜航，徐海巍，張躍龍，等.大跨柔性光伏支架結構風壓特性及風振響應[J].哈爾濱工業大學學報，2022，54（10）：67-74.