特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 黃華張梅 何銀濤

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基于PKPM-PMSAP的
多跨連棟式光伏農業(yè)大棚結構分析

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 黃華*張梅 何銀濤

摘 要：針對多跨連棟式光伏農業(yè)大棚的結構形式和受力特點，利用PKPM軟件中STS桁架模塊和PMSAP模塊分別進行結構的二維和三維設計分析，提供了一種便捷高效的多跨連棟大棚結構設計分析思路，亦保證了該類結構的安全度和可靠性。

關鍵詞：光伏；大棚；PKPM；PMSAP

0 引言

隨著分布式能源的興起，光伏大棚項目越來越多的出現(xiàn)在民用建筑光伏領域，然而光伏大棚結構設計卻沒有統(tǒng)一的設計方法。作為國內建筑結構設計權威軟件，PKPM是中國建筑科學研究院根據(jù)國內情況和建筑相關規(guī)范開發(fā)的軟件，其中STS模塊和PMSAP模塊是目前國內應用最廣泛，被絕大多數(shù)設計院所認可的結構設計分析程序。因此，利用PKPM軟件對光伏大棚結構進行結構設計分析。

1 設計條件

1.1 工程概況

1.2 設計資料

因光伏農業(yè)大棚功能需要大開間大跨度，故其主體結構采用鋼框架結合鋼桁架梁結構，南北向7跨共67.2 m，東西向10跨共40 m，檐口標高3.8 m，棚頂標高4.5 m，南北向每個單跨內有3個坡屋頂，棚頂南北坡相對于水平面的傾角為23°，南坡面區(qū)域采用多晶硅太陽電池組件，北坡面區(qū)域采用透光玻璃，結構所用材料均為Q235熱鍍鋅鋼。屋面的后期清理、維護采取簡單人工維護的方式。

圖1　光伏農業(yè)大棚立面圖(單位：mm)

圖1為連棟式鋼結構光伏農業(yè)大棚南北2跨立面圖。圖2為連棟式鋼結構光伏農業(yè)大棚總體平面圖。左風0.35 kN/m2，右風0.35 kN/m2。變形限值取鋼結構設計規(guī)范中關于主梁或桁架的撓度容許值：恒荷載[νT]為l/400，活荷載[νQ]為l/500。柱水平位移容許值取按平面結構圖形計算的Hc/1250，Hc為基頂至梁頂高度。

由STS桁架二維計算結果可知，在恒荷載、活荷載、風荷載、水平地震作用下，連棟式光伏大棚結構構件應力比均小于1，即梁、柱的強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，柱最大應力比為0.96，梁最大應力比為0.74；鋼梁最大絕對撓度(恒+ 活)為8.7 mm。

2.2 STS框架三維建模

光伏大棚結構三維整體模型如圖3所示。設計參數(shù)：鋼框架結構體系，結構主材為無填充墻鋼結構，風荷載及地震荷載信息均采用工程所在地實際信息。

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1.3 荷載計算

項目所在地基本風壓取50年一遇0.35 kN/m2，基本雪壓取50年一遇0.55 kN/m2。

屋面恒荷載：單個組件重量為20.5 kg，單塊組件面積為1.65 m×0.992 m=1.637 m2，即組件自重為20.5×10/(1.637×1000)=0.125 kN/m2；單塊透光玻璃重量為2.5 kg/m2，即4 mm厚玻璃自重為2.5×10×4/1000=0.1 kN/m2。

屋面活荷載：根據(jù)GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》第5.3.1款的規(guī)定，并考慮光伏大棚屋面在后期使用中需要進行人工清洗等維護工作，故此處屋面活荷載取上人屋面活荷載標準值2 kN/m2。

2 PKPM軟件設計

2.1 STS桁架二維計算分析

初設時采用PKPM軟件中的STS桁架模塊對光伏農業(yè)大棚結構進行二維建模分析。結構主要構件截面參數(shù)：柱為方鋼110 mm×110 mm×3 mm，棚頂主梁為方鋼130 mm×130 mm×3 mm，棚頂次梁為方鋼70 mm×70 mm×3 mm，桁架上下弦桿為方鋼60 mm×40 mm×2 mm，腹桿為30 mm×30 mm×2 mm。

荷載輸入：屋面南坡恒荷載0.125 kN/m2，屋面北坡恒荷載0.1 kN/m2，屋面活荷載2 kN/m2，

2.3 PMSAP三維計算分析

STS框架三維建模后通過PMSAP模塊進行補充建模計算分析。以下分別從恒荷載、活荷載、風荷載、地震荷載幾個方面進行結構整體變形分析。變形限值取鋼結構設計規(guī)范中關于主梁或桁架的撓度容許值：恒荷載[νT]為l/400，活荷載[νQ] 為l/500。柱水平位移容許值取按空間結構圖形計算的Hc/2000。在經過多次計算分析與修改模型后得出以下結論。

2.3.1 恒荷載作用

屋面南坡恒荷載0.125 kN/m2，北坡恒荷載0.1 kN/m2。由計算結果可知(如圖3所示)，恒荷載作用下結構最大變形為0.6 mm，滿足規(guī)范要求。

圖2　光伏農業(yè)大棚平面圖(單位：mm)

圖3　恒荷載作用下結構空間變形簡圖(單位：mm)

3 結論

1)在恒荷載作用下結構最大變形為0.6 mm；在活荷載作用下結構最大變形為3.2 mm；在風荷載作用下，X方向結構空間變形最大，最大變形為2.9 mm；地震荷載作用下，X方向結構空間變形最大，最大變形為5 mm。以上結果滿足結構承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求。

2)由以上結果可知，由于該大棚結構層高較高、跨度大、整體縱向剛度較橫向弱，導致在各種荷載工況下結構整體的縱向變形較橫向大，但是整體變形較為協(xié)調且在規(guī)定限制內，同時不存在局部振動現(xiàn)象。在實際工程中，可在結構縱向長度方向設置柱間支撐或者隅撐，以加強結構整體性。

4 結束語

利用PKPM軟件中的二維模塊STS及三維模塊PMSAP，針對多跨連棟式光伏農業(yè)大棚的結構形式和受力特點對其進行建筑結構設計分析，大幅提高了空間結構承載能力設計的準確性及安全性。需要注意的是，利用該軟件進行設計時，必須熟悉相關規(guī)范和參數(shù)，以及根據(jù)實際結構類型和受力特點對輸入?yún)?shù)進行人為修正，在不斷計算、修改的過程中逐漸完善結構的承載能力和經濟性之間的平衡。

參考文獻

[1] GB 50017-2003,《鋼結構設計規(guī)范》[S].

[2] GB 50011-2010,《建筑抗震設計規(guī)范》[S].

[3] GB 50009-2012,《建筑結構荷載規(guī)范》[S].

[4] GB 50797-2012,《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》[S].

2.3.2 活荷載作用

考慮到光伏大棚在后期的使用過程中需進行人工清洗等維護工作，故將其屋面活荷載取上人屋面的活荷載值2 kN/m2。由計算結果可知(如圖4所示)，活荷載作用下結構最大變形為3.2 mm，滿足規(guī)范要求。

2.3.3 風荷載作用

風荷載作用下，框架柱頂位移限值為H/500，層間相對位移限值h/400。其中，H為基頂至柱頂總高；h為層高。由計算結果可知，結構X、Y方向最大變形出現(xiàn)在X方向，風荷載作用下，此時結構的空間最大變形為2.9 mm，(如圖5所示)。

圖4　活荷載作用下結構空間變形簡圖(單位：mm)

圖5　X方向風荷載作用下結構空間變形簡圖(單位：mm)

2.3.4 地震荷載作用

圖6中，地震烈度為6度(0.05 g)，場地類別II類，設計地震分組第一組，特征周期0.35 s。由計算結果可知，結構X、Y方向最大變形出現(xiàn)在X方向，地震作用下，此時結構的空間最大變形為5 mm，滿足規(guī)范要求。

圖6　X方向地震荷載作用下結構空間變形簡圖(單位：mm)

通信作者：黃華(1983—)，男，碩士、助理工程師，主要從事光伏結構方面的研究。ice_68@qq.com

收稿日期：2014-08-12