蘇江燦

（清源科技（廈門）股份有限公司，福建廈門361101）

0 引言

光伏支架是光伏電站最主要的構(gòu)筑物，如何確保光伏支架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度要求，是光伏支架設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的光伏支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法是采用一些假設(shè)條件將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡化為理想的計(jì)算模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識進(jìn)行手工計(jì)算。手工計(jì)算只適用于簡單的計(jì)算模型，對于復(fù)雜的計(jì)算模型手工計(jì)算變得非常困難，需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。目前較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，常用結(jié)構(gòu)分析軟件有結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器、PKPM、SAP2000等。PKPM、SAP2000主要用于三維結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，操作相對復(fù)雜，用戶需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)才能掌握，軟件大，運(yùn)行較慢。結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器適合二維平面力學(xué)模型求解，它具有操作簡單、程序小、運(yùn)行快、分析結(jié)果精準(zhǔn)直觀等特點(diǎn)，非常適合初學(xué)者和經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員使用。本文利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器分析光伏支架在多種荷載組合下的內(nèi)力和位移，實(shí)現(xiàn)光伏支架強(qiáng)度計(jì)算。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器簡介

結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器[1]（SMSolver）是一個面向?qū)W生、教師及工程技術(shù)人員的計(jì)算機(jī)輔助軟件，它能夠分析二維平面結(jié)構(gòu)的幾何組成、內(nèi)力、位移、影響線、自由振動、彈性穩(wěn)定和極限荷載等。利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器分析問題的步驟如下：輸入各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，輸入各單元連接方式，輸入各支座約束方式，輸入荷載條件，輸入桿件材料性質(zhì)，內(nèi)力、位移求解。

2 光伏支架設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 工程概況

該項(xiàng)目位于山東省菏澤市某光伏園區(qū)，基本風(fēng)壓為0.4kN/m2，基本雪壓為0.3kN/m2。支架安裝傾角25°，豎放2行20列，組件規(guī)格1640mm×992mm×40mm，組件重20kg，支架結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。支架構(gòu)件材料選用Q235B，其抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa[2]。

圖1 支架結(jié)構(gòu)尺寸圖

2.2 荷載計(jì)算

光伏支架主要承受永久荷載、風(fēng)荷載、雪荷載作用，溫度荷載和地震荷載忽略不計(jì)。

陣列面積A=65.075m2，陣列水平投影面積As=58.978m2。每塊組件重20kg，組件自重荷載7840N，軌道米重2.777kg/m，軌道自重荷載2220.7N，支架永久荷載10060.7N。

雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

式中，μr為屋面積雪分布系數(shù)，根據(jù)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]表6.2.1取值，25°時(shí)取1.0；S0為基本雪壓，本項(xiàng)目取0.3kN/m2。

支架雪荷載S=Sk×As=17693.4N。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

式中，βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，取1.0；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，根據(jù)GB50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]取1.3；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.0；W0為基本風(fēng)壓，本項(xiàng)目取0.4kN/m2。

支架風(fēng)荷載W=Wk×A=33839N。

2.3 荷載組合

為便于比較和反映光伏支架在各種荷載組合下的荷載效應(yīng)，本文考慮的荷載組合如表1所示。

表1 荷載組合

將各種荷載組合沿著軌道強(qiáng)軸和弱軸兩個方向進(jìn)行分解，如圖2所示。求出各種荷載組合時(shí)軌道強(qiáng)軸分力和弱軸分力，軌道均布荷載，斜梁軸向分力和法向分力，如表2所示。

3 建模與強(qiáng)度分析

將光伏支架力學(xué)模型簡化為軌道和支撐架兩個平面模型進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3.1 軌道建模與強(qiáng)度分析

軌道截面為C型鋼80×40×15×2.0，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器建立軌道力學(xué)模型，荷載以組合1強(qiáng)軸均布荷載為例，如圖3所示。

圖2 軌道強(qiáng)軸、弱軸方向，縱梁法向、軸向

表2 軌道強(qiáng)軸分力和弱軸分力，軌道均布荷載，斜梁軸向分力和法向分力

圖3 軌道力學(xué)模型

利用求解器進(jìn)行軌道內(nèi)力計(jì)算，求解出軌道彎矩，利用材料力學(xué)公式σ=M/W計(jì)算出軌道彎曲應(yīng)力，如表3所示。利用求解器進(jìn)行軌道位移計(jì)算，求解出軌道位移，如表4所示。

表3、表4分析結(jié)果表明軌道強(qiáng)度和剛度滿足要求。

表3 軌道彎矩、彎曲應(yīng)力計(jì)算

表4 軌道位移計(jì)算

3.2 支撐架建模與強(qiáng)度分析

縱梁截面為C型鋼80×40×15×2.5，立柱截面為C型鋼140×70×20×3，前支撐、后支撐為不等邊角鋼63×40×5，角鋼連接件截面為不等邊角鋼63×40×6。

利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器建立支撐架力學(xué)模型，荷載以荷載組合1為例，如圖4所示。

利用求解器進(jìn)行支撐架內(nèi)力計(jì)算，求解出支撐架各構(gòu)件彎矩、軸力，如表5所示。利用材料力學(xué)公式σ=M/W和σ=F/A，求出支撐架各構(gòu)件的應(yīng)力，如表6所示。

表6分析結(jié)果表明支撐架強(qiáng)度滿足要求。利用求解器進(jìn)行位移計(jì)算，荷載組合4和荷載組合5作用時(shí)支撐架立柱頂部位移分別為7.58mm和4.6mm，均小于柱高/60[4]，剛度滿足。

圖4 支撐架力學(xué)模型

表5 支撐架各構(gòu)件彎矩、軸力

表6 支撐架各構(gòu)件應(yīng)力

通過上述分析，軌道和支撐架的強(qiáng)度和剛度滿足要求，光伏支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。

4 結(jié)語

本文利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器對光伏支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算，論述了一種光伏支架強(qiáng)度計(jì)算方法，旨在為類似工程提供參考。