田興海

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

為研究真實(shí)環(huán)境下光伏支架的力學(xué)性能，在光伏支架陣列中選取1 個組串單元進(jìn)行型式試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)載荷作用下觀察光伏支架關(guān)鍵位置的撓度和應(yīng)變。在光伏支架型式試驗(yàn)中，載荷包括恒載荷、風(fēng)載荷和雪載荷。光伏支架結(jié)構(gòu)輕盈，由風(fēng)載荷起控制作用，風(fēng)載荷垂直于板面,分為正向風(fēng)壓力作用和逆向風(fēng)吸力作用，采用沙袋堆載的加載方式難以實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)荷載的效果，因此亟需一種能對光伏支架施加垂直于光伏板面壓力和吸力的加載裝置，以達(dá)到觀察光伏支架在真實(shí)環(huán)境下受力和變形的目的，同時為保證在加載狀態(tài)下加載裝置的安全可靠，需對加載裝置進(jìn)行計(jì)算分析。

1 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置概述

光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置包含反力裝置和傳力裝置兩部分，反力裝置由前立柱、后立柱、上斜梁、下斜梁、連系梁、千斤頂組成；上、下斜梁與立柱之間采用高強(qiáng)螺栓連接形成門式反力結(jié)構(gòu)，前、后立柱的柱腳底板采用地腳螺栓與基礎(chǔ)連接，反力裝置適用于4 榀支架的組串單元試驗(yàn)，共由3 個門式反力結(jié)構(gòu)構(gòu)成，3 榀門式反力結(jié)構(gòu)之間通過連系梁連接成整體。傳力裝置由一級傳力梁、二級傳力梁、光伏板邊框模擬梁組成。一級傳力梁與二級傳力梁、二級傳力梁與光伏板邊框模擬梁垂直正交焊接連接，光伏板邊框模擬梁與光伏支架的檁條垂直正交螺栓連接。工作時通過千斤頂將集中荷載施加于一級傳力梁的中點(diǎn)，通過3 根一級傳力梁兩端將荷載傳遞到二級傳力梁，二級傳力梁再將荷載傳遞到光伏板邊框模擬梁，最后傳遞給光伏支架。整個裝置構(gòu)造簡單，工作效率高，能用于4 榀、3 榀、2 榀支架的加載試驗(yàn)。

圖1 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置平面布置圖

圖2 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置側(cè)視圖（壓力加載）

圖3 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置側(cè)視圖（吸力加載）

2 光伏支架型式試驗(yàn)反力裝置的計(jì)算分析

2.1 檢驗(yàn)反力裝置安全性的方法

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算基本原則：僅限于對有關(guān)屈服極限的核算，不考慮材料在塑性狀態(tài)下的承載能力；在規(guī)定的荷載工況及載荷組合下，計(jì)算最不利的狀況；強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)，分別計(jì)算各結(jié)構(gòu)件在承載狀態(tài)下的受拉、受壓、受彎或受扭的應(yīng)力，計(jì)算出的應(yīng)力值應(yīng)小于規(guī)定的材料抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，即構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力值與材料抗力的比值<1.0。

2.2 反力裝置的建模及計(jì)算分析

2.2.1 支架試驗(yàn)荷載取值

（1）恒荷載：0.14 kN/m2

（2）正風(fēng)荷載：0.31×0.97×1.2×1.28=0.46 kN/m2

（3）逆風(fēng)荷載：0.31×(-1.24)×1.2×1.28=-0.59 kN/m2

（4）雪荷載：0.31 kN/m2

因?yàn)榧虞d裝置主要用于施加垂直于光伏板的荷載，所以將恒荷載和雪荷載分解為垂直于光伏板和平行于光伏板兩個方向的分力，垂直于光伏板面的荷載與風(fēng)荷載疊加施加在光伏支架上，驗(yàn)算試驗(yàn)荷載作用下加載裝置的變形和應(yīng)力情況。

2.2.2 荷載組合

（1）正常使用極限狀態(tài)

1）1.0 恒+1.0 雪+1.0 正風(fēng)=cos28×（1.0×0.14+1.0×0.31）+1.0×0.46=0.86 kN/m2

2）1.0 恒+1.0 逆 風(fēng)=cos28×1.0×0.14+ 1.0×（-0.59）=-0.47 kN/m2

（2）承載能力極限狀態(tài)

1）1.3恒+1.5×0.7雪+1.5正風(fēng)=cos28×（1.3×0.14+1.5×0.7×0.31）+1.5×0.46=1.14 kN/m2

2）1.0 恒+1.5 逆 風(fēng)=cos28×1.0×0.14+1.5×（-0.59）=-0.76 kN/m2

最大荷載為1.14 kPa，0.9

（3）正向和反向施加最大荷載

Q=1.2×2.278×1.134×26=80.59 kN（驗(yàn)算荷載等級Ⅱ級時的應(yīng)力）

正向：需扣除傳力裝置自重22 kN,故施加荷載總值為80.59-22=58.59 kN，分別由3 個千斤頂施加，單個千斤頂施加荷載為58.59÷3=19.53 kN，（模型輸入按分力輸入Pz=cos28×19.53=17.24 kN，Py=sin28×19.53=9.17 kN）

反向：需先抵消傳力裝置自重22 kN,故施加荷載總值為80.59+22=102.59 kN，分別由3 個千斤頂施加，單個千斤頂施加荷載為102.59÷3=34.19 kN，（模型輸入按分力輸入Pz=cos28×34.19 =30.19 kN，Py=sin28×34.19=16.05 kN）

2.2.3 采用3D3S 軟件建模分析

建模分析圖見圖4~圖9。

圖4 門架正向加載時模型荷載及約束示意圖

圖5 正向加載門架位移圖

圖6 正向加載門架應(yīng)力比云圖

圖7 門架反向加載時模型荷載及約束示意圖

圖8 反向加載門架位移圖

圖9 反向加載門架應(yīng)力比云圖

通過對門架正向和反向加載兩種工況做檢驗(yàn)，當(dāng)門架正向加載時，門架整體最大應(yīng)力比為0.302，小于1.0，承載力滿足要求；豎向位移為5.714 mm，小于L/400（4836/400=12.09 mm）,位移滿足要求。當(dāng)門架反向加載時，門架整體最大應(yīng)力比為0.329，小于1.0，承載力滿足要求；豎向位移為-6.296 mm，絕對值小于L/400（4836/400=12.09 mm）,位移也滿足要求。而且正向和反向加載兩種工況下，應(yīng)力比均遠(yuǎn)小于1.0，因此門架的安全儲備足夠大，能夠保證光伏支架型式試驗(yàn)加載順利進(jìn)行。

3 光伏支架型式試驗(yàn)傳力裝置的計(jì)算分析

傳力裝置主要用于傳遞反力裝置施加給光伏支架的荷載，為保證傳力裝置不發(fā)生過大變形，而且能把荷載有效傳遞到支架上，采用3D3S 軟件進(jìn)行建模分析，因傳力裝置傳遞的荷載最終到支架的檁條上，所以將檁條作為傳力裝置的支座，而光伏板邊框模擬梁與檁條是螺栓鉸接連接，所以定義支座為鉸接支座，3D3S 模型及內(nèi)力分析見圖10~圖17。

圖10 傳力裝置正向加載時模型荷載及約束示意（側(cè)視圖）

圖11 正向加載傳力裝置位移圖

圖12 正向加載傳力裝置應(yīng)力比云圖

圖13 正向加載支座反力局部圖

圖14 傳力裝置反向加載時模型荷載及約束示意（側(cè)視圖）

圖15 反向加載傳力裝置位移圖

圖16 反向加載傳力裝置應(yīng)力比云圖

通過以上對傳力裝置正向和反向加載兩種工況做檢驗(yàn)，當(dāng)傳力裝置正向加載時，傳力裝置整體最大應(yīng)力比為0.556,小于1.0，承載力滿足要求，豎向最大位移出現(xiàn)在一級傳力梁集中荷載作用位置，為-2.254 mm, 絕對值小于L/400（2 538/400=6.34 mm）,位移滿足要求。當(dāng)傳力裝置反向加載時，傳力裝置整體最大應(yīng)力比為0.672，小于1.0，承載力滿足要求；豎向最大位移為3.031 mm，小于L/400（2 538/400=6.34 mm）,位移也滿足要求。而且正向和反向加載兩種工況下，支座反力基本接近，平均值接近0.6 kN,支座總數(shù)為208 個，反算出支座反力總值為208×0.6=124.8 kN,根據(jù)上述荷載取值計(jì)算，加載荷載為80.59 kN，加上構(gòu)件自重22 kN,總荷載為80.59+22=102.59 kN。支座反力總值與施加總荷載接近，說明施加荷載能有效傳遞到光伏支架，而支座反力總值略大，可能是由于加載裝置變形引起的。

4 結(jié)論

該光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置是一種可以施加垂直于光伏板荷載的裝置，它的特點(diǎn)在于能夠模擬在光伏支架受力計(jì)算中起控制作用的正風(fēng)和逆風(fēng)荷載。通過3D3S 軟件對反力裝置和傳力裝置分別進(jìn)行受力分析，結(jié)果顯示：該加載裝置安全可靠，而且能夠?qū)⒑奢d有效傳遞給光伏支架，是一個安全可靠、簡單適用的加載裝置，在光伏支架試驗(yàn)領(lǐng)域可以推廣使用。