詹永和，黃 莉

（江西恒能電力工程有限公司，南昌 330001）

0 引言

隨著中國提出碳達峰、碳中和的目標(biāo)，以及國家從政策方面對新能源發(fā)展做出的支持，中國光伏產(chǎn)業(yè)得到了進一步推廣。為應(yīng)對光伏發(fā)電項目激增的情況，各種場地類型、規(guī)格的光伏發(fā)電項目應(yīng)運而生。停車場作為開發(fā)利用前景巨大的光伏發(fā)電場景，具有極大的開發(fā)價值。隨著光伏發(fā)電進入平價上網(wǎng)時代，原先停車場光伏發(fā)電項目的光伏支架結(jié)構(gòu)形式、制造成本已無法滿足如今停車場光伏發(fā)電項目的建設(shè)需求。傳統(tǒng)的停車場光伏發(fā)電項目的結(jié)構(gòu)形式是采用固定光伏支架和一般停車場結(jié)構(gòu)相結(jié)合，但該結(jié)構(gòu)形式的高度、跨度都存在時代的局限性，立柱較多、基礎(chǔ)開挖量大、僅能停放小型車輛等因素都制約了停車場光伏發(fā)電項目這一巨大市場的開發(fā)。因此，應(yīng)運用創(chuàng)新思維，根據(jù)不同類別應(yīng)用場景，探索合理的光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計形式和安裝方式，從而降低光伏發(fā)電項目的建設(shè)成本。

與固定光伏支架的結(jié)構(gòu)不同，柔性光伏支架采用索結(jié)構(gòu)作為光伏組件的支撐系統(tǒng)，通過錨具與主體結(jié)構(gòu)相連?；诖?，本文以河北省長安區(qū)某停車場光伏發(fā)電項目為例，提出該項目采用柔性光伏支架方案，對其索結(jié)構(gòu)進行分析，通過對方案設(shè)計中技術(shù)方案、建設(shè)成本等要點及計算結(jié)果進行分析，提出柔性光伏支架錨具預(yù)制性裝配應(yīng)用的新思路，可為今后相似工程設(shè)計提供參考。

1 方案概述

本文以河北省長安區(qū)某12 MW 停車場光伏發(fā)電項目為例，對其結(jié)構(gòu)件進行分析。對該項目采用的柔性光伏支架的緊固件、主材等進行歸納整理，結(jié)合輸變電線路金具的可靠性，提出柔性光伏支架緊固件與輸變電線路部分金具進行等價代換的方式，即利用市場上成熟的輸變電線路金具，從而可以減少物資采購、工廠生產(chǎn)的時間，同時可以提高安裝效率，極大縮短項目的施工周期。

針對該停車場光伏發(fā)電項目進行建模，并對柔性光伏支架錨具的預(yù)制性裝配應(yīng)用進行計算。根據(jù)停車場所在區(qū)域的氣象資料，結(jié)合收集到的停車場高度、跨度、凈空等基本參數(shù)要求，在CAD 軟件中構(gòu)建停車場光伏發(fā)電項目中某光伏方陣模型的初始框架。定義完成后，將該框架導(dǎo)入到SAP2000 有限元分析軟件中，本方案柔性光伏支架系統(tǒng)采用索結(jié)構(gòu)，在SAP2000 軟件中定義完成索單元后，采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力的施加，疊加光伏組件和索的自重、雪荷載、風(fēng)荷載，通過非線性分析后得出索結(jié)構(gòu)的最大拉力，從而確定錨具的選型。

選取該停車場光伏發(fā)電項目中某光伏方陣進行計算。1 個標(biāo)準(zhǔn)光伏方陣設(shè)計安裝336 塊光伏組件，設(shè)計覆蓋26 個車位。標(biāo)準(zhǔn)光伏方陣的光伏組件平面布置如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)光伏方陣的光伏組件平面布置圖(單位：mm)Fig.1 Layout of PV modules for standard PV array (Unit：mm)

停車場光伏發(fā)電項目柔性光伏支架系統(tǒng)的前視示意圖如圖2 所示，側(cè)視示意圖如圖3 所示。

圖2 停車場光伏發(fā)電項目柔性光伏支架系統(tǒng)的前視示意圖Fig.2 Schematic diagram of forward looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

圖3 停車場光伏發(fā)電項目柔性光伏支架系統(tǒng)的側(cè)視示意圖Fig.3 Schematic diagram of side-looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

2 計算模型

2.1 主要材料截面

選擇1 個三跨柔性光伏支架進行研究，該停車場光伏發(fā)電項目的場地為平地，因此可不考慮場地坡度對索結(jié)構(gòu)的影響。光伏陣列東西向跨度為20.1 m，光伏組件安裝傾角采用15°；索結(jié)構(gòu)凈空為6.0 m；南北向中間榀的跨度為6.6 m，南北向邊緣榀的跨度為3.3 m，邊緣榀增加支撐；所有光伏支架立柱與地面固接，主索與穩(wěn)定索通過錨具連接于主梁或立柱上，每跨內(nèi)間隔4.4 m設(shè)置一道三角錐，三角錐與三角錐之間通過圓鋼連接；設(shè)計基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2、基本雪壓為0.30 kN/m2，結(jié)構(gòu)安全等級為二級；設(shè)計使用年限為25 年，地面粗糙度類別為B 類；設(shè)計抗震設(shè)防烈度為6 度，基本地震加速度值為0.05g，地震分組為第3 組。

主索與穩(wěn)定索均采用Φ15.2 mm 的預(yù)應(yīng)力熱鍍鋅鋼絞線；主梁采用規(guī)格為150 mm×250 mm×10 mm 的口型鋼，邊跨立柱采用規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm×6 mm 的H 型鋼，中立柱采用規(guī)格為120 mm×4.5 mm 的口型鋼，邊立柱柱間支撐采用規(guī)格為Φ114 mm×3 mm 的型鋼，三角錐采用規(guī)格為Φ40 mm×2.5 mm 的型鋼，邊立柱側(cè)邊支撐采用規(guī)格為160 mm×4 mm 的口型鋼。所有型材均采用Q345B。

2.2 主要設(shè)計參數(shù)

由于光伏行業(yè)通常采用的相關(guān)設(shè)計規(guī)范未對柔性光伏支架進行相關(guān)描述，因此本停車場光伏發(fā)電項目按照JGJ 257—2012《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中的相關(guān)規(guī)定進行設(shè)計。JGJ 257—2012 中規(guī)定，索網(wǎng)、雙層索系及橫向加勁索系屋蓋的最大撓度與跨度之比自初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)之后不宜大于L/250(L為跨度)；考慮到索結(jié)構(gòu)撓度過大會給光伏組件造成隱裂等危害，需嚴(yán)格按照該規(guī)范要求控制索結(jié)構(gòu)的撓度。該停車場光伏發(fā)電項目中柔性光伏支架的主要設(shè)計參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 建立結(jié)構(gòu)分析模型

采用SAP2000 軟件進行結(jié)構(gòu)分析，該軟件中有兩種方法可模擬索結(jié)構(gòu)建模，分別為修改剛度法和直接繪制索法。本項目的柔性光伏支架系統(tǒng)的索結(jié)構(gòu)建模采用直接繪制索法，即通過在軟件中直接繪制索的方法來繪制整個結(jié)構(gòu)分析模型。

由于光伏組件存在15°的安裝傾角，索與主梁連接的位置無法完全重合，因此建模時在該位置設(shè)置節(jié)點約束，通過指定節(jié)點約束，添加“WELD”和“WELD2”兩個節(jié)點約束，約束類型為“BODY”。其中，“WELD”為索與邊跨主梁的連接節(jié)點約束，此約束限制X、Y、Z這3 個方向的平動和轉(zhuǎn)動，并且規(guī)定拼接容差，將同一根索與主梁連接的3 個節(jié)點歸并為1 組；“WELD2”為索與中間跨主梁的連接節(jié)點約束，此約束僅限制X、Z兩個方向的平動，并且規(guī)定拼接容差，將同一根索與主梁連接的3 個節(jié)點歸并為1 組。立柱底部采用固接。

SAP2000 軟件中可采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力的施加。該方法中，所需的變化溫度ΔT的計算式可表示為：

式中：F為單根索所需達到的預(yù)拉力。

根據(jù)式(1)可計算得到，本項目中，主索的預(yù)拉力為80 kN，穩(wěn)定索的預(yù)拉力為20 kN。

3.2 荷載組合

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[2]中的條文說明，對于地面用光伏組件的光伏支架，當(dāng)設(shè)計抗震設(shè)防烈度小于8 度時，可以不進行抗震驗算。本項目的設(shè)計抗震設(shè)防烈度為6 度，所以地震荷載不參與柔性光伏支架的荷載組合，在最不利荷載中不需要考慮地震荷載。

根據(jù)GB 50797—2012 中的要求，無地震作用效應(yīng)組合時，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值S應(yīng)按式(2)進行計算，即：

式中：γG為永久荷載分項系數(shù)，對結(jié)構(gòu)有利時取1.0，反之取1.3；γw、γs、γt分別為風(fēng)荷載、雪荷載和溫度作用的分項系數(shù)，本文均取1.5；ψw、ψs、ψt分別為風(fēng)荷載、雪荷載和溫度作用的組合值系數(shù)；SGk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Swk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Ssk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Stk為溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值。

本項目承載能力極限狀態(tài)下的荷載基本組合分別定義如下：

1)“COMB1”：1.3SGK+ 1.5Swk1+ 1.05Ssk。

2)“COMB2”：1.3SGK+ 0.9Swk+ 1.5Ssk。

3)“COMB3”：1.0SGK+ 1.5Swk2。

式中：Swk1為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(迎風(fēng))；Swk2為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(背風(fēng))。

正常使用極限狀態(tài)下的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合分別定義如下：

1)“COMB4”：1.0SGK+ 1.0Swk1+ 0.7Ssk。

2)“COMB5”：1.0SGK+ 0.6Swk+ 1.0Ssk。

3)“COMB6”：1.0SGK+ 1.0Swk2。

在SAP2000 軟件中，先定義溫度作用工況為初始工況，模擬初始預(yù)應(yīng)力情況。分析類型選擇“非線性”選項，并選擇“幾何非線性參數(shù)”下的“P-Δ 和大位移”選項。索結(jié)構(gòu)的安裝采用先張法，張拉完成后再鋪設(shè)光伏組件。在SAP2000 軟件中，用“DEAD”模擬光伏組件荷載，“接力非線性工況”選擇“溫度作用”。同理，雪荷載施加在光伏組件安裝完成后，即“接力非線性工況”選擇“DEAD”；風(fēng)荷載添加與雪荷載添加原理相同。

在添加完荷載工況后，直接在荷載工況菜單欄下添加荷載組合，即分別添加“COMB1”“COMB2”“COMB3”“COMB4”“COMB5”“COMB6”，“接力非線性工況”選擇“溫度作用”。完成后，在定義荷載組合的菜單下，直接添加已在荷載工況菜單欄中添加的荷載組合“COMB1”～“COMB6”，完成荷載組合的定義。

很多的學(xué)生學(xué)習(xí)成績不理想有時候并不是單一的因為智力因素，很多時候是因為他們沒有一個良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣導(dǎo)致的。比如做題粗心、學(xué)習(xí)浮躁、不細心等等。所以教師在輔導(dǎo)時不僅僅是講解習(xí)題，還應(yīng)該時常給學(xué)生灌輸一些好的學(xué)習(xí)習(xí)慣的思想，讓學(xué)生掌握正確的學(xué)習(xí)方法。另外對于一些學(xué)習(xí)態(tài)度上有問題的學(xué)生，教師也要利用課后輔導(dǎo)對他們進行心理疏導(dǎo)，多鼓勵他們。

3.3 模型分析

采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力的施加。在“荷載模式”中選擇“溫度”選項，主索施加的溫度為-242 ℃，穩(wěn)定索施加的溫度為-120 ℃，模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 等效降溫法得到的預(yù)應(yīng)力模擬結(jié)果Fig.4 Simulated results of prestress obtained by equivalent cooling method

在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主索、穩(wěn)定索的結(jié)構(gòu)變形圖分別如圖5、圖6 所示。圖中：“Pt Obj”表示單位；“Pt Elm”表示節(jié)點編號；U1、U2、U3分別代表沿節(jié)點局部軸X、Y、Z向的平動位移；R1、R2、R3分別代表繞節(jié)點局部軸X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動位移。

圖5 在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主索的結(jié)構(gòu)變形圖Fig.5 Diagram of structural deformation of main cable under action of load standard combinations in normal service limit state

圖6 在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下穩(wěn)定索的結(jié)構(gòu)變形圖Fig.6 Diagram of structural deformation of stable cable under action of load standard combinations in normal service limit state

從圖5、圖6 可以看出：在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主索的最大位移(即最大豎向撓度)為78.69 mm；穩(wěn)定索的最大位移(即最大豎向撓度)為74.32 mm。

經(jīng)計算分析，主索、穩(wěn)定索均采用Φ15.2 mm 鋼絞線，可滿足使用要求，即主索的初始預(yù)應(yīng)力為80 kN，穩(wěn)定索的初始預(yù)應(yīng)力為20 kN。

在承載能力極限狀態(tài)的荷載基本組合作用下，主索的最大內(nèi)力(即最大拉力)為116.955 kN。根據(jù)JGJ 257—2012[1]的要求，索的抗拉力設(shè)計值F1需按式(3)計算，即：

式中：Ftk為索的極限抗拉力標(biāo)準(zhǔn)值；γR為索的抗拉力分項系數(shù)，本文取2.0。

Φ15.2 mm 鋼絞線的極限抗拉力標(biāo)準(zhǔn)值為260.400 kN，根據(jù)式(3)可計算得到，其抗拉力設(shè)計值為130.200 kN。而主索的最大拉力為116.955 kN，小于索的抗拉力設(shè)計值。

表2 索結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力計算結(jié)果Table 2 Calculation results of prestressing force in cable structures

4 錨具的選擇

4.1 錨具類型的選擇

錨具類型需要按照JGJ 257—2012[1]和JGJ 85—2010《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[3]中的要求進行選擇。

JGJ 257—2012[1]中第4.3 章關(guān)于錨具的具體規(guī)定為：索的常用錨具及連接的構(gòu)造形式應(yīng)滿足安裝和調(diào)節(jié)的需要；鋼絲束、鋼絲繩索體采用熱鑄錨具或冷鑄錨具；鋼絞線索體可采用夾片錨具，也可采用擠壓錨具或壓接錨具；承載低應(yīng)力或動荷載的夾片錨具應(yīng)有防松裝置。

JGJ 85—2010[3]中關(guān)于錨具的具體規(guī)定如表3 所示。

表3 JGJ 85—2010 中關(guān)于錨具的具體規(guī)定Table 3 Specific regulations for anchors in JGJ 85—2010

根據(jù)上述2 個規(guī)范要求，本方案創(chuàng)新性地采用輸電線路金具(擠壓錨具)替換柔性光伏支架系統(tǒng)索結(jié)構(gòu)的錨具是滿足規(guī)范要求的。

4.2 輸電線路金具的受力分析

根據(jù)SAP2000 軟件輸出的計算結(jié)果，本方案柔性光伏支架系統(tǒng)索結(jié)構(gòu)的主索及穩(wěn)定索均采用Φ15.2 mm 鋼絞線；配套錨具采用輸電線路金具(即楔形線夾)。不同型號楔形線夾的主要參數(shù)如表4 所示。

表4 不同型號楔形線夾的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of different types of wedge clamps

從表4 可以看出：根據(jù)廠家提供的資料，型號為NX-3 的楔形線夾的破壞荷載為143 kN，型號為NX-4 的楔形線夾的破壞荷載為164 kN，均可滿足使用要求。

5 大跨度柔性光伏支架錨具預(yù)制性裝配的應(yīng)用前景

在當(dāng)前的應(yīng)用市場上，柔性光伏支架多應(yīng)用于建在停車場、污水處理廠，以及復(fù)雜山地場景的光伏發(fā)電項目中。本文以停車場光伏發(fā)電項目為應(yīng)用場景，在索結(jié)構(gòu)安裝的部分提出錨具預(yù)制性裝配應(yīng)用這一新思路。經(jīng)過實際計算后發(fā)現(xiàn)，采用輸電線路金具可以充當(dāng)索結(jié)構(gòu)的錨具，并且輸電線路金具在國家電網(wǎng)幾十年的發(fā)展中已經(jīng)趨于完善，擁有完整的設(shè)計、生產(chǎn)、施工的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)業(yè)鏈。以往采用柔性光伏支架的項目中，設(shè)計院的設(shè)計方案完成后，需尋求錨具廠家針對項目所用錨具進行開模，而此過程通常需要15～30 天的周期；若直接通過設(shè)計計算后選擇相應(yīng)的輸電線路金具，廠家無需開模，可直接供應(yīng)產(chǎn)品，將極大地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，從而縮短了光伏發(fā)電項目的施工周期，并可降低光伏發(fā)電項目的建設(shè)成本。

6 結(jié)論

本文以河北省長安區(qū)某停車場光伏發(fā)電項目為例，該項目采用柔性光伏支架方案，通過建立模型對其索結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力進行計算分析，提出錨具預(yù)制性裝配應(yīng)用的新思路，并對通常采用的索結(jié)構(gòu)錨具與輸電線路金具(擠壓錨具)進行了對比。研究結(jié)果表明：經(jīng)過實際計算后發(fā)現(xiàn)，采用輸電線路金具可以充當(dāng)索結(jié)構(gòu)的錨具，從而減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)時間，縮短了光伏發(fā)電項目的施工周期，并降低了項目的建設(shè)成本。

在過去十幾年的時間內(nèi)，中國光伏電站蓬勃發(fā)展，為助力光伏行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，各種形式的光伏支架層出不窮，柔性光伏支架在目前應(yīng)用市場的熱度也在持續(xù)增高，不少傳統(tǒng)光伏支架的生產(chǎn)企業(yè)已轉(zhuǎn)入柔性光伏支架的研發(fā)與改進中，而索結(jié)構(gòu)錨具的預(yù)制性裝配應(yīng)用將使縮短施工周期這一目標(biāo)成為可能。