楊 光，左得奇，鐘 飛，侯克讓，鄭 中，張和平

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

在土地資源緊張的情況下，要大規(guī)模發(fā)展光伏電站，就要利用一切可利用的土地資源，如湖泊、魚塘、地勢復雜的山地等，采用漁光互補、農(nóng)光互補、林光互補等形式，以使土地資源利用最大化[1-4]。

而傳統(tǒng)固定式支架受限于其安裝方式，在灘涂、魚塘及復雜山地區(qū)域難以運用，因此，能夠適應復雜地理環(huán)境的柔性光伏支架應運而生[5-6]。柔性光伏支架采用預應力鋼索承托光伏面板，通過端部的水平支撐構件平衡拉索水平力，并通過設置中部支架減小拉索跨度。

王雨[7]介紹了部分柔性光伏支架技術方案，提出了柔性支架技術方案、荷載計算及預應力張拉順序等方面的建議。牛斌[8]從單層和雙層懸索結構的基本受力特點出發(fā)，分析了柔性支架在光伏發(fā)電工程中的應用，提出預應力的建立是索桁架獲得結構剛度和形狀穩(wěn)定性的必要措施。周杰[9]對山區(qū)地形下柔性支架預應力索進行了設計分析，并提供了一種計算主索與穩(wěn)定索的預張力范圍的方法。唐俊福[10]對比了三種水平力承載構件結構形式的受力特點，并研究了水平力承載構件與地面傾角的變化對結構力學行為的影響。

以上研究主要針對于預應力索、水平支撐等柔性支架結構構件[11-14]，對于柔性光伏支架完整系統(tǒng)整體性研究，尤其是系統(tǒng)整體關鍵參數(shù)、可靠性與經(jīng)濟性相適應等研究尚處空白。本文鑒于現(xiàn)有柔性支架研究現(xiàn)狀，對包括索布置、梁布置、柱布置以及其他支撐布置的各類柔性支架布置形式進行歸類整理，同時對比分析各類柔性支架布置形式以及跨度和跨數(shù)的合理性及經(jīng)濟性，提出建議取值方案。

1 柔性光伏支架結構布置形式

1.1 柔性光伏支架系統(tǒng)

柔性光伏支架結構體系分為2個部分 ：柔性系統(tǒng)和支架系統(tǒng)。柔性系統(tǒng)由預應力主索、穩(wěn)定索、防風索、組件固定夾具、三角錐或四角錐、光伏組件等構成；支架系統(tǒng)由基礎(包括獨立基礎、樁基礎、錨桿基礎)、鋼立柱、鋼梁、支撐體系(包括斜拉索、斜支撐)等構成，如圖1所示。

圖1 柔性支架構件圖

當柔性支架跨度較大或承受的荷載增大時，主索跨中位移以及撓度也會相應增大，若只提高索的預拉力來消除位移及撓度增大的影響，當預拉力增大到一定值時，將會超過索的承載力，在此類情況下，應設置穩(wěn)定索以及防風索，有條件時可利用鋼桁架替代防風索。

1.2 索—梁形式

索—梁形式即將索與梁直接相連，梁通長布置，此種布置形式的力傳導方式為索拉力→鋼橫梁→鋼立柱→支撐。

1.2.1 小跨度柔性支架索—梁形式

當柔性支架跨度較小(通常L≤30 m)時，設置2道主索即可滿足強度、撓度等設計要求，此種布置方式中，橫梁在跨距內(nèi)承擔了多道索的拉力，而單根索的拉力可達到100 kN左右，故橫梁的耗鋼量在整個支架結構中占據(jù)較大的比例。由于柱間支撐和斜支撐的布置，索的水平力主要由支撐構件承擔，鋼立柱幾乎不受水平力作用，但是柱底、斜支撐底部將會有較大的反力，在一些地質(zhì)條件不良的區(qū)域，基礎設計可能存在較大的困難。

柔性光伏支架一般有四種端部支撐形式[10]，分別為斜拉桿、鋼斜柱、八字形鋼斜柱以及斜拉索。其中，斜拉桿與斜拉索為受拉構件，鋼斜柱為受壓構件，八字形鋼斜柱的兩斜柱內(nèi)力等大反向，在數(shù)值上等于斜拉桿、斜拉索或鋼斜柱的一半，應根據(jù)場地地質(zhì)特點選用合適的水平支撐體系。

連續(xù)多跨支架分為端榀支架與中榀支架如圖2所示，通過設置中榀支架減小預應力拉索拉力。

圖2 小跨度連續(xù)多跨索—梁形式

中榀鋼橫梁對索的支承方式通常為滑動支承，即索在中間支座時不斷開，而是一整條索連續(xù)搭接過去，使鋼橫梁不承擔索軸向拉力荷載作用。在此條件下，鋼梁的受力包括構件重量、風載及雪載，這些荷載相對于索拉力很小，較小的型鋼尺寸即可滿足工程需要，故中榀支架的鋼材耗量會較端部顯著下降。

1.2.2 大跨度柔性支架索—梁形式

當柔性支架跨度L≥30 m時，設置2道主索難以滿足跨中撓度要求，如果增大預緊力以滿足撓度需要，則會超過索力設計值；同時，由于索結構較柔，跨度較大時，風致振動作用較為顯著，需要設置防風體系。

大跨度索—梁形式柔性支架如圖3所示，圖3(a)中在支架的橫向單排設置2道主索、1道穩(wěn)定索以及三角錐，穩(wěn)定索的設置可以減小索跨中撓度并可分擔部分主索拉力；在支架縱向設置防風索以減小風振作用，防風索端部可錨入地基亦可牽拉至兩端端柱，但牽拉至端柱時需要增大端柱截面。圖3(b)中以鋼桁架替代防風索，鋼桁架所用桿件為剛性桿，安裝完畢后不必進行牽拉。圖3(c)為大跨度索—梁形式連續(xù)多跨支架。

圖3 大跨度單跨索—梁形式

在大跨度柔性支架體系中，需要施加預緊力的索有主索以及穩(wěn)定索，根據(jù)實際工程，施加預緊力順序為：①先初步張拉主索，在主索上鋪設光伏組件，安裝完成后調(diào)整主索拉力達到預張力設計值；②進行穩(wěn)定索的張拉，以調(diào)整結構的整體撓度[9]?？v向防風體系不再進行張拉。

1.3 索—柱形式

索—柱形式即將索與柱直接或間接相連，多柱少梁，此種布置形式的力傳導方式為索拉力→鋼立柱→支撐或索拉力→支撐→鋼立柱。

1.3.1 小跨度柔性支架索—柱形式

小跨度單跨支架的索—柱形式如圖4所示，此種布置方式相較于索—梁形式，取消了鋼橫梁，增大了鋼柱的密度，同時減小了柱底與支撐底的反力，但是增加了基礎個數(shù)。索—柱形式的端部支撐形式主要為3種：斜拉索、鋼斜柱以及八字形鋼斜柱。

圖4 小跨度柔性支架索—梁形式

索—柱形式柔性支架中榀的支架形式類似于固定式單柱光伏支架，如圖5所示，構件包括鋼斜梁、斜撐桿、鋼立柱、支撐桿、拉桿(索)，斜撐桿通過抱箍或焊接與鋼立柱相連，通過螺栓或焊接與鋼斜梁相連，鋼斜梁支承于鋼立柱與斜撐上，索支承于鋼斜梁上，每一排2根主索對應于一根鋼立柱。中榀支架對索的支承方式同樣為滑動支承，索在中間支座時不斷開，而采用連續(xù)搭接的方式，使支架不受預應力索軸向拉力作用。為減小鋼橫梁用量，應將支撐桿的作用點盡量靠近索與橫梁的交點。

1.3.2 大跨度柔性支架索—柱形式

與索—梁形式相同，通常當柔性支架跨度L≥30 m時，需要設置防風體系。大跨度索—柱形式柔性支架如圖6所示，索—柱形式大跨度支架端部支撐形式與小跨度相同，共3種，分別為鋼斜柱、八字形鋼斜柱以及斜拉索。

圖6 大跨度索—柱形式

在實際工程中，也可采用索—梁形式與索—柱形式相結合的布置方式，例如端榀采用索—梁形式，中榀采用索—柱形式，亦可端榀采用索—柱形式，中榀采用索—梁形式，支架的最終布置方式需根據(jù)場地條件、業(yè)主需要、經(jīng)濟性及安全性等因素綜合考慮。

2 兩種形式經(jīng)濟性比較分析

在實際工程中，應根據(jù)工程實際需要選擇相應的布置形式。但是當一個工程項目有多種結構布置選擇時，應根據(jù)結構形式的經(jīng)濟性進行比選。

2.1 結構布置形式比較

柔性支架的索—梁形式和索—柱形式由于結構布置形式不同，耗鋼量會有一定差異，本節(jié)針對一個具體案例對這兩種布置形式進行工程量比較。案例設計資料如下：

場地面積：80 m×125 m；框架設計高度：3 m；基本風壓w0：0.5 kPa；光伏面板尺寸：2 383 mm×1 303 mm，單板額定功率650 W，34.4 kg/塊；設計光伏面板傾角：20°；風載體型系數(shù)：根據(jù)標準《光伏支架結構設計規(guī)程》取值，傾角20°時，風載整體體型系數(shù)μs1(風壓)為0.85，μs2(風吸)為-1.0；風振系數(shù)：偏保守取為2.0；結構安全等級：三級，結構重要性系數(shù)取1.0。

對比方案主要為3個：索—梁布置形式、索—柱布置形式、索—梁與索—柱聯(lián)合布置形式，如圖7所示，計算軟件為sap2000。光伏板均橫向方式，每跨放置10塊，每排光伏板中心線間距為2.5 m，每橫排間距2.5 m，組件采用兩主索支承形式，在滿足撓度要求情況下不設置穩(wěn)定索和防風索。預應力取值：索預應力取值不應過大或過小。取值過大，則可能超過索容許應力或增大基頂反力導致基礎量過大，取值過小，則可能不滿足最大容許撓度要求。故設計時建議根據(jù)允許跨中撓度計算索預應力取值，此處根據(jù)計算取為20 kN。

圖7 75 m×120 m柔性支架設計方案

計算模型中，為正確模擬索構件的變形與受力，考慮了構件幾何非線性，并將索構件定義為只拉單元；在中間跨定義連接單元以模擬中榀支架對索的滑動支撐效果；每根主索承受荷載均換算為線荷載的形式施加；為準確施加索預緊力，利用程序中目標力在索的兩端進行施加。

索—梁布置形式恒載與風壓作用下的位移云圖，如圖8所示。單跨跨中最大位移為-0.65 m，滿足規(guī)范[15]L/20跨中垂度要求，此時主索軸力達到87 kN，選用φ15鋼絞線，極限破斷力為189 kN(抗拉強度1 570 MPa)[16]，索力設計值為94.5 kN。在其他兩個方案中，由于荷載、主索跨度與主索截面大小均相同，結構最大位移與索—梁布置形式相差不大。在進行結構設計時，將各構件的最大應力比控制在0.8～0.9，避免各構件截面過大或過小。

圖8 恒載與風壓作用下位移云圖(索—梁布置形式)

以上3個方案的計算用鋼量見表1(序號1、2、3)所列，索—梁布置形式用鋼量最大，為64.47 t，其中鋼橫梁耗量占比達50%以上；索—梁與索—柱聯(lián)合布置形式次之，為39.26 t；索—柱布置形式最小，為26.28 t。方陣總裝機容量為650×10×3×49=955 500 W。故換算為每兆瓦用鋼量時，方案一工程量為67.47 t/MW，方案二工程量為41.09 t/MW，方案三工程量為27.50 t/MW。經(jīng)比較，在條件允許的情況下，建議采用索—柱形式進行設計。

表1 各布置方案設計用鋼量

2.2 跨度影響性分析

在大小相同的荷載作用下，當柔性支架跨度增大時，預應力索的跨中撓度相應增大，當跨度增大到一定值時，跨中垂度將會超過規(guī)范限值(L/15～L/20)[15]，故需要設置穩(wěn)定索及防風索。雖增加了穩(wěn)定索及防風索，但跨度的增大會減少中榀支架的數(shù)量，故大跨度與小跨度柔性支架經(jīng)濟性不便直接比較。本節(jié)基于總長75 m的柔性支架，對比3種跨度的工程量，以評估柔性支架經(jīng)濟跨度。

對比方案為：75 m五跨支架方案、75 m三跨支架方案、75 m兩跨支架方案，如圖9所示，計算軟件為sap2000，結構布置形式均為索—柱形式。由于75 m兩跨支架方案在不設置防風體系時的位移較大，索拉力超過了規(guī)范限值，故需要增大索截面或增設防風體系，此處設置了穩(wěn)定索及防風索，根據(jù)實際施工情況，主索預緊力F應大于穩(wěn)定索預緊力f，現(xiàn)取f=F/2，F(xiàn)取為20 kN。

圖9 跨度比較模型

圖10為75 m兩跨支架方案的位移云圖，由于穩(wěn)定索的布置，索跨中撓度減小為0.985 m，滿足撓度要求；主索、穩(wěn)定索的最大拉力分別為90 kN、82 kN，均小于φ15鋼絞線拉力設計值189/2 kN。

圖10 75 m兩跨模型位移云圖

支架構件經(jīng)過截面設計，工程量見表1(序號4、5、6)所列。從以上3個跨度方案來看，75 m五跨方案耗鋼量為1.16 t，75 m三跨方案耗鋼量為1.07 t，75 m兩跨方案耗鋼量為1.61 t。在不設置穩(wěn)定索和防風索的情況下，支架耗鋼量隨著跨度的增大而少量減少，當跨度繼續(xù)增大到需要設置穩(wěn)定索和穩(wěn)定索時，支架耗鋼量顯著增加，柔性支架的最優(yōu)經(jīng)濟跨度應為需要設置穩(wěn)定索及防風索的臨界跨度。在工程設計時，若沒有跨度限值，可先計算出臨界跨度L0，實際設計跨度L可在L0基礎上偏安全地乘以縮減系數(shù)。

3 結論

1)相同設計條件下，索—柱形式布置在經(jīng)濟上要優(yōu)于索—梁形式，因為不僅要除考慮梁受力強度外還需考慮索的連接，所以梁截面高度不會太小，梁的耗鋼量往往超過總耗量的50%以上。

2)當布置為小跨度時，只設置2道主索，無需設置穩(wěn)定索和抗風索即能滿足應力和變形的要求，此時結構簡單、施加的預應力小、施工周期短而且經(jīng)濟性好；當跨度較大時則需要設置穩(wěn)定索和抗風索，鋼構件增多，耗鋼量增加，但柱和基礎數(shù)量相應減少，經(jīng)濟性根據(jù)場地條件差異較大。

3)連續(xù)多跨布置較單跨經(jīng)濟性優(yōu)，中間支架設計成搖擺柱，索在中間支柱處連續(xù)，索外側設置斜拉索以平衡索拉力，以減少支架工程量。