柔性光伏支架设计参数之跨数及总长分析

柔性光伏支架设计参数之跨数及总长分析

黄鹦 范武 朱柄臣 王辉

湖北省电力规划设计研究院有限公司，湖北省 武汉市 430070

摘要：目前针对柔性支架，常见的结构形式主要为：单层双索、双层双索以及双层三索，三种结构形式。设计计算分析时针对以上结构形式，建立有限元模型时需要实际模拟多少个跨度，以及沿跨度方向总共布置多少跨，目前并无相关研究；各大厂家及设计院在前期模拟时一般都采用典型3跨模型来进行分析。本文通过有限元建模，分析其在不同跨数作用下的荷载反应，并给出参考结论。

关键词：柔性光伏支架；建模跨数；基础反力

目前主流柔性支架结构形式主要可以分为：单层双索、双层双索以及双层三索三种结构体系，其中单层双索体系适用于跨度≤25m、双层双索体系是适用于跨度≤50m、双层三索体系适用于跨度≤60m；

图1 单层单索体系          图2 双层双索体系               图3 双层三索体系

柔性支架主要是通过张拉后的索系来承载光伏板索带来的荷载，设计时中桩一般只承受竖向力，因此两侧斜拉索的锚固基础和端柱基础受荷较大。目前有限元建模分析时，一般均采用3跨模型来考虑，但实际施工时出于经济性考虑时，柔性支架跨数一般都会大于10跨度，总跨长约在300~600m。目前国内外对建模时所采用的跨数及跨数的最大数量未有研究，因此根据现有常见的多种光伏支架的受力特性以及结构特征，建立模型，提出相关简化计算方法，以期为后续的柔性光伏支架设计提供参考很有必要。

1 有限元模型的建立

1.1 模型的建立[2]

对单层双索、双层双索及双层三索采用不同的跨度进行建模分析：

单层双索柔性支架计算时，跨度均按20m考虑，风振系数按1.45考虑；体型系数按规范取值；总跨数按20x3、20x5、20x9、20x17、20x30、20x45考虑。

双层双索柔性支架计算，跨度均按30m考虑，风振系数按1.7考虑；体型系数按规范取值；总跨数按30x3、30x5、30x9、30x17、30x30考虑。

双层三索柔性支架计算，跨度均按30m考虑，风振系数按1.7考虑；体型系数按规范取值；总跨数按30x3、30x5、30x9、30x17、30x30考虑。

1.2 模型荷载取值[1]

表1 风、雪荷载取值

1.3 有限元模型

荷载可通过板单元（光伏电池板等效刚度）来导荷。中柱与索相交处，进行自由度释放（通过主从节点，约束DY/DZ，释放DX，释放MX/MY/MZ），中柱与基础按刚接模拟；端柱及斜拉端与索及基础均按刚接考虑。

图1 单层双索体系                      图2 双层三索体系

图3 双层双索体系

通过建模分析，在调整后的索初拉力下结构变形均满足规范要求，索张力也满足0.5倍破断力。

2分析结果

2.1 单层双索体系基础反力及索张力

注：其中中柱Fy取值为第一个中柱/其它中柱

通过上叙分析可知，采用不同的跨度建模时，中柱竖向反力均一致，由于3跨模型只有2个中柱，此中柱受边柱影响较大，Fy约1.8kN；此反力与其他跨数的第一个边柱荷载也一致，但Fy仍小于其他中柱；边柱、斜拉索和上索随着总跨数的增加，均有一定程度的增大。通过查看计算结果是因为随着跨度的增多，由于中柱柱顶索是可以沿着索长度方向自用移动，导致边柱的柱顶位移也不断增大，因此边柱、斜拉索和上索反力均有一定程度增加。

对于单层双索体系，通过有限元分析可知理论上跨数可以无限大，随着跨度的增加仅对边跨基础存在一定的影响。综合考虑，建议采用5跨模型进行上部设计和计算；下部基础设计时，考虑中柱的滑动设计，结合结构的安全冗余度、风荷载的动力响应，建议总跨长不宜过长，建议不超过600m，同时针对不同的总跨长斜拉索和边柱设计时构件内力建议考虑1.05~1.20的系数。上部设计时张拉索的张拉力适当留点富裕，建议按0.95考虑。

2.2 双层双索体系基础反力及索张力

注：由于双层双索体系结构迎风侧均沿着索长度方向，因此两侧荷载存在不一致

双层双索体系，目前在实际运用中比较少见，在区域受限时如索方向只能布置在南北方向时，采用此结构体系能提高发电量，因此在部分受限区域得到了采用。

通过上叙分析可知，由于其光伏板的阵列排布方向与索方向垂直导致索方向与主风方向一致，索结构沿主风方向刚度有限，导致迎风一侧边柱及斜拉索受力较大，两侧受力不均匀，跨数越多时越明显。

对于中柱而言，采用不同的跨度建模时，中柱竖向反力、水平反力均一致；边柱、斜拉索和上下索则随着总跨数的增加，构件内力不断增加且端头两侧反力越来越不均匀。

因此，对于双层双索体系，建模分析时建议采用5跨模型进行上部设计和计算，下部基础设计时，建议总跨长不宜过长，建议不超过600m，同时针对不同的总跨长斜拉索和边柱设计时构件内力建议考虑1.05~1.20的系数。上部设计时拉索的张拉力适当留点富裕，建议按0.95考虑。

2.3 双层三索体系基础反力及索张力

通过上叙分析可知，对于中柱而言，采用不同的跨度建模时，中柱竖向反力、水平反力均一致；边柱、斜拉索和上索则随着总跨数的增加，构件内力不断增加。

对于双层三索体系，通过有限元分析可知理论上跨数可以无限大，随着跨度的增加仅对边跨基础存在一定的影响。因此，建模分析时建议采用5跨模型进行上部设计和计算；下部基础设计时，考虑中柱的滑动设计，结合结构的安全冗余度、风荷载的动力响应，建议总跨长不宜过长，不超过900m，同时针对不同的总跨长斜拉索和边柱设计时构件内力建议考虑1.05~1.20的系数。上部设计时张拉索的张拉力适当留点富裕，建议按0.95考虑。

3 结论

柔性支架施工图设计时从经济性角度出发应尽量增多结构跨数；实际施工图设计时无法将所有不同的跨数均模拟出来，因此本文通过对目前常见的单层双索、双层双索、双层三索3种柔性支架结构体系进行有限元建模分析，通过分析得到如下结论：可以采用5跨模型进行简化计算，同时上部支架设计时张拉索的索力应考虑一定的富裕，建议按0.95考虑。下部基础设计时应根据实际的总跨长对边柱基础、端柱基础采用1.05~1.20的放大系数。

参考文献：

[1]《光伏支架结构设计规程》, NB∕T 10115-2018.

[2]《索结构技术规程》, JGJ 257-2012.