通規(guī)下光伏支架優(yōu)化設(shè)計

通規(guī)下光伏支架優(yōu)化設(shè)計摘要：結(jié)構(gòu)通規(guī)的執(zhí)行增加了光伏支架結(jié)構(gòu)20%的風荷載值，如何滿足規(guī)范下，不增大光伏支架設(shè)計再進一步優(yōu)化？本文從支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風荷載計算優(yōu)化、檁條布置優(yōu)化、分區(qū)優(yōu)化設(shè)計和鍍鋅鋁鎂檁條的應用建議多方面分析計算，和實列項目數(shù)據(jù)的對比計算。提出了全部二力桿件的PV支架結(jié)構(gòu)方案、風壓高度變化系數(shù)按優(yōu)化公式計算的建議和3跨連續(xù)檁條布置方案等，在實際工程設(shè)計中，具有一定的的經(jīng)濟效益和參考價值。關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計；光伏支架；二力桿件；風壓高度變化系數(shù)；OptimalDesignofPVSupportBracketafterImplementationoftheGeneralCodeforEngineeringStructuresZhangGuofei(ChinaEnergyEngineeringGroupZhejiangThermalPowerConstructionCO.,LTD,Hangzhou310016,China)Abstract:TheimplementationofthegeneralcodeforengineeringstructuresincreasedthewindloadvalueofPVsupportstructuresby20%,howtomeetthespecificationwithoutincreasingthePVsupportstructuresdesignandthenfurtheroptimization?Thispaperanalyzesandcalculatesfrommanyaspectsofbracketstructureoptimization,windloadcalculationoptimization,purlinarrangementoptimization,zoningoptimizationdesignandapplicationsuggestionofgalvanizedaluminum-magnesiumpurlin,andcomparisoncalculationofactuallistedprojectdata.ThestructuralschemeofPVsupportstructures

withallpullingandpressingbars,thesuggestionofwindpressureheightvariationcoefficientcalculatedbytheoptimizationformulaandthe3-spancontinuouspurlinarrangementschemeareproposed,whichhavecertaineconomicbenefitsandreferencevaluesintheactualengineeringdesign.Keyword：optimaldesign;PVsupports;pullingandpressingbars;windpressureheightvariationcoefficient.0引言為保護全球環(huán)境，還我青山綠水，世界各國紛紛提出了碳排放碳達峰目標。中國也最早提出3060雙碳目標?？梢灶A見不久將來為實現(xiàn)雙碳目標，將會有成千上萬座太陽能發(fā)電廠在遼闊的地球上迅速建設(shè)投產(chǎn)，同時也將消耗掉數(shù)億噸的光伏支架鋼結(jié)構(gòu)，環(huán)保降耗必然要求采取合理的設(shè)計優(yōu)化來降低用鋼量。光伏支架結(jié)構(gòu)主要荷載自重、風雪和檢修荷載，其中風荷載其控制作用的活荷載，屬于對風荷載敏感的結(jié)構(gòu)，因此如何優(yōu)化風荷載的計算取值是光伏支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，本文從結(jié)構(gòu)選型布置方案、風荷載優(yōu)化計算、檁條布置和選材多方面談?wù)勛髡咦鞣ê透邢搿?目的及實列項目1.1目的通過對規(guī)范的理解應用，談?wù)勎覈?guī)范在光伏支架結(jié)構(gòu)風壓作用計算中的應用分析和優(yōu)化計算取值及結(jié)構(gòu)布置等，解決結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)安全取舍，及優(yōu)化通過審圖專家審圖等關(guān)切的問題。最終使光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計既滿足工程優(yōu)化的需求，同時滿足通規(guī)等標準的要求，并順利通過專家審圖。1.2實列項目工程建設(shè)規(guī)模500MWac,地處我國甘肅地勢平坦的戈壁沙漠地區(qū)（地面粗糙度B類），50年一遇10分鐘10m高平均最大風速為29.7m/s，重現(xiàn)期50年基本風壓：0.55kN/m2，重現(xiàn)期25年風壓：0.47kN/m2；重現(xiàn)期50年基本雪壓：0.20kN/m2，重現(xiàn)期25年雪壓：0.19kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度：7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組第三組。光伏支架采用傾角35°固定支架，支架高度結(jié)構(gòu)3.1m,光伏板頂標高3.4米,最低點高于地面0.5米，光伏板中心標高2.0米，PV支架（同光伏支架）結(jié)構(gòu)如圖1示。作者簡介：張國飛（1980-），男，漢，河南信陽人，高級工程師，大學本科，學士學位，主要從事工程咨詢設(shè)計管理及土建設(shè)計，《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》編者。圖1

PV支架結(jié)構(gòu)圖2光伏支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化光伏支架結(jié)構(gòu)分為固定式支架、固定可調(diào)支架和跟蹤支架。跟蹤支架一般按設(shè)備采購，由廠家負責計算設(shè)計生產(chǎn)，并經(jīng)風洞試驗驗證，一般都很經(jīng)濟，優(yōu)化空間較小。本文主要針對固定光伏支架做結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探討。2.1支架結(jié)構(gòu)橫向布置優(yōu)化光伏支架結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)或輕鋼結(jié)構(gòu)，因此要充分發(fā)揮鋼材的材料特性，結(jié)構(gòu)布置采用受力簡單的二力桿，節(jié)點采用鉸接的支架結(jié)構(gòu)體系。2.2支架結(jié)構(gòu)縱向布置優(yōu)化光伏支架縱向結(jié)構(gòu)，受到縱向風荷載很小，從《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[1]（以下簡稱支架設(shè)計規(guī)程）知光伏支架縱向受到風荷載作用力僅為橫向受力的5%~10%，因此縱向結(jié)構(gòu)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[2]（以下簡稱鋼結(jié)構(gòu)標準）構(gòu)造規(guī)定即可，對支撐結(jié)構(gòu)桿件優(yōu)化采用張拉鋼筋，滿足構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定，優(yōu)化布置如下圖2示。圖2

PV支架縱向圖2.3支架結(jié)構(gòu)計算應力優(yōu)化光伏支架結(jié)構(gòu)采用軟件計算時應考慮風荷載重要性系數(shù)折減的規(guī)定，如果重要性系數(shù)軟件默認為1.0，則筆者認為應力比可取到1.0~1.05相當應力比在0.95~0.998的安全范圍。3光伏支架結(jié)構(gòu)的荷載計算優(yōu)化2022年1月1日執(zhí)行《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》[3]（以下簡稱結(jié)構(gòu)通規(guī)）中全部是強條，施工審查時專家重點審查的條文。關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)通規(guī)條文規(guī)定“當采用風荷載放大系數(shù)的方法考慮風荷載脈動的增大效應時,風荷載放大系數(shù)應不應小于1.2”[3]。結(jié)構(gòu)通規(guī)發(fā)布前執(zhí)行的規(guī)范支架設(shè)計規(guī)程和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]（以下簡稱荷載規(guī)范）中規(guī)定風振系數(shù)可取1.0。“對于雙列或多列單坡支架結(jié)構(gòu)體系,可取1.0；單列單坡支架結(jié)構(gòu)體系可按荷載規(guī)范執(zhí)行”[1]。荷載規(guī)范“對于高度大于30m且高寬比大于1．5的房屋，以及基本自振周期T1大于0．25s的各種高聳結(jié)構(gòu)，應考慮風壓脈動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風向風振的影響”，光伏固定支架結(jié)構(gòu)剛度很大且高度3米左右，可不考慮風荷載脈動的增大效應影響，因此光伏支架結(jié)構(gòu)風振系數(shù)按1.0取值。結(jié)構(gòu)通規(guī)的發(fā)布執(zhí)行直接導致光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計風荷載增大20%，相應鋼結(jié)構(gòu)用鋼量增加，那么如何在滿足規(guī)范條件下優(yōu)化風荷載設(shè)計，讓光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計用鋼量不增加或減小？3.1基本風速重現(xiàn)期取值基本風速指“一般空曠平坦地面B類粗糙度,離地10m高10分鐘50年重現(xiàn)期年平均最大風速”[4]?！皩ρ┖奢d和風荷載，應取重現(xiàn)期為設(shè)計使用年限”[4]，光伏支架的設(shè)計使用年限25年。支架設(shè)計規(guī)程規(guī)定“地面光伏支架設(shè)計時，應按25年重現(xiàn)期確定基本風壓”[1]，所以光伏支架設(shè)計時基本風速重現(xiàn)期按25年取值。基本風壓和基本風速的計算公式見式1。

(1)式中：w0為基本風壓(kN/m2)；ν0為設(shè)計風速(m/s)。規(guī)范中一般風壓的重現(xiàn)期年限分別為10、50和100年，那么重現(xiàn)25年的基本風壓需要根據(jù)已提供的氣象資料中50年重現(xiàn)期的設(shè)計風速進行換算，由PeterkaandShahid1998公式見式2。

(2)計算出ν25=0.93ν50=27.621m/s帶入式1知w25=0.477kN/m2,同本實列項目提供25年基本風壓一致。3.2風荷載計算公式支架設(shè)計規(guī)程規(guī)定風荷載計算公式為：(3)式中：wk為風荷載標準值(kN/m2)；βz為高度z處的風振系數(shù)；μs為風荷載體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)，對于地面光伏支架可取光伏板頂端高度；w0為基本風壓(kN/m2)。因結(jié)構(gòu)通規(guī)執(zhí)行而影響計算結(jié)果的參數(shù)是風振系數(shù)取值，由執(zhí)行前的1.0放大到現(xiàn)在的1.2，其他參數(shù)新規(guī)沒有變化，荷載計算優(yōu)化怎么執(zhí)行？3.3風荷載計算優(yōu)化“風壓高度變化系數(shù)，對于地面光伏支架可取光伏板頂端高度”[1]，以參照光伏項目的概況，地面光伏支架的最高標高3.4米，考慮支架高度調(diào)整和廠區(qū)地面高差影響，安全取值4.5米計算。查荷載規(guī)范正文結(jié)構(gòu)高度H≤10米（地面粗糙度B類），風壓高度變化系數(shù)取值都是1.0，規(guī)范或許從安全概率出發(fā)考慮的安全儲備，比者認為風壓高度變化系數(shù)應能體現(xiàn)風速的梯度變化，參照荷載規(guī)范公式計算出結(jié)構(gòu)對應高度的高度變化系數(shù)。MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures（ASCE/SEI7-05）[6](以下簡稱ASCE/SEI7-05)中速度壓力暴露系數(shù)Kz（相當國標的風壓高度變化系數(shù)）在空曠平坦的暴露類型（同中國規(guī)范的B類地面粗糙度）時的取值見表1所列。表1

美標速度壓力暴露系數(shù)表高度(ft)40302520≤15高度(m)12.29.17.66.1≤4.6Kz1.040.980.940.900.85美標在國外項目中是通用執(zhí)行標準，10米以下的速度壓力暴露系數(shù)劃分比較細，僅在15英尺（4.6米）以下沒在細分取值，筆者建議參照美標細分到4.5米，計算如下。荷載規(guī)范地面粗糙度B對應不同高度風壓高度變化系數(shù)計算公式詳式4。()0.30

（4）式中：μz是在高度z處風壓高度變化系數(shù)；z是風荷載作用的位置高度;計算高度4.5米處風壓高度變化系數(shù)μz=0.787，0.787×1.2=0.94，按此取值后風荷載計算值比考慮結(jié)構(gòu)通規(guī)1.2的風振系數(shù)還小了6%，工程量不僅沒有增加還存在一定優(yōu)化空間。4光伏支架檁條的優(yōu)化設(shè)計目前在設(shè)計用于安裝光伏組件的檁條時，沒有對支架上中下分區(qū)設(shè)計，全廠C型鋼型號一致，便于現(xiàn)場施工但不利于節(jié)能減排降低工程量。下面將從布置、選材和分區(qū)設(shè)計等三方面優(yōu)化設(shè)計。4.1光伏支架檁條布置優(yōu)化檁條設(shè)計布置應考慮連續(xù)多跨檁條的支座彎矩和跨中彎矩最優(yōu)方案。從《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》[7]中知，均布荷載下多跨連續(xù)梁支座彎矩大于跨中彎矩，彎矩系數(shù)見表2所列。表2等跨均布荷載連續(xù)梁最大彎矩系數(shù)表連續(xù)等跨跨數(shù)2345∞支座彎矩系數(shù)-0.125-0.100-0.107-0.105-0.083跨中彎矩系數(shù)0.070.080.0770.0780.042彎矩系數(shù)比值125%100%107%105%83%無限等跨的簡支連續(xù)梁彎矩最小，最經(jīng)濟，但是考慮C型鋼的運輸長度和結(jié)構(gòu)變形問題，建議控制在3跨，端跨可設(shè)計一定懸挑長度進行長度的調(diào)節(jié)，此時彎矩系數(shù)相對最小，工程量優(yōu)化范圍5%~25%，無限跨在結(jié)構(gòu)工程中不存在。4.2光伏支架檁條選材優(yōu)化光伏項目一般所在環(huán)境比較惡劣，設(shè)計一般采用熱浸鍍鋅，生產(chǎn)過程不僅污染環(huán)境而且工藝復雜，成本較高，現(xiàn)場磕碰損壞部分不能自修復，需要人工修補，關(guān)鍵修補效果不好。鍍鋅鋁鎂鋼板制品的耐蝕性非常高，不僅是熱浸鍍鋅鋁合金鋼板的5倍，更是熱浸鍍鋅鋼板的10倍，且具有環(huán)保、美觀、高耐腐蝕、自修復低成本和易加工等優(yōu)點。推薦采用鍍鋅鋁鎂鋼板軋制的型鋼，不僅可以有效優(yōu)化工程投資降低一次成本，而且能降低后期維護成本。4.3光伏支架檁條分區(qū)設(shè)計優(yōu)化支架設(shè)計規(guī)程將光伏組件受風面劃分了9個區(qū)域見下圖，從高到低（近地面端），每個區(qū)域體型系數(shù)見表3所示。圖3光伏組件受風面分區(qū)圖表3光伏組件風荷載局部體型系數(shù)表支架傾角5°10°20°30°40°55°μsl11-1.0-1.3-2.1-2.3-2.7-1.8μsl12-1.1-1.3-1.7-2.2-2.7-1.8μsl21-1.0-1.2-1.5-1.7-2.1-1.6μsl22-0.4-0.5-0.8-1.5-1.7-1.6μsl31-0.7-0.8-0.8-1.0-1.1-1.1μsl32-0.4-0.4-0.6-0.9-1..1-1.1負號為風吸，每個區(qū)域體型系數(shù)最大差異3倍多，因此檁條設(shè)計應上中下分段設(shè)計計算。陣列數(shù)大于7排時應對前后中間不同位置的基礎(chǔ)、光伏支架及檁條進行分區(qū)設(shè)計，特別是中間區(qū)域考慮前后支架對風速的梯度降低的影響，風荷載優(yōu)化效果顯著。5結(jié)論及建議①PV支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化應從結(jié)構(gòu)縱橫向及應力比控制角度優(yōu)化。支架桿件應設(shè)計成兩端鉸接的二力桿件，充分發(fā)揮鋼材的軸向受力的強度，并注意風荷載重要性系數(shù)的折減；②PV支架風速重現(xiàn)期應按25年設(shè)計取值。風荷載高度變化系數(shù)應取組件最高標高對應的高度變化系數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，風壓高度變化系數(shù)按規(guī)范或本文中公式計算。③檁條優(yōu)化設(shè)計應采用合理等跨的連續(xù)梁計算模型。④檁條優(yōu)化設(shè)計的材料建議采用環(huán)保、美觀、高耐腐蝕、自修復、易加工和成本低的鍍鋅