某混凝土屋面分布式光伏電站基礎(chǔ)方案分析與計(jì)算

孫海燕（信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司華東分院，江蘇 無錫 214071）

某混凝土屋面分布式光伏電站基礎(chǔ)方案分析與計(jì)算

孫海燕
（信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司華東分院，江蘇 無錫 214071）

分布式光伏電站，俗稱屋面電站，即利用商場、工廠、民宅等屋面建設(shè)的電站。因光伏發(fā)電屬于無污染、無噪音的清潔能源和可再生能源，受國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)和大力扶持。分布式電站市場啟動(dòng)以來，國內(nèi)出現(xiàn)了大量小型太陽能項(xiàng)目，分布式光伏電站有著規(guī)模小、數(shù)量多、項(xiàng)目分散的特點(diǎn)，相當(dāng)一部分電站建設(shè)在混凝土屋面上，光伏支架與原有屋面如何連接、支架采用何種基礎(chǔ)形式成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分，混凝土屋面電站常用的基礎(chǔ)方案一般有四種：混凝土支墩配重法、預(yù)制混凝土壓塊法、后錨固化學(xué)連接法、結(jié)構(gòu)膠粘劑法，本文對此做法進(jìn)行了比較和說明，并針對具體項(xiàng)目選定了基礎(chǔ)方案，且出具了詳細(xì)荷載取值及計(jì)算過程，可供類似工程參考。

分布式電站；混凝土屋面；計(jì)算方法

1 某混凝土屋面分布電站情況介紹

無錫某1.2MWp屋面分布式光伏電站共布置在4棟面積相同的屋面上，每棟建筑屋面尺寸均為90m×48m，此4棟建筑屋面均為上人屋面，屋面設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2kN/m2上標(biāo)。屋面為結(jié)構(gòu)找坡，坡度為3%。屋面電站組件功率為255Wp，組件尺寸為1952mm×992mm，重量為28kg，組件間距為20mm，組件陣列為2排8列，共18塊，組件朝南，傾角25°。

2 光伏支架基礎(chǔ)方案介紹

方案一：混凝土支墩配重法。在混凝土屋面上現(xiàn)場澆筑（重量小的也可預(yù)制）鋼筋混凝土支墩，支墩內(nèi)一般配置少量鋼筋抗裂，在支墩頂面與支架連接處預(yù)埋地腳錨栓或者其他連接件，光伏支架與配重支墩螺栓連接。配重法基礎(chǔ)有兩種形式，根據(jù)受力計(jì)算結(jié)果對支架前后腿分別設(shè)置大小不同的獨(dú)立支墩，如圖1（a）所示，將支架前后腿支墩連為一體，如圖1（b）所示。

圖1 混凝土支墩配重法屋面結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)點(diǎn)：基礎(chǔ)穩(wěn)固，結(jié)構(gòu)安全可靠，不會(huì)對原有屋面防水層造成破壞，若支墩重量不大的話可以預(yù)制，能有效縮短工期，且光伏支架用鋼量較少。

缺點(diǎn)：支墩需要支模，支墩混凝土澆筑完畢后又需要養(yǎng)護(hù)，需要大量人工，耗時(shí)，支墩自重較大，原屋面所增荷載較多，采用此法需要計(jì)算復(fù)核查明原有屋面是否具備足夠的承載能力。

方案二：預(yù)制混凝土壓塊法。支架與屋面無連接，簡單擱置在屋面上，將預(yù)制混凝土塊壓在支架底梁上，通過混凝土壓塊自身重量和與壓塊與屋面之間接觸面上的摩擦力達(dá)到抗傾覆、抗滑移的作用，保證結(jié)構(gòu)安全。壓塊采用混凝土預(yù)制而成（壓塊內(nèi)無鋼筋），每個(gè)支架上需要配置的壓塊大小和重量根據(jù)計(jì)算確定，一般來講單個(gè)支架底梁上配置多個(gè)壓塊，這樣會(huì)有效降低每個(gè)壓塊的重量，以便于施工和運(yùn)輸，如圖2所示。

圖2 壓塊法混凝土預(yù)制屋面結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省鋼筋、工時(shí)，可提前制作水泥磚，水泥磚上不需要預(yù)埋地腳錨栓和其他連接件，施工比較簡單，可有效降低工期，不會(huì)對原有屋面防水造成破壞。

缺點(diǎn)：支架用鋼量較多，混凝土塊容易開裂，耐久性不夠好，支架與屋面之間無連接，可靠性不夠好，混凝土塊也對屋面增加了荷載，采用此法也需要復(fù)核計(jì)算屋面是否具備足夠的承載能力。

方案三：后錨固化學(xué)連接法。屋面光伏支架連為一個(gè)整體，每隔一定距離設(shè)置一個(gè)鋼立柱，鋼立柱柱腳下設(shè)置鋼筋混凝土短柱，短柱采用化學(xué)植筋（或化學(xué)螺栓）與屋面相連，因化學(xué)植筋（或化學(xué)螺栓）在原有結(jié)構(gòu)內(nèi)需要滿足一定的錨固長度要求，故支架柱腳短柱應(yīng)設(shè)置在鋼筋混凝土柱頂上或屋面梁上，施工時(shí)需要鑿除短柱處屋面面層，露出結(jié)構(gòu)層，將化學(xué)植筋（或化學(xué)螺栓）和鋼筋混凝土短柱施工完畢后，再修復(fù)屋面面層和防水層，此種方法多用于不上人鋼筋混凝土屋面因不上人屋面的設(shè)計(jì)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值一般為0.5kN/m2上標(biāo)，屋面不能承受配重方案所帶來的新增荷載，如圖3所示。

圖3 后錨固化學(xué)連接法屋面結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)點(diǎn)：連接牢固，結(jié)構(gòu)安全可靠，光伏支架用鋼量少，原有屋面增加荷載少。

缺點(diǎn)：破壞了原有屋面面層，有修復(fù)不好而漏水的風(fēng)險(xiǎn)。施工較為復(fù)雜，工序較多，工期較長。

方案四：結(jié)構(gòu)膠粘劑法。采用專門的建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑，將支架支腿直接粘結(jié)于混凝土屋面上，所選用膠粘劑應(yīng)能長期承受設(shè)計(jì)應(yīng)力和環(huán)境作用。

優(yōu)點(diǎn)：省時(shí)省力，安裝快捷，節(jié)省材料。

缺點(diǎn)：國內(nèi)案例較少，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的耐久性、可靠性有待考驗(yàn)。

3 方案選擇和計(jì)算

此工業(yè)園1.2MWp屋面電站項(xiàng)目業(yè)主要求工程設(shè)計(jì)使用年限為25年，設(shè)計(jì)院必須保證項(xiàng)目在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的安全可靠性，并要特別保證原有建筑的安全可靠。而原有屋面為上人屋面，設(shè)計(jì)活荷載為2.0kN/m2，則四種方案都可以考慮，又由于方案三破壞了原有屋面面層、方案二的可靠性不好、方案四的耐久性有待驗(yàn)證，故選取方案一，方案一也有獨(dú)立支墩和整體支墩之分。下面介紹計(jì)算支墩大小所需的荷載取值和計(jì)算方法：

支架間距取為2.7m，組件及支架自重取值為0.15kN/m2上標(biāo)。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表E.5，查得無錫市的風(fēng)壓值為：

10年一遇風(fēng)壓w0=0.30kN/m2上標(biāo)、100年一遇風(fēng)壓w0=0.50kN/m2上標(biāo)；

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》E.3.4式，換算成25年一遇基本風(fēng)壓：

w0=0.30+（0.50-0.30）×（lnR/ln10-1）=0.30+0.20×0.39794=0.38 kN/m2上標(biāo)。

屋面地處無錫市某工業(yè)園內(nèi)，地面粗糙度類別為B類，屋面最高處離地面高度接近20m。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.2.1，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.23；

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》6.8.7條，風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1.3；

垂直于組件的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為wk=μ z×μs×w0=1.23×1.3×0.38=0.61kN/m2上標(biāo)。

（1）若基礎(chǔ)采用獨(dú)立支墩，根據(jù)豎向力的平衡，支架前腿支墩需取為0.4m×0.4m×0.469m，假設(shè)后腿支墩尺寸為La長×La寬×0.4m高，獨(dú)立支墩支架受力模型如圖4所示。

圖4 獨(dú)立支墩支架受力模型

前腿支墩自重G1k=0.4m×0.4m× 0.469m×25kN/m3=1.88kN；

后腿支墩自重G2k=Lam×Lam× 0.4m×25kN/m3=10×La×LakN；

組件和支架本身自重自重G3k= 0.15kN/m2上標(biāo)×2.7m×3.924m=1.59kN；

垂直于組件的風(fēng)荷載G4k=0.61kN/m2上標(biāo)×2.7m×3.924m=6.463kN；

傾覆力矩Mq=G4k×1.883m=6.463kN ×1.883m=12.17kN·m；

抗傾覆力矩Mk=G1k×0.2m+G2k× 2.7m+G3k×1.45m=2.6815kN·m+27× La×LakN·m；

根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算公式Mk/Mq≥1.6，計(jì)算得La≥0.8m。

則每個(gè)支架的支墩混凝土用量為0.4m×0.4m×0.469m+0.8m×0.8m×0.4m =0.3664m3。

（2）若基礎(chǔ)采用整體支墩，支架整體支墩尺寸假設(shè)為Lb長×0.4寬×0.4m高，整體支墩受力模型如圖5所示：

將整體支墩總重量分為兩個(gè)部分G1k+G2k，

G1k=0.4m×Lbm×0.4m×25kN/m3= 4×LbkN；

G2k=Lbm×3% ×Lbm/2×0.4m× 25kN/m3=0.15× Lb×LbkN；

組件和支架本身自重自重G3k= 0.15kN/m2上標(biāo)×2.7m×3.924m=1.59kN；

垂直于組件的風(fēng)荷載

G4k=0.61kN/m2上標(biāo)×2.7m×3.924m= 6.463kN；

傾覆力矩

Mq=G4k×1.883m=6.463kN×1.883m =12.17kN·m；

抗傾覆力矩

Mk=G1k×Lb/2+G2k× Lb/3+G3k× 1.45m

=2×Lb×LbkN·m+0.05×Lb×Lb× LbkN·m+ 2.31kN·m

根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算公式Mk/Mq≥1.6，計(jì)算得Lb≥2.8m。

則每個(gè)支架的支墩混凝土用量為（0.4m+0.4m+2.8m×3%）×2.8m/2× 0.4m=0.495m3。

故無錫工業(yè)園1.2MWp屋面電站項(xiàng)目最終選擇混凝土支墩配重法中的獨(dú)立支墩方案，在光伏組件投影面積內(nèi)屋面每平方荷載增重為（0.3664m3×25kN/m3 +1.59kN組件支架自重）/2.7m/（3.924m×Cos253）=1.12kN/m2上標(biāo)＜2.0kN/m2上標(biāo)，屋面滿足荷載要求。

圖5 整體支墩受力模型

結(jié)語

總之，混凝土屋面分布式光伏支架基礎(chǔ)方案應(yīng)根據(jù)具體工程特點(diǎn)（荷載情況、項(xiàng)目工期、材料用量等），多方比較，力求滿足安全、適用、經(jīng)濟(jì)、合理、美觀的要求，同時(shí)盡可能的降低工程造價(jià)和縮短工期。

[1]祁建洲.混凝土平屋面光伏組件支架的連接設(shè)計(jì)[J].門窗，2012（05）.

[2] GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TM615

A