基于PKPM-PMSAP的多跨連棟式光伏農業大棚結構分析

2015-12-25 12:12:32特變電工新疆新能源股份有限公司黃華張梅何銀濤

太陽能 2015年8期

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 黃華張梅何銀濤

基于PKPM-PMSAP的
多跨連棟式光伏農業大棚結構分析

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 黃華*張梅何銀濤

摘要：針對多跨連棟式光伏農業大棚的結構形式和受力特點，利用PKPM軟件中STS桁架模塊和PMSAP模塊分別進行結構的二維和三維設計分析，提供了一種便捷高效的多跨連棟大棚結構設計分析思路，亦保證了該類結構的安全度和可靠性。

關鍵詞：光伏；大棚；PKPM；PMSAP

0 引言

隨著分布式能源的興起，光伏大棚項目越來越多的出現在民用建筑光伏領域，然而光伏大棚結構設計卻沒有統一的設計方法。作為國內建筑結構設計權威軟件，PKPM是中國建筑科學研究院根據國內情況和建筑相關規范開發的軟件，其中STS模塊和PMSAP模塊是目前國內應用最廣泛，被絕大多數設計院所認可的結構設計分析程序。因此，利用PKPM軟件對光伏大棚結構進行結構設計分析。

1 設計條件

1.1 工程概況

1.2 設計資料

因光伏農業大棚功能需要大開間大跨度，故其主體結構采用鋼框架結合鋼桁架梁結構，南北向7跨共67.2 m，東西向10跨共40 m，檐口標高3.8 m，棚頂標高4.5 m，南北向每個單跨內有3個坡屋頂，棚頂南北坡相對于水平面的傾角為23°，南坡面區域采用多晶硅太陽電池組件，北坡面區域采用透光玻璃，結構所用材料均為Q235熱鍍鋅鋼。屋面的后期清理、維護采取簡單人工維護的方式。

圖1　光伏農業大棚立面圖(單位：mm)

圖1為連棟式鋼結構光伏農業大棚南北2跨立面圖。圖2為連棟式鋼結構光伏農業大棚總體平面圖。左風0.35 kN/m2，右風0.35 kN/m2。變形限值取鋼結構設計規范中關于主梁或桁架的撓度容許值：恒荷載[νT]為l/400，活荷載[νQ]為l/500。柱水平位移容許值取按平面結構圖形計算的Hc/1250，Hc為基頂至梁頂高度。

由STS桁架二維計算結果可知，在恒荷載、活荷載、風荷載、水平地震作用下，連棟式光伏大棚結構構件應力比均小于1，即梁、柱的強度、剛度、穩定性均滿足要求，柱最大應力比為0.96，梁最大應力比為0.74；鋼梁最大絕對撓度(恒+ 活)為8.7 mm。

2.2 STS框架三維建模

光伏大棚結構三維整體模型如圖3所示。設計參數：鋼框架結構體系，結構主材為無填充墻鋼結構，風荷載及地震荷載信息均采用工程所在地實際信息。

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1.3 荷載計算

項目所在地基本風壓取50年一遇0.35 kN/m2，基本雪壓取50年一遇0.55 kN/m2。

屋面恒荷載：單個組件重量為20.5 kg，單塊組件面積為1.65 m×0.992 m=1.637 m2，即組件自重為20.5×10/(1.637×1000)=0.125 kN/m2；單塊透光玻璃重量為2.5 kg/m2，即4 mm厚玻璃自重為2.5×10×4/1000=0.1 kN/m2。

屋面活荷載：根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》第5.3.1款的規定，并考慮光伏大棚屋面在后期使用中需要進行人工清洗等維護工作，故此處屋面活荷載取上人屋面活荷載標準值2 kN/m2。

2 PKPM軟件設計

2.1 STS桁架二維計算分析

初設時采用PKPM軟件中的STS桁架模塊對光伏農業大棚結構進行二維建模分析。結構主要構件截面參數：柱為方鋼110 mm×110 mm×3 mm，棚頂主梁為方鋼130 mm×130 mm×3 mm，棚頂次梁為方鋼70 mm×70 mm×3 mm，桁架上下弦桿為方鋼60 mm×40 mm×2 mm，腹桿為30 mm×30 mm×2 mm。

荷載輸入：屋面南坡恒荷載0.125 kN/m2，屋面北坡恒荷載0.1 kN/m2，屋面活荷載2 kN/m2，

2.3 PMSAP三維計算分析

STS框架三維建模后通過PMSAP模塊進行補充建模計算分析。以下分別從恒荷載、活荷載、風荷載、地震荷載幾個方面進行結構整體變形分析。變形限值取鋼結構設計規范中關于主梁或桁架的撓度容許值：恒荷載[νT]為l/400，活荷載[νQ] 為l/500。柱水平位移容許值取按空間結構圖形計算的Hc/2000。在經過多次計算分析與修改模型后得出以下結論。

2.3.1 恒荷載作用

屋面南坡恒荷載0.125 kN/m2，北坡恒荷載0.1 kN/m2。由計算結果可知(如圖3所示)，恒荷載作用下結構最大變形為0.6 mm，滿足規范要求。

圖2　光伏農業大棚平面圖(單位：mm)

圖3　恒荷載作用下結構空間變形簡圖(單位：mm)

3 結論

1)在恒荷載作用下結構最大變形為0.6 mm；在活荷載作用下結構最大變形為3.2 mm；在風荷載作用下，X方向結構空間變形最大，最大變形為2.9 mm；地震荷載作用下，X方向結構空間變形最大，最大變形為5 mm。以上結果滿足結構承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求。

2)由以上結果可知，由于該大棚結構層高較高、跨度大、整體縱向剛度較橫向弱，導致在各種荷載工況下結構整體的縱向變形較橫向大，但是整體變形較為協調且在規定限制內，同時不存在局部振動現象。在實際工程中，可在結構縱向長度方向設置柱間支撐或者隅撐，以加強結構整體性。

4 結束語

利用PKPM軟件中的二維模塊STS及三維模塊PMSAP，針對多跨連棟式光伏農業大棚的結構形式和受力特點對其進行建筑結構設計分析，大幅提高了空間結構承載能力設計的準確性及安全性。需要注意的是，利用該軟件進行設計時，必須熟悉相關規范和參數，以及根據實際結構類型和受力特點對輸入參數進行人為修正，在不斷計算、修改的過程中逐漸完善結構的承載能力和經濟性之間的平衡。

參考文獻

[1] GB 50017-2003,《鋼結構設計規范》[S].

[2] GB 50011-2010,《建筑抗震設計規范》[S].

[3] GB 50009-2012,《建筑結構荷載規范》[S].

[4] GB 50797-2012,《光伏發電站設計規范》[S].

2.3.2 活荷載作用

考慮到光伏大棚在后期的使用過程中需進行人工清洗等維護工作，故將其屋面活荷載取上人屋面的活荷載值2 kN/m2。由計算結果可知(如圖4所示)，活荷載作用下結構最大變形為3.2 mm，滿足規范要求。

2.3.3 風荷載作用

風荷載作用下，框架柱頂位移限值為H/500，層間相對位移限值h/400。其中，H為基頂至柱頂總高；h為層高。由計算結果可知，結構X、Y方向最大變形出現在X方向，風荷載作用下，此時結構的空間最大變形為2.9 mm，(如圖5所示)。