結構力學求解器在光伏支架強度計算中的應用

蘇江燦

（清源科技（廈門）股份有限公司，福建廈門361101）

0 引言

光伏支架是光伏電站最主要的構筑物，如何確保光伏支架結構滿足強度、穩定性和剛度要求，是光伏支架設計需要考慮的關鍵問題。傳統的光伏支架結構強度計算方法是采用一些假設條件將實際結構簡化為理想的計算模型，根據結構力學理論知識進行手工計算。手工計算只適用于簡單的計算模型，對于復雜的計算模型手工計算變得非常困難，需要借助計算機進行計算。目前較先進的結構設計采用計算機輔助設計，常用結構分析軟件有結構力學求解器、PKPM、SAP2000等。PKPM、SAP2000主要用于三維結構力學分析，操作相對復雜，用戶需要經過專業培訓才能掌握，軟件大，運行較慢。結構力學求解器適合二維平面力學模型求解，它具有操作簡單、程序小、運行快、分析結果精準直觀等特點，非常適合初學者和經驗豐富的技術人員使用。本文利用結構力學求解器分析光伏支架在多種荷載組合下的內力和位移，實現光伏支架強度計算。

1 結構力學求解器簡介

結構力學求解器[1]（SMSolver）是一個面向學生、教師及工程技術人員的計算機輔助軟件，它能夠分析二維平面結構的幾何組成、內力、位移、影響線、自由振動、彈性穩定和極限荷載等。利用結構力學求解器分析問題的步驟如下：輸入各節點坐標，輸入各單元連接方式，輸入各支座約束方式，輸入荷載條件，輸入桿件材料性質，內力、位移求解。

2 光伏支架設計實例

2.1 工程概況

該項目位于山東省菏澤市某光伏園區，基本風壓為0.4kN/m2，基本雪壓為0.3kN/m2。支架安裝傾角25°，豎放2行20列，組件規格1640mm×992mm×40mm，組件重20kg，支架結構尺寸如圖1所示。支架構件材料選用Q235B，其抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為215MPa[2]。

圖1 支架結構尺寸圖

2.2 荷載計算

光伏支架主要承受永久荷載、風荷載、雪荷載作用，溫度荷載和地震荷載忽略不計。

陣列面積A=65.075m2，陣列水平投影面積As=58.978m2。每塊組件重20kg，組件自重荷載7840N，軌道米重2.777kg/m，軌道自重荷載2220.7N，支架永久荷載10060.7N。

雪荷載標準值：

式中，μr為屋面積雪分布系數，根據GB50009—2012《建筑結構荷載規范》[3]表6.2.1取值，25°時取1.0；S0為基本雪壓，本項目取0.3kN/m2。

支架雪荷載S=Sk×As=17693.4N。

風荷載標準值：

式中，βz為高度z處的風振系數，取1.0；μs為風荷載體型系數，根據GB50797—2012《光伏發電站設計規范》[4]取1.3；μz為風壓高度變化系數，取1.0；W0為基本風壓，本項目取0.4kN/m2。

支架風荷載W=Wk×A=33839N。

2.3 荷載組合

為便于比較和反映光伏支架在各種荷載組合下的荷載效應，本文考慮的荷載組合如表1所示。

表1 荷載組合

將各種荷載組合沿著軌道強軸和弱軸兩個方向進行分解，如圖2所示。求出各種荷載組合時軌道強軸分力和弱軸分力，軌道均布荷載，斜梁軸向分力和法向分力，如表2所示。

3 建模與強度分析

將光伏支架力學模型簡化為軌道和支撐架兩個平面模型進行強度分析。

3.1 軌道建模與強度分析

軌道截面為C型鋼80×40×15×2.0，利用結構力學求解器建立軌道力學模型，荷載以組合1強軸均布荷載為例，如圖3所示。

圖2 軌道強軸、弱軸方向，縱梁法向、軸向

表2 軌道強軸分力和弱軸分力，軌道均布荷載，斜梁軸向分力和法向分力

圖3 軌道力學模型

利用求解器進行軌道內力計算，求解出軌道彎矩，利用材料力學公式σ=M/W計算出軌道彎曲應力，如表3所示。利用求解器進行軌道位移計算，求解出軌道位移，如表4所示。

表3、表4分析結果表明軌道強度和剛度滿足要求。

表3 軌道彎矩、彎曲應力計算

表4 軌道位移計算

3.2 支撐架建模與強度分析

縱梁截面為C型鋼80×40×15×2.5，立柱截面為C型鋼140×70×20×3，前支撐、后支撐為不等邊角鋼63×40×5，角鋼連接件截面為不等邊角鋼63×40×6。

利用結構力學求解器建立支撐架力學模型，荷載以荷載組合1為例，如圖4所示。

利用求解器進行支撐架內力計算，求解出支撐架各構件彎矩、軸力，如表5所示。利用材料力學公式σ=M/W和σ=F/A，求出支撐架各構件的應力，如表6所示。

表6分析結果表明支撐架強度滿足要求。利用求解器進行位移計算，荷載組合4和荷載組合5作用時支撐架立柱頂部位移分別為7.58mm和4.6mm，均小于柱高/60[4]，剛度滿足。

圖4 支撐架力學模型

表5 支撐架各構件彎矩、軸力

表6 支撐架各構件應力

通過上述分析，軌道和支撐架的強度和剛度滿足要求，光伏支架結構強度安全。

4 結語

本文利用結構力學求解器對光伏支架的結構設計進行驗算，論述了一種光伏支架強度計算方法，旨在為類似工程提供參考。