支座沉降時固定式光伏支架的力學性能分析

■ 蔚博琛 張廣平 苗廣威 李玉潤 郭航

（1.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室；2. 蘭州大學土木工程與力學學院； 3. 中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司）

0 引言

隨著光伏發電產業的蓬勃發展，在濕陷性黃土、新填土、軟弱土地基上建設的光伏電站越來越多。但該類地基土較易發生沉陷，且在許多情況下會因經濟原因而較難完全解決沉陷問題，尤其是支座沉降往往會增大支架、光伏組件損壞的風險[1]，進而影響發電情況和電力安全。

光伏支架從結構形式上可分為跟蹤式和固定式兩類。跟蹤式支架雖然可以提高光伏電站的發電量，但造價和維護成本高；而固定式光伏支架結構簡單、造價低，并且后期維護費用少。因此，大型光伏電站以固定式光伏支架居多[2]。

目前，對于支架的結構形式已有大量研究[3-6]，取得了較多的成果，并已在光伏支架中得到了應用，但業界對支座沉降時支架結構力學性能的研究卻很少。雖然對于濕陷性黃土、新填土、軟弱土地基上支座沉降的研究較多，但主要集中在框架、網架等建筑結構方向[7-8]，對光伏支架力學性能影響的研究卻很少。大部分文獻中，在研究不均勻沉降時，通常將柱腳與基礎的連接物定義為支座，并使某支座發生沉降，以此模擬不均勻沉降的產生。

因此，本文將光伏支架的前、后立柱與基礎的連接物定義為支座，并采用有限元軟件ABAQUS，分析采用獨立基礎的固定式光伏支架發生支座沉降時的力學性能，以期得到可信的結論，供濕陷性黃土、新填土、軟弱土地基上的光伏電站建設時參考。

1 光伏支架概況

本文分析的固定式光伏支架結構示意圖如圖1所示，該結構形式在大、中型光伏電站中得到了廣泛應用。

圖1 光伏支架結構示意圖(單位：mm)

圖1 中各構件的排布尺寸主要由光伏組件的大小決定。前立柱、后立柱、斜梁和斜撐組成光伏支架的檁條支撐結構，整個光伏支架由等間距布置的8榀檁條支撐結構和其上連續通長布置的4根檁條構成。從經濟性的角度考慮，光伏電站的檁條跨度一般在3 m左右，故本文分析的檁條支撐結構采用3.1 m的間距布置。為增加結構平面外剛度，通常在結構兩側布置如圖1所示的2組支撐。

光伏支架側立面如圖2所示，支架前、后立柱下端分別與獨立基礎相連，上端分別與斜梁鉸接。為減小斜梁的跨中彎矩，在斜梁中部設置斜撐，該斜撐一端同斜梁鉸接，另一端與后立柱下端鉸接。斜梁上布置有4根檁條，每2根檁條為1組，其上豎向布置長、寬分別為1650 mm和992 mm的光伏組件。

圖2 光伏支架側立面結構示意圖(單位：mm)

光伏支架除2組支撐采用直徑為10.7 mm的圓形截面外，其他主要桿件均采用圖2中所示的寬、高、厚分別為41 mm、52 mm和2 mm的U形截面；獨立基礎采用長、寬、高分別為250 mm、250 mm和600 mm的矩形截面棱柱體。為節省造價，除檁條為Q345鋼外，其他所有構件均采用Q235鋼。

2 有限元分析

2.1 分析模型

本文采用有限元軟件ABAQUS建立光伏支架的三維分析模型。2組圓形截面支撐選用B31梁單元，該單元可用于模擬剪切變形不大的細長構件；此外，模型中所有U形截面桿件均選用Timoshenko梁單元B31OS，該單元能夠考慮開口薄壁截面翹曲的影響。分析中將鋼材視為均勻的理想彈塑性材料，Q235鋼、Q345鋼的屈服強度分別為235 MPa和345 MPa，彈性模量均為210 GPa，泊松比均為0.3。

2.2 邊界條件

分析時不考慮風荷載，并假設整個光伏支架只有1個支座發生沉降。假設光伏支架為圖3所示的連續梁，由于左、右側結構具有對稱性，故只需分析一半結構即可。支座未發生沉降(彈簧鋼度K=∞)時，光伏支架上僅承受如圖3a所示的支架結構和組件自重的恒載。假設端部支座發生沉降，則支架將產生變形和內力，同時，附近支座也將產生反力，如圖3b所示。為模擬支座沉降，本文減小了擬發生沉降的支座的彈簧剛度。以不發生沉降時支座處的位置為位移原點，支座位移和反力正方向均為垂直向下。

圖3 支架結構分析示意圖

光伏支架的支座編號如圖4所示，將左側第一榀檁條支撐結構命名為1，編號由左向右依次遞增；各榀檁條支撐結構的前、后支座分別命名為A、B。

圖4 支座編號示意圖

光伏組件自重為0.2 kN/m2，分析時將其轉化為線荷載施加在檁條上；桿件自重通過施加重力加速度來分析；獨立基礎的自重通過在支座處施加集中力來分析。分析分為兩步：1)先鎖定所有支座的全部自由度，施加光伏組件自重、桿件自重和獨立基礎自重，并設沉降支座下部的彈簧剛度K=∞，以模擬正常使用狀況；2)保持其他支座的約束條件不變，將擬發生沉降的某一支座下部的彈簧剛度K逐漸減小到零(基礎與地基完全脫開)來考慮支座沉降對光伏支架的影響。

3 計算結果及分析

光伏支架在某一支座發生沉降時產生了變形和次內力，且發生沉降的支座和附近支座均產生了反力。下文對發生沉降時光伏支架支座的反力-位移曲線和剛度-位移曲線，以及支座沉降后的變形與應力云圖進行了分析。

3.1 發生沉降時支座的反力-位移曲線

支座發生沉降時的位移即為支座沉降量。在支座發生沉降時，光伏支架會對支座產生約束，而支座將產生反力。因此，發生沉降的支座的反力-位移曲線反映了支座沉降量與施加給支架結構的反力之間的關系。

支座剛開始發生沉降時(沉降量為0 mm)，支架只受垂直向下恒載的作用，因此此時支座反力向上；由于支座反力以垂直向下為正，則發生沉降的支座的初始反力為負值，如圖5所示。內部(2A～4A、2B～4B)支座發生沉降時的初始反力基本相同，而外側1A、1B支座的初始反力明顯偏小。這主要是由于該榀檁條支撐結構位于端部，檁條傳來的恒載較少引起的。

圖5 發生沉降時支座的反力-位移曲線

由圖5可知，1A支座沉降完成(K=0)時，該支座處光伏支架的位移最大，1B支座次之，其余支座的最大位移基本相等，即外部荷載在1A支座處導致的沉降位移最大。這表明光伏支架在1A支座處抵抗下拉荷載(基礎自重等)的能力最低，結構容易在此處發生破壞。

3.2 發生沉降時支座的剛度-位移曲線

支座沉降量較小時，光伏支架總體處于彈性階段，剛度未發生明顯變化。隨著沉降量的增加，部分桿件開始進入塑性階段，結構剛度出現緩慢下降。當部分桿件全截面進入塑性階段時，支架結構剛度發生顯著降低。隨著沉降量的進一步增加，結構剛度緩慢下降并趨于零，結構完全喪失進一步承載的能力。如圖6所示，當支座沉降完成(K=0)時，1A支座處于結構完全喪失承載能力階段；2A、3A、4A支座處于結構剛度顯著降低階段；而1B、2B、3B、4B支座則處于彈性階段。

圖6 發生沉降時支座剛度-位移曲線

由圖6可知，前支座中，光伏支架的初始剛度由外到內呈增加趨勢，在3A、4A支座處光伏支架的初始剛度基本達到最大值。后支座中，1B支座處光伏支架的初始剛度最小，而由于支撐的存在，2B支座處光伏支架的初始剛度大于3B、4B支座處；3B、4B支座處光伏支架的初始剛度基本相同。對比圖6a和圖6b可知，發生沉降時，1A、1B支座處光伏支架的初始剛度不到其他支座處光伏支架初始剛度的50%，這表明最外側結構(軸1結構)的初始剛度明顯小于內側，最外側結構的整體性差。支撐并未顯著提升最外側結構的剛度，即支撐對最外側結構剛度的增大作用并不明顯。

光伏支架發生過大的變形會使其上安裝的光伏組件松脫或損壞。為保證結構的安全，將光伏支架剛度開始發生顯著降低的特征點作為結構的屈服點。對各支座沉降時支架結構的屈服荷載和屈服位移進行統計，如表1所示。由表1可知，前支座沉降時光伏支架均發生了屈服，后支座沉降時光伏支架均未發生屈服。

表1 光伏支架的屈服位移和屈服荷載

光伏支架前支座處的屈服位移相差不大，但1A、2A支座處的屈服荷載明顯小于3A、4A支座處，這表明在外荷載作用下1A、2A支座沉降時光伏支架更易發生破壞，1A、2A支座沉降時光伏支架具有產生較大變形的趨勢，進一步的沉降可能引起光伏支架的顯著損壞。

光伏支架后支座處的屈服荷載明顯大于前支座處，這表明前支座沉降可能導致的危險性更大。設計時應考慮對前部結構進行加強，或對前支座處的沉降量進行完全消除，以避免對支架結構的損壞。

3.3 支座的變形及應力云圖

圖7為支座沉降完成(K=0)時的變形圖和部分截面點的Mises應力云圖。由于軸3、軸4支座沉降時應力云圖基本相同，故只給出軸1～軸3支座沉降時的Mises應力云圖。由圖7可以看出，支座的沉降使光伏支架產生了顯著的變形，并在光伏支架中產生了較大內力。最外側支座的沉降將引起軸2結構上檁條應力的顯著增大。內側支座的沉降將使本榀檁條支撐結構上的檁條及相鄰榀檁條支撐結構上的檁條應力顯著增大，其余位置后檁條應力變化不大。

圖7 光伏支架變形圖及Mises應力云圖(Avg：75%)

前支座的沉降將引起后立柱與斜撐相交處桿件的屈服，而交叉布置的支撐的應力較小，作用不明顯。后部支座的沉降主要引起檁條應力的顯著增大。

綜上所述，某支座的沉降將導致臨近光伏支架結構產生大變形，并引起該榀及相鄰榀檁條及檁條支撐結構產生顯著的內力；所有桿件中，檁條和后立柱最容易發生損壞。

4 結論

本文通過采用有限元軟件ABAQUS對單一支座沉降時光伏支架的力學性能進行分析，得出以下結論：

1)若端部前支座發生沉降時，光伏支架抵抗下拉荷載(基礎自重等)的能力較低，光伏支架容易在該處發生破壞。

2)光伏支架的前部結構對沉降更為敏感，設計時應考慮對前部結構進行加強，或對前支座處的沉降量進行完全消除。

3)某一支座的沉降將導致附近光伏支架結構產生大變形，并引起該榀及相鄰榀檁條及檁條支撐結構產生顯著的內力，其中檁條和后立柱最容易發生損壞。