對大跨度預應力索桁架光伏支承結構優(yōu)化設計的幾點分析

錢葉瑤

摘要：本文主要圍繞大跨度預應力索桁架光伏支承結構優(yōu)化展開研究，通過分析單層懸索結構、索桁架結構存在的問題，探究在找形和預應力分析、張拉施工等環(huán)節(jié)應當關注的重點，推動各項工作以合理方式開展。

關鍵詞：大跨度;預應力;光伏支撐結構;優(yōu)化設計

1 單層懸索結構問題

為保證施工安全，工程設計時，設計人員主要應用單層懸索來承受相對較大的結構重量。例如在懸掛式單曲薄殼下凹屋面施工過程中，通過應用單層懸索，可以提高重力作用的優(yōu)勢，設計過程中出現(xiàn)的反向荷載問題自然可以輕松克服，同時張緊力可以隨之增加，懸索在穩(wěn)定屋面形狀等方面可以發(fā)揮較好的作用。在該環(huán)節(jié)工程設計過程中，設計人員應當加強對豎向荷載在索長均布和跨度均布兩種不同情況下的曲線方程的重視，前者是懸鏈線形狀，后者是拋物線形狀，為保證其工作質量，工作人員應當將垂跨比控制在0.04到0.15之間，同時也應當結合實際情況，及時調整誤差，將誤差控制在5%到10%范圍內。在該方式下，設計人員可以利用拋物線來計算懸鏈線位移，其計算誤差也得以控制在合理范圍內，可以收到相對較好的效果。圖1為拋物線和懸鏈線比較。

圖1中H是水平張力，q表示均布荷載;f是撓度，L表示跨度;d為兩曲線代表的位移在相同點的差值。結合光伏系統(tǒng)性能對無張力索進行分析，可以發(fā)現(xiàn)其并不符合光伏陣列設計原則，以結構力學性能分析，屬于可變體系，會在風荷載和非對稱荷載等的影響下產生機構性位移，不利于后續(xù)工作合理開展。特別是施加初始預應力等，可能并不能受到預期的效果，甚至還會產生較大的反力。

2 索桁架結構問題

索桁架結構以雙層懸索體系進行組合，在輕型屋面工程設計中應用較廣。應用該方式規(guī)避了傳統(tǒng)應用結構重量增加來維持原來形狀的弊端，對預應力的合理應用可以提高體系剛度，對幫助抵抗外部荷載具有重要意義。應用該方案在保持懸索結構形狀穩(wěn)定性和結構剛度等方面都可以發(fā)揮有效作用。但任何事物都存在雙面性，索桁架結構在結構簡化和空間跨越能力改善的同時，也會產生預應力減少問題和嚴苛邊界條件以及施工順序問題，施工過程中對施工精細化程度提出了較高要求。在拋物線形索桁架計算過程中，工作人員可以使用簡圖計算荷載。其壓桿和拉索組合結構如圖2所示。

在外部集中力處于P點時，A、B、C、D的支座點位置恰當，可以收獲相對較好的效果。但是當光伏陣列調整為均布荷載以及整體非剛性面時，工作人員需要對A點和B點進行調整，通過構造懸掛支索等方式對其進行調整，當支座提供的邊界條件不能滿足水平張力施加要求時，上弦直索在壓桿分割區(qū)間內必然會出現(xiàn)幾何非線性，影響光伏陣列平整度。同時，東西向跨越的索桁架平面外剛度必須滿足相應要求，才能保證陣列的南向傾角不出現(xiàn)問題，但是該過程中的預應力張拉和成本控制可能會出現(xiàn)其它問題，影響整體工程合理開展。

3 索桁架找形

光伏電站設計必須滿足抗風能力要求，索桁架需要承受正負風壓的雙向壓力，因而設計過程中必須對穩(wěn)定索和承重索對稱性設計加強重視，采用對稱的互換結構，一定程度上可保證其工作質量。設計人員在設計過程中可以結合實際情況對設計進行調整，提高預應力施加的可控度，同時充分發(fā)揮光伏支架的剛性潛力。找形實際上是初始平衡問題，工作人員可以選擇增加預應力來穩(wěn)定懸索結構的形狀。工作人員在該過程中要加強對預應力分布和幾何位形的重視，以初始預應力為基礎進行推理求解，對成形狀態(tài)做出合理判斷;也可以先設定成形狀態(tài)，分析應當調整的初始預應力分布狀態(tài)，即倒拆計算法，具體情況具體分析，充分發(fā)揮各類計算公式的優(yōu)點，提高索桁架結構體系找形工作效率，避免后續(xù)施工安裝過程中出現(xiàn)問題。

4 預應力張拉施工方法

預應力成形過程和預應力結構設計之間存在著極為密切的關系，工作人員必須結合設計和施工的特點進行統(tǒng)籌考慮，保障二者銜接的穩(wěn)定性，否則將會導致后續(xù)工作出現(xiàn)問題。設計人員在設計過程中應當首先對預應力建立過程進行成形分析，也可結合工程實際情況，先開展施工階段分析工作，在確定之后再進行安裝和張拉等施工，施工人員必須加強對施工標準的重視，嚴格按照施工步驟開展各項工作，在施工過程中密切關注索系發(fā)生的變化，發(fā)現(xiàn)問題時及時調整，避免因為預應力張拉施工的不自然變化對整體結構施工造成影響。例如在上下懸索作為承力索時，在施加預應力時可以首先將支座間直線距離設定為零狀態(tài)長度，再使用特定方法將上下弦繃緊，如中點內收法等，通過計算可以發(fā)現(xiàn)，承力索和內收尺寸之間存在著拉力和伸長量的對應關系，但是中間豎索的尺寸相對較短，伸長量變化較小，計算過程中可以將其作為誤差不進行具體求解，忽略該環(huán)節(jié)的計算工作。通過對該結構中的力進行簡單分析可以發(fā)現(xiàn)，小的內收力可以使承力索產生的拉力變大，因而工作人員在施工過程中可以圍繞設計確定的主動索尺寸來開展后續(xù)施工，施加預應力的標準明顯改善，施工也會變得相對容易。在連續(xù)多跨的索桁架施工開展過程中，工作人員要加強對不同張拉順序導致的內力變化的重視，結合設計確定的相關標準來進行后續(xù)施工。

5 小結

綜上所述，在進行大跨度預應力索桁架光伏支承施工過程中，工作人員應當加強對索桁架預應力進行分析，并通過索桁架找形工作來為后期預應力張拉施工提供保證，這樣不僅可以確保索桁架光伏支承結構的穩(wěn)定性，而且還可以提高其施工效率。

參考文獻：

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（作者單位：江蘇中順節(jié)能科技有限公司）