光伏農業大棚鋼架結構的靜強度試驗研究

溫志梅，趙玉磊，劉春花

(1.山東華宇工學院能源與建筑工程學院 潔凈空調工程技術研發中心，德州 253000；2. 江蘇四季沐歌有限公司，連云港 222022)

0 引言

隨著經濟的發展和國民環保意識的不斷加強，我國對清潔能源的需求量日益增大，在關閉各地高能耗、高污染的火電站的背景下，我國開始大力發展光伏發電工程，尤其是與農業相結合的光伏農業大棚工程[1]。

大型光伏農業大棚工程需要大量組成光伏支架的鋼架結構來搭建和支撐，由于光伏農業大棚總體長度最長可達1000 m，因此這些鋼架結構體型龐大，而且桿件截面尺寸較小，節點連接形式眾多[2]，結構布置形式及受力情況復雜。目前在我國光伏行業中，對于光伏農業大棚的大型鋼架結構尚無有效的分析與設計方法，大多數情況是各大光伏企業直接引進國外溫室大棚和光伏鋼架結構的設計方法[3]。在光伏農業大棚的光伏發電系統中，鋼架結構重量約占系統總重量的80%，因此鋼架結構的設計在節約鋼材、降低成本方面潛力巨大[4-6]。本文針對山東省即墨光伏小鎮中農業科技大棚春棚的鋼架結構光伏支架的受力體系進行了研究，在保證安全可靠的基礎上，設計出了經濟、合理的鋼架結構光伏支架。

1 試驗方案的設置

為了分析鋼架結構的受力和變形情況，采用簡化模型進行模擬試驗，設置豎向位移測量點6 處，其中，主鋼架3 處、檁條3 處；設置應力應變測量點16 處，其中，主鋼架8 處、檁條8 處。滿載試驗共進行了5 次，測量了6 處位移測量點的位移值和主鋼架上16 處應力應變測量點的應力值。

1.1 支架結構

該農業科技大棚春棚的光伏支架的鋼架結構及尺寸如圖1 所示，構件明細如表1 所示。

表1 光伏支架的構件明細Table 1 Component details of PV bracket

1.2 施加荷載的設備

對光伏支架施加荷載，所用到的設備主要包括1 套三角支架、48 只豎向荷載桶、1 只水平荷載桶、24 塊光伏組件、1 套加載繩索。施加荷載的示意圖如圖2 所示。

1.3 測試設備

測試設備主要包括1 臺電腦、1 臺無線通信控制器、2 臺采集發射模塊，以及16 條信號傳輸屏蔽線。測試設備連接示意圖如圖3 所示。

2 試驗方案

2.1 試驗荷載及位移測量點位置

桁架實驗一般多采用垂直方向施加荷載的方式，試驗荷載來自光伏組件自重、雪荷載、風荷載及其他荷載。采用48 只豎向荷載桶模擬桁架垂直方向荷載，三角支架(含定滑輪1 個)和水平荷載桶模擬桁架水平方向荷載。根據GB 50009-2001《建筑結構荷載規范》進行荷載試驗。試驗中桁架垂直方向荷載和水平方向荷載分別如表2、表3 所示。

表2 垂直方向荷載Table 2 Vertical load

表3 水平方向荷載Table 3 Horizontal load

施加荷載方案及桁架位移測量點分布如圖4 所示。本次試驗采用1 個三角支架和1 只水平荷載桶模擬中間鋼架的水平方向荷載。圖中，A 、B 、C 、D 、E 、F 點均為位移測量點，其中，B 、D 、F 這3 點為中間鋼架斜梁測量點，A 、C 、E 這3 點為檁條中間測量點。

2.2 應力應變測量點布置

采用電阻應變儀測量光伏支架測量點的應力應變，本試驗光伏支架應力應變測量點共計16個，其布置如圖5 所示。

在試驗開始前，先進行預加載實驗，用于消除構件間的間隙，以及調整應力應變測量點的位置及布線。

3 光伏農業大棚滿載試驗及模擬計算

對光伏農業大棚進行滿載(垂直方向荷載+水平方向荷載)試驗，測量光伏支架不同位置的應力應變值；然后利用ANSYS 軟件進行模擬計算，并與試驗測量數據進行對比驗證。

3.1 光伏農業大棚滿載模擬

3.1.1 幾何模型

光伏農業大棚鋼架結構光伏支架的幾何模型如圖6 所示。圖中，1～5 為支架編號。

3.1.2 模擬計算結果

利用ANSYS 軟件進行模擬計算，光伏支架的模擬結果如圖7 所示。

由圖7 的模擬計算結果可知，光伏支架豎向最大變形位置在1～2 跨P 列檁條的中間部位，其總變形距離約為31 mm。最大等效應力在第2 排斜梁上與左斜撐連接的附近位置，其值為186.6 MPa，小于規范要求(斜梁材質為Q235 鋼，抗拉壓強度為235 MPa)的值。最大彎矩的位置在第2 排主鋼柱與斜撐連接處，其值為5211 N。軸力最大正值的位置在第2 排斜梁上，其值為17900 N，狀態受拉；軸力最小負值的位置在第2 排主鋼柱上，其值為-29893 N，狀態受壓。剪力最大值位置在第2排斜梁上與左斜撐的接觸位置，其值為8844.5 N。

3.2 光伏農業大棚滿載試驗計算

對測量點位置進行試驗，試驗支架的豎向變形位移測試數據如表4 所示。由試驗數據可知，試驗支架豎向位移的最大變形位置位于C 點(見表4)，其總變形距離為30.6 mm。

試驗支架的應力應變測試(測量點位置見圖5)數據如表5 所示。

表4 試驗支架的豎向變形位移測試數據Table 4 Test data of vertical deformation and displacement of test bracket(單位：mm)

表5 試驗支架的應力應變測試數據Table 5 Stress and strain test data of test bracket(單位：MPa)

(續表)

測量點經過多次測試，證明了試驗實測數據的可靠性，通過對表5 的應力應變測試數據進行分析可知，表中同一個位置的5 次測試數據相差不大，重復性良好；主鋼架結構在滿載作用下測得最大應力位置在⑦，其值為93.42 MPa。

將模擬得到的結果和試驗數據進行比較分析可知，支架豎向位移最大變形位置一致，數值接近；而支架結構的最大等效應力位置一致，其值略有不同，試驗中測得的最大等效應力為93.42 MPa，模擬結果數據為186.6 MPa，這是因為在模擬的過程中對邊界條件進行了簡化，導致模擬結果數據出現了一些偏差。

4 結論

本文針對山東省即墨光伏小鎮中農業科技大棚春棚光伏支架的受力體系進行了研究，通過5次試驗，測量了6 處位移測量點處位移值和主鋼架上結構16 處應力應變測量點的應力值，得出以下結果：

1)試驗支架豎向位移最大變形位置在C 點，其總變形距離為30.6 mm，與采用ANSYS 軟件進行模擬的結果(1～2 跨P 列檁條中間部位，其總變形距離約為31 mm)相一致。而其他位置的豎向位移存在一定偏差，分析原因在于模擬采用了簡化模型，未考慮螺栓孔及焊接應力，造成與實際情況存在偏差；實際鋼架安裝時，螺栓的緊固存在偏差，在裝配過程中構件間存在內應力。

2)主鋼架結構在滿載作用下測得最大等效應力位置在⑦，其值為93.42 MPa；而模擬結果的最大等效應力為186.6 MPa，在第2 排斜梁上與左斜撐連接的附近位置。試驗結果和模擬結果顯示最大等效應力的位置一致，數據存在差別，但差別均小于規范中要求的拉壓極限值，即結構安全且強度高。因此，可以對結構進行一定的減重，比如將結構壁厚進行適度減薄，從而達到節約成本的目的。