柔性懸索結(jié)構(gòu)在光伏項目中的應(yīng)用分析

劉 丹

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計研究院科技工程股份有限公司，四川 成都 610021)

地面光伏電站大多采用的是小跨度的剛性支架結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有光伏支架方案相比，本文提出了一種柔性光伏支架方案，這種光伏支架系統(tǒng)采用較大跨度的柔性懸索結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)端部，錨桿(索)與斜支撐(鋼管)形成倒V形結(jié)構(gòu)，一柔一剛，一拉一壓，發(fā)揮各自的力學(xué)性能，受力體系合理，用料最省。這種光伏支架系統(tǒng)可跨越較大的河道、深溝，能夠充分利用土地資源，同時施工難度較??；對于漁光互補(bǔ)項目，大跨度的樁距利于漁業(yè)養(yǎng)殖。另外，通過調(diào)整張拉索預(yù)拉力，可以靈活調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的振動，降低組件隱裂風(fēng)險。本文通過對張拉索施加不同的預(yù)拉力荷載，對比結(jié)構(gòu)自振特性、變形、主要構(gòu)件內(nèi)力變化規(guī)律，得到張拉索需要施加的最佳預(yù)拉力荷載，并且探尋了不同預(yù)拉力荷載作用下結(jié)構(gòu)特性，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程施工。

1 柔性懸索結(jié)構(gòu)光伏支架方案概述

本文提出的柔性光伏支架方案適用于山坡坡面(以25°山坡為例)，支架結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力雙層懸索結(jié)構(gòu)，承重索和穩(wěn)定索順山坡布置，可用坡面長度30 m，光伏組件橫鋪于兩根承重索上，承重索最低點離地1.15 m。懸索結(jié)構(gòu)跨度為10 m，索垂度0.5 m，穩(wěn)定索兩側(cè)與地基基礎(chǔ)連接。通過張拉索體，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)整體剛度，控制結(jié)構(gòu)變形[1-2]。每根承重索端部設(shè)置鋼支撐系統(tǒng)?？扇?跨結(jié)構(gòu)作為分析模型，實際項目可根據(jù)場地條件調(diào)整跨數(shù)。研究模型每列組件為一個支架單元，每個單元共鋪設(shè)1×27塊光伏組件，組件間距均為120 mm。結(jié)構(gòu)方案如圖1，圖2所示。

2 設(shè)計參數(shù)及計算模型

1)構(gòu)件信息。

本文柔性懸索結(jié)構(gòu)方案中，柔性構(gòu)件(穩(wěn)定索、斜拉索、承重索等)采用φ12.5 mm鋼絞線，剛性構(gòu)件(斜支撐等)采用Q235圓鋼管。

2)荷載取值。

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》，計算光伏支架時，基本風(fēng)壓、基本雪壓按25 a重現(xiàn)期取值。分析模型雪荷載按0.25 kN/m2考慮，風(fēng)荷載按0.45 kN/m2考慮，考慮風(fēng)振系數(shù)。

3)計算軟件。

本文采用SAP2000進(jìn)行分析計算。SAP2000是國際上通用的一款計算、分析軟件，它幾乎囊括了所有結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)分析功能，多年的發(fā)展，SAP2000積累了豐富的結(jié)構(gòu)計算分析經(jīng)驗，從靜力動力計算，到非線性分析，其均能得到可靠的分析結(jié)果[3]。

4)模型信息。

本文建立了10個計算分析模型：M1-1，M1-2，M1-3，M1-4，M1-5，M1-6，M1-7，M1-8，M1-9，M1-10，各模型TEMP工況張拉索預(yù)拉力分別為4 kN，6 kN，10 kN，14 kN，18 kN，22 kN，27 kN，33 kN，38 kN，44 kN。

懸索結(jié)構(gòu)屬于大變形結(jié)構(gòu)，計算模型的所有工況均考慮P-Δ效應(yīng)和大位移影響，采用幾何非線性分析方法計算。

3 不同張拉控制荷載下結(jié)構(gòu)自振特性變化規(guī)律

1)結(jié)構(gòu)自振周期。

分析模型的前3階自振周期見表1，張拉索施加不同預(yù)拉力時，結(jié)構(gòu)自振周期的變化規(guī)律見圖3。

由表1,圖3可知，隨著結(jié)構(gòu)張拉索施加預(yù)拉力的增加，結(jié)構(gòu)的前3階自振周期逐漸減小，并且隨著張拉索預(yù)拉力增大，自振周期的減小趨勢在變緩，這說明張拉索預(yù)拉力越大，結(jié)構(gòu)整體剛度越大。張拉索預(yù)拉力大于10 kN時，前3階自振周期變化趨勢變緩，并且第3階自振周期與前2階自振周期的差值變大。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

2)結(jié)構(gòu)振型狀態(tài)。

分析模型M1-2，M1-6，M1-10的前3階振型特征見圖4。

由圖4可知，M1-2第1階和第2階振型主要為水平向振動，第3階振型主要為豎向振動，第1階振型中間跨振幅最大，下側(cè)跨次之，上側(cè)跨最小，第2階振型上、下跨振幅較大，中間跨較小，第3階振型下跨振幅最大，中間跨次之，上側(cè)跨最小。

M1-6前3振型主要為水平向振動，第1階振型上側(cè)跨振幅最大，中間跨和下側(cè)跨較小，第2階振型上、下跨振幅較大，中間跨較小，第3階振型中間跨振幅最大，上側(cè)和下側(cè)跨較小。

M1-10前3振型主要為水平向振動，第1階振型兩邊跨振幅大，中間跨振幅小，第2階振型兩邊跨振幅較大，中間跨振幅較小，第3階振型中間跨振幅最大，兩邊跨較小。

以上結(jié)構(gòu)振型特征說明：

a.張拉索施加的預(yù)拉力越大，結(jié)構(gòu)前3階振型特征會發(fā)生顯著變化，結(jié)構(gòu)的剛度薄弱部位會發(fā)生轉(zhuǎn)移。

b.張拉索施加的預(yù)拉力較小時，結(jié)構(gòu)中間跨和下側(cè)跨振幅較大，張拉索施加的預(yù)拉力較大時，上側(cè)跨和下側(cè)跨剛度振幅較大。

4 不同張拉控制荷載下結(jié)構(gòu)變形的變化規(guī)律

為保證結(jié)構(gòu)正常使用，《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，雙層索系屋蓋最大撓度與跨度之比自初始幾何狀態(tài)之后不宜大于1/250[4]。懸索結(jié)構(gòu)的剛度與建立的預(yù)拉力密切相關(guān)。為了控制結(jié)構(gòu)最大變形量，應(yīng)通過試算確定結(jié)構(gòu)應(yīng)施加的最合理預(yù)拉力。表2，圖5反映了張拉索施加的預(yù)拉力與結(jié)構(gòu)向上和向下最大變形之間的關(guān)系。

由表2，圖5可知，張拉索施加的預(yù)拉力越大，結(jié)構(gòu)向下和向上位移量逐漸減小。當(dāng)張拉索施加18 kN的預(yù)拉力時，跨中組件向上的最大位移量20.3 mm，向下的最大位移量為38.8 mm，此時結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的最大位移小于結(jié)構(gòu)跨度的1/250，可以滿足正常使用要求。同張拉索施加4 kN的預(yù)拉力相比，結(jié)構(gòu)向下最大變形量減少了45.7%，向上最大變形量減少了53.3%。

表2 結(jié)構(gòu)最大變形量

5 不同張拉控制荷載下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件內(nèi)力變化規(guī)律

為了控制結(jié)構(gòu)最大變形量，張拉索應(yīng)施加足夠大的預(yù)拉力，但是張拉索預(yù)拉力施加過大，會使周邊支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的內(nèi)力，經(jīng)濟(jì)性較差。因此也需要在滿足正常使用條件下，合理的施加預(yù)拉力。表3，圖6體現(xiàn)了張拉索施加不同預(yù)拉力，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件內(nèi)力的變化規(guī)律。

張拉索施加的預(yù)拉力越大，斜拉索的拉力越大；張拉索施加同樣的張拉力，上部斜拉索比下部斜拉索的拉力大；張拉索預(yù)拉力大于14 kN時，斜拉索的最大拉力與張拉索預(yù)拉力基本呈線性關(guān)系；張拉索預(yù)拉力從4 kN增加至18 kN，上部斜拉索最大拉力增加了42.4%，下部斜拉索最大拉力增加了47.6%。

表3 結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件內(nèi)力值

張拉索施加的預(yù)拉力越大，斜支撐的壓力越大；張拉索施加同樣的張拉力，上部斜支撐比下部斜支撐的壓力大；張拉索預(yù)拉力大于14 kN時，斜支撐的最大壓力與張拉索預(yù)拉力基本呈線性關(guān)系；張拉索預(yù)拉力從4 kN增加至18 kN，上部斜支撐最大壓力增加了40.0%，下部斜支撐最大壓力增加了43.0%。

張拉索施加的預(yù)拉力越大，穩(wěn)定索的最大張力越大；張拉索施加同樣的張拉力，上部穩(wěn)定索比下部穩(wěn)定索的張力大；張拉索預(yù)拉力大于18 kN時，穩(wěn)定索的最大張力與張拉索預(yù)拉力基本呈線性關(guān)系；張拉索預(yù)拉力從4 kN增加至18 kN，上部穩(wěn)定索最大張力增加了60.8%，下部穩(wěn)定索最大張力增加了63.1%。

張拉索施加的預(yù)拉力越大，承重索的最大張力越大；張拉索預(yù)拉力大于18 kN時，承重索的最大張力與張拉索預(yù)拉力基本呈線性關(guān)系；張拉索預(yù)拉力從4 kN增加至18 kN，承重索最大張力增加了65.7%。

6 結(jié)語

本文提出的柔性光伏支架系統(tǒng)可跨越較大的河道、深溝，能夠充分利用土地資源，同時施工難度較小，對不同類型的地面光伏電站均具有很好的適應(yīng)性。另外，針對所提的光伏支架系統(tǒng)，通過對張拉索施加不同的預(yù)拉力荷載，對比結(jié)構(gòu)自振特性、變形、主要構(gòu)件內(nèi)力變化規(guī)律[5]，得出了如下結(jié)論：

1)隨著結(jié)構(gòu)張拉索預(yù)拉力的增加，結(jié)構(gòu)的前3階自振周期逐漸減小，并且隨著張拉索預(yù)拉力增大，自振周期的減小趨勢在變緩，這說明張拉索預(yù)拉力越大，結(jié)構(gòu)整體剛度越大。

2)張拉索預(yù)拉力越大，結(jié)構(gòu)前3階振型特征會發(fā)生顯著變化，結(jié)構(gòu)的剛度薄弱部位會發(fā)生轉(zhuǎn)移。

3)張拉索預(yù)拉力越大，結(jié)構(gòu)向下和向上位移量逐漸減小。當(dāng)張拉索施加18 kN的預(yù)拉力時，跨中組件向上的最大位移量為20.3 mm，向下的最大位移量為38.8 mm，此時結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的最大位移小于結(jié)構(gòu)跨度的1/250，可以滿足正常使用要求。同張拉索施加4 kN的預(yù)拉力相比，結(jié)構(gòu)向下最大變形量減少了45.7%，向上最大變形量減少了53.3%。

4)張拉索預(yù)拉力越大，斜拉索的拉力、斜支撐的壓力、穩(wěn)定索的最大張力、承重索的最大張力會越大；當(dāng)張拉索施加14 kN的預(yù)拉力時，主要構(gòu)件的內(nèi)力與張拉索張拉力基本呈線性關(guān)系。