承插式光伏支架的技術研究

田興海

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

隨著能源的日益緊缺，太陽能的開發利用逐步引起了我國各級政府的重視，光伏發電在能源供應體系中占據越來越重要的地位，根據《“十四五”現代能源體系規劃》，“十四五”期間預計光伏年均新增裝機在70 GW 以上，光伏支架的需求量也在不斷攀升，但因為光伏支架結構簡單，入行門檻低，導致光伏支架存在粗制爛造、形式單一、缺乏創新、材料浪費等一系列問題，因此光伏行業亟需投入技術力量研發一種方便調節、節約鋼材、而且有較好環境適應能力的光伏支架，以降低光伏電站的投資成本，并保證太陽能光伏板正常穩定的運行。

1 承插式光伏支架概述

光伏支架是光伏系統中支承各種光伏組件的結構，設計使用年限25 年。承插式光伏支架采用單列單坡支架結構形式，包括：下立柱、上立柱、斜梁、前支撐、后支撐、檁條、檁條連接件、檁托、水平支撐轉接件、檁條間直拉條、檁條間斜拉條、撐桿、水平支撐、綴板、前后支撐連接件等；承插式光伏支架的下立柱直接插入基礎預埋，光伏支架的上、下立柱插接連接，下立柱下端布置綴板作為柱腳受力較大部位的加強措施。前、后支撐一端通過前后支撐連接件固定于立柱上，另一端固定于斜梁兩端，立柱與斜梁鉸接固定。檁條通過檁托垂直布置于斜梁上；光伏支架通過檁條間直拉條、檁條間斜拉條、撐桿、水平支撐增加支架的整體穩定性。

圖1 承插式光伏支架平面布置圖

圖2 承插式光伏支架立面圖

2 承插式光伏支架的特點

（1）保證結構安全的前提下降低投資成本。承插式光伏支架的下立柱直接插入基礎預埋,埋入混凝土的立柱上對穿3 根短鋼筋與樁身縱筋綁扎連接，增強光伏支架的抗拔性能。與預埋螺栓的柱腳相比，插入立柱柱腳可以減小樁頭尺寸或樁身直徑，因為插入式柱腳的內力靠整個立柱截面抵抗，在計算光伏支架立柱截面時已經驗算了立柱截面，足夠抵抗柱底內力，但考慮埋入立柱與混凝土樁頂交界面的環境條件復雜，為補償環境對柱腳承載力的影響，設計時考慮在柱腳開口方向增加綴板作為加強措施，因此插入式柱腳只需要保證立柱埋入混凝土的深度滿足錨固要求和插入深度計算值，構造要求和插入深度計算值參照《鋼結構設計手冊》中插入式柱腳的計算與構造確定。而預埋螺栓柱腳的彎矩需要靠一側預埋螺栓受拉，另一側預埋螺栓受壓形成力偶來抵抗，預埋螺栓之間的距離作為這對力偶的力臂，當柱底彎矩較大時，需要通過增加預埋螺栓的距離來增加抵抗彎矩，而預埋螺栓必須預埋在樁身箍筋內側以保證上部支架的內力有效傳遞給基礎，這時就需要擴大樁頭或樁身直徑。通過某地一個項目的分析對比，在相同設計條件下，插入式柱腳插入450 mm 的立柱重量跟預埋螺栓柱腳的立柱連接底板重量相當，所以插入式柱腳可以節約加勁板和預埋螺栓等構件，更節省材料，綜上所述，承插式光伏支架采用插入式柱腳更經濟。

圖3 預埋螺栓柱腳

圖4 插入立柱柱腳

（2）方便調節，讓支架安裝更便捷高效。承插式光伏支架的立柱分為上、下立柱，上立柱截面應略小于下立柱截面，將上立柱插入下立柱內部，用螺栓連接，插入長度根據插接部位的內力和需要向上調節的尺寸確定，上立柱的翼緣和腹板均需留設間距150 mm 的螺栓固定孔，下立柱的翼緣和腹板需留設間距50 mm 的調節孔，上下立柱之間可通過調節連接孔位進行伸縮調節，達到調節立柱高度的效果。但僅僅只調立柱高度并不能達到調節支架整體高度的目的，所以承插式光伏支架的前后支撐連接件（即抱箍）的翼緣兩側也需留設連接孔，通過調節前后支撐連接件與立柱翼緣的連接孔位，可將前后支撐與立柱高度同步調節達到整體調節光伏支架高度的效果，用于糾正施工中基礎頂標高出現偏差或地形起伏變化需要局部調節支架高度的情況，調節范圍一般控制在±150 mm,一方面因為向上調節范圍越大，上立柱需要插入下立柱的長度越長，增加支架的用鋼量，造成材料浪費；另一方面，調節支架高度會造成計算模型中立柱高度與實際高度偏差過大，向上調節高度過大會造成支架不安全，向下調節太多又會造成支架材料浪費，因此，承插式光伏支架設計時將調節范圍控制在一個合理范圍，光伏支架基礎施工時，也控制基礎頂標高的偏差在這個范圍內，那么承插式光伏支架安裝時就會更加便捷高效。

圖5 立柱腹板承插連接示意圖

圖6 立柱翼緣承插連接示意圖

（3）對立柱預埋的施工水平要求較高。因為支架的下立柱需要直接預埋進基礎內，對樁基孔位的精確度和預埋立柱各個方向的垂直度都有更高要求，而且跟預埋螺栓相比下立柱的重量更大，預埋立柱大部分露在混凝土外部，需要用支撐固定，所以在應用承插式光伏支架插入式柱腳時，必須嚴格控制立柱的預埋質量。

3 承插式光伏支架插接部位的選擇

承插式光伏支架上下立柱插接部位根據受力情況可以設置在抱箍以上或抱箍以下，當支架安裝傾角大，風壓和雪壓也較大時，支架內力一般也比較大，插接部位設置在抱箍以上更安全可靠，而當支架安裝傾角小，內力較小或者插接部位螺栓承載力足夠抵抗支架內力時，插接部位也可設置在抱箍以下。

從圖7 可以看出，承插式光伏支架插接部位的選擇直接關系到上下立柱的長度，也決定了施工和安裝難度。當插接部位設置在抱箍以上時（圖7a），下立柱更長，施工時預埋下立柱的難度也更大，因為長度越大，立柱預埋的垂直度越難保證，而且插接部位離地高度1.8~2.2 m，安裝上立柱時操作也更困難。而當插接部位設置在抱箍以下時（圖7b），下立柱全長只有1.45 m，埋入混凝土0.45 m，立柱預埋的質量更容易保證，插接部位離地高度也在1.5 m 以下，更方便安裝操作。所以在選擇承插式光伏支架插接部位時，既要考慮施工操作簡便，又要保證插接部位受力安全可靠。

圖7 光伏支架立面圖

4 承插式光伏支架插接部位的受力分析

以圖7 相對應的兩個案例對承插式光伏支架的插接部位進行受力分析。

（1）圖7 對應案例的設計參數

材料：Q690 高強耐候鋼；風壓：0.31 kN/m2，雪壓0.31 kN/m2；組件安裝傾角：27°；組件規格2278×1134×35,32.3 kg；風 振 系 數：1.2；風 壓 高度變化系數：1.0；風荷載體型系數：正風0.955，負風-1.21。

山地修正系數1.3；可變荷載分項系數1.5，恒荷載分項系數1.3；荷載作用控制組合：1.0 G-1.5 W。采用同磊結構設計3D3S DesignV2022 進行計算分析，支架內力見圖8~圖10。

圖8 光伏支架彎矩圖1

圖9 光伏支架軸力圖1

圖10 光伏支架剪力圖1

圖7 a 中上下立柱插接部位通過腹板、兩側翼緣各3 個M14 的4.8 級螺栓連接，立柱鋼材牌號為Q690 高強耐候鋼，根據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》及JGJ/T 483-2020《高強鋼結構設計標準》，計算上下立柱插接部位的螺栓承載力如下：

立柱腹板和兩側翼緣各3 個M14 的4.8 級螺 栓 抗 剪 承 載 力：Nv=nvAfv=3×154×140×10-3=64.68 kN；3 個M14 螺 栓 承 壓 承 載 力：Nc=∑tdfc=3.5×14×3×970 ×10-3=142.59 kN；3 個M14 螺栓的承載力：Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN；1 個M14 螺栓的承載力：Nvt1=21.56 kN；1 個M14 螺栓的抗拉承載力：Nt=Afy=115×170 ×10-3=19.55 kN。

根據圖7a 案例的內力圖，提取位置1 的軸力N1=12.97 kN，剪力V1=7.46 kN,彎矩M1=-14.60 kN·m，位置2 的軸力N2=3.87 kN，剪力V2=7.04 kN，彎矩M2=-9.63 kN·m。根據螺栓的受力形式，將立柱的內力轉化為對應方向的力，位置1 的立柱軸力N1=12.97 kN，為拉力，對螺栓屬于剪力，假設立柱的軸拉力由腹板、兩側翼緣的全部螺栓均勻分擔，每個M14 螺栓分擔的力為：12.97 kN/9=1.44 kN，小于Nvt1=21.56 kN，滿足。剪力V1=7.46 kN 對于兩側翼緣螺栓是拉力，對于腹板螺栓是剪力。單個M14 螺栓的抗拉和抗剪承載力均大于7.46 kN，滿足。因腹板連接螺栓在腹板的中點，位于立柱截面的中性軸，所以不考慮腹板螺栓對抵抗彎矩的貢獻，而彎矩M1=-14.60 kN·m，立柱截面高度H=170 mm,按立柱兩側翼緣一側受壓另一側受拉簡化，立柱單側的拉/壓力為14.60 kN·m/0.17 m=85.88 kN，兩側翼緣的拉壓力對于立柱翼緣的螺栓屬于剪力，單側翼緣螺栓需要抵抗的剪力為85.88+1.443×3=90.20 kN，根據立柱插接部位的螺栓承載力計算，單側翼緣3 個M14 螺 栓 的 承 載 力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，小于90.20 kN，不滿足。因此，上下立柱如果在此部位插接需要加大螺栓直徑或數量，但考慮此部位受力較大，為了安全起見，將上下立柱的插接部位向上移至位置2，位置2 的軸力和剪力較小，可以不驗算，而彎矩M2=-9.63 kN·m，同樣的方法將彎矩轉化成翼緣單側拉/ 壓力9.63 kN·m/0.17 m=56.65 kN，單側翼緣螺栓需要抵抗的剪力為56.65+3.87/3=57.94 kN，而單側翼緣3 個M14 螺栓的承載力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，大于57.94 kN，滿足。

（2）圖7b 對應案例的設計參數

材料：Q690 高強耐候鋼；風壓：0.3 kN/m2,雪壓：0 kN/m2；組 件 規 格2 278×1 134×35，32.6 kg；組件安裝傾角：19°；風振系數:1.2；風壓高度變化系數:1.0；風荷載體型系數：正風0.84，負風-0.990；山地修正系數1.3；可變荷載分項系數1.5，恒荷載分項系數1.3；荷載作用控制組合：1.0 G -1.5 W。采用同磊結構設計3D3S DesignV2022 進行計算分析，支架內力如圖11~圖13。

圖11 光伏支架彎矩圖2

圖12 光伏支架軸力圖2

圖13 光伏支架剪力圖2

圖7 b 中上下立柱插接部位通過腹板、兩側翼緣各3 個M14 的4.8 級螺栓連接，立柱鋼材牌號為Q690 高強耐候鋼，根據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》 及JGJ/T 483-2020《高強鋼結構設計標準》，計算上下立柱插接部位的螺栓承載力如下：

立柱腹板和兩側翼緣各3 個M14 的4.8級 螺 栓 抗 剪 承 載 力：Nv=nvAfv=3×154×140×10-3=64.68 kN；3 個M14 螺 栓 承 壓 承 載 力：Nc=∑tdfc=3.5×14×3×970 ×10-3=142.59 kN；3 個M14 螺栓的承載力：Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN；1 個M14 螺栓的承載力：Nvt1=21.56 kN；1 個M14 螺栓的抗拉承載力：Nt=Afy=115×170 ×10-3=19.55 kN。

根據圖7b 案例的內力圖，提取位置1 的軸力N1=11.53 kN，剪力V1=5.12 kN，彎矩M1=-8.40 kN ·m。

同樣的方法，將立柱的內力轉化為螺栓對應方向的力，位置1 的立柱軸力N1=11.53 kN，為拉力，對螺栓屬于剪力，假設立柱的軸拉力由腹板、兩側翼緣的全部螺栓均勻分擔，每個M14 螺栓分擔的力 為：11.53 kN/9=1.28 kN，小 于Nvt1=21.56 kN，滿足。剪力V1=5.12 kN 較小，可以不做驗算。彎矩M1=-8.40 kN·m，立柱截面高度H=150 mm，按同樣的方法將彎矩轉化成單側拉/壓力為8.40 kN ·m/0.15 m=56.00 kN，立柱兩側翼緣的拉壓力對于翼緣的螺栓是剪力，受拉一側翼緣螺栓需要抵抗的剪力為56.00+1.28×3=59.84 kN，而單側翼緣3 個M14 螺栓的承載力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，大于59.84 kN，滿足。

5 結論

承插式光伏支架是一種可以節約材料、方便調節，有較好的環境適應能力的光伏支架。承插式光伏支架采用插入式柱腳，既能保證結構安全，又能節約鋼材用量，減小樁帽尺寸，降低投資成本，達到更好的經濟效果；承插式光伏支架上下立柱的插接設計使支架高度的調節更加方便快捷，更能適應高低起伏的地面環境；同時對于光伏支架基礎施工水平的要求也更高；當采用這種支架時，對承插部位的選擇和設計是保證支架安全的關鍵。在選擇支架形式時應綜合考慮使用環境、經濟性、安全性、適用性等因素，做出最合理的選擇。