柔性光伏支架結構布置形式分析研究

楊 光，左得奇，鐘 飛，侯克讓，鄭 中，張和平

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

在土地資源緊張的情況下，要大規模發展光伏電站，就要利用一切可利用的土地資源，如湖泊、魚塘、地勢復雜的山地等，采用漁光互補、農光互補、林光互補等形式，以使土地資源利用最大化[1-4]。

而傳統固定式支架受限于其安裝方式，在灘涂、魚塘及復雜山地區域難以運用，因此，能夠適應復雜地理環境的柔性光伏支架應運而生[5-6]。柔性光伏支架采用預應力鋼索承托光伏面板，通過端部的水平支撐構件平衡拉索水平力，并通過設置中部支架減小拉索跨度。

王雨[7]介紹了部分柔性光伏支架技術方案，提出了柔性支架技術方案、荷載計算及預應力張拉順序等方面的建議。牛斌[8]從單層和雙層懸索結構的基本受力特點出發，分析了柔性支架在光伏發電工程中的應用，提出預應力的建立是索桁架獲得結構剛度和形狀穩定性的必要措施。周杰[9]對山區地形下柔性支架預應力索進行了設計分析，并提供了一種計算主索與穩定索的預張力范圍的方法。唐俊福[10]對比了三種水平力承載構件結構形式的受力特點，并研究了水平力承載構件與地面傾角的變化對結構力學行為的影響。

以上研究主要針對于預應力索、水平支撐等柔性支架結構構件[11-14]，對于柔性光伏支架完整系統整體性研究，尤其是系統整體關鍵參數、可靠性與經濟性相適應等研究尚處空白。本文鑒于現有柔性支架研究現狀，對包括索布置、梁布置、柱布置以及其他支撐布置的各類柔性支架布置形式進行歸類整理，同時對比分析各類柔性支架布置形式以及跨度和跨數的合理性及經濟性，提出建議取值方案。

1 柔性光伏支架結構布置形式

1.1 柔性光伏支架系統

柔性光伏支架結構體系分為2個部分 ：柔性系統和支架系統。柔性系統由預應力主索、穩定索、防風索、組件固定夾具、三角錐或四角錐、光伏組件等構成；支架系統由基礎(包括獨立基礎、樁基礎、錨桿基礎)、鋼立柱、鋼梁、支撐體系(包括斜拉索、斜支撐)等構成，如圖1所示。

圖1 柔性支架構件圖

當柔性支架跨度較大或承受的荷載增大時，主索跨中位移以及撓度也會相應增大，若只提高索的預拉力來消除位移及撓度增大的影響，當預拉力增大到一定值時，將會超過索的承載力，在此類情況下，應設置穩定索以及防風索，有條件時可利用鋼桁架替代防風索。

1.2 索—梁形式

索—梁形式即將索與梁直接相連，梁通長布置，此種布置形式的力傳導方式為索拉力→鋼橫梁→鋼立柱→支撐。

1.2.1 小跨度柔性支架索—梁形式

當柔性支架跨度較小(通常L≤30 m)時，設置2道主索即可滿足強度、撓度等設計要求，此種布置方式中，橫梁在跨距內承擔了多道索的拉力，而單根索的拉力可達到100 kN左右，故橫梁的耗鋼量在整個支架結構中占據較大的比例。由于柱間支撐和斜支撐的布置，索的水平力主要由支撐構件承擔，鋼立柱幾乎不受水平力作用，但是柱底、斜支撐底部將會有較大的反力，在一些地質條件不良的區域，基礎設計可能存在較大的困難。

柔性光伏支架一般有四種端部支撐形式[10]，分別為斜拉桿、鋼斜柱、八字形鋼斜柱以及斜拉索。其中，斜拉桿與斜拉索為受拉構件，鋼斜柱為受壓構件，八字形鋼斜柱的兩斜柱內力等大反向，在數值上等于斜拉桿、斜拉索或鋼斜柱的一半，應根據場地地質特點選用合適的水平支撐體系。

連續多跨支架分為端榀支架與中榀支架如圖2所示，通過設置中榀支架減小預應力拉索拉力。

圖2 小跨度連續多跨索—梁形式

中榀鋼橫梁對索的支承方式通常為滑動支承，即索在中間支座時不斷開，而是一整條索連續搭接過去，使鋼橫梁不承擔索軸向拉力荷載作用。在此條件下，鋼梁的受力包括構件重量、風載及雪載，這些荷載相對于索拉力很小，較小的型鋼尺寸即可滿足工程需要，故中榀支架的鋼材耗量會較端部顯著下降。

1.2.2 大跨度柔性支架索—梁形式

當柔性支架跨度L≥30 m時，設置2道主索難以滿足跨中撓度要求，如果增大預緊力以滿足撓度需要，則會超過索力設計值；同時，由于索結構較柔，跨度較大時，風致振動作用較為顯著，需要設置防風體系。

大跨度索—梁形式柔性支架如圖3所示，圖3(a)中在支架的橫向單排設置2道主索、1道穩定索以及三角錐，穩定索的設置可以減小索跨中撓度并可分擔部分主索拉力；在支架縱向設置防風索以減小風振作用，防風索端部可錨入地基亦可牽拉至兩端端柱，但牽拉至端柱時需要增大端柱截面。圖3(b)中以鋼桁架替代防風索，鋼桁架所用桿件為剛性桿，安裝完畢后不必進行牽拉。圖3(c)為大跨度索—梁形式連續多跨支架。

圖3 大跨度單跨索—梁形式

在大跨度柔性支架體系中，需要施加預緊力的索有主索以及穩定索，根據實際工程，施加預緊力順序為：①先初步張拉主索，在主索上鋪設光伏組件，安裝完成后調整主索拉力達到預張力設計值；②進行穩定索的張拉，以調整結構的整體撓度[9]。縱向防風體系不再進行張拉。

1.3 索—柱形式

索—柱形式即將索與柱直接或間接相連，多柱少梁，此種布置形式的力傳導方式為索拉力→鋼立柱→支撐或索拉力→支撐→鋼立柱。

1.3.1 小跨度柔性支架索—柱形式

小跨度單跨支架的索—柱形式如圖4所示，此種布置方式相較于索—梁形式，取消了鋼橫梁，增大了鋼柱的密度，同時減小了柱底與支撐底的反力，但是增加了基礎個數。索—柱形式的端部支撐形式主要為3種：斜拉索、鋼斜柱以及八字形鋼斜柱。

圖4 小跨度柔性支架索—梁形式

索—柱形式柔性支架中榀的支架形式類似于固定式單柱光伏支架，如圖5所示，構件包括鋼斜梁、斜撐桿、鋼立柱、支撐桿、拉桿(索)，斜撐桿通過抱箍或焊接與鋼立柱相連，通過螺栓或焊接與鋼斜梁相連，鋼斜梁支承于鋼立柱與斜撐上，索支承于鋼斜梁上，每一排2根主索對應于一根鋼立柱。中榀支架對索的支承方式同樣為滑動支承，索在中間支座時不斷開，而采用連續搭接的方式，使支架不受預應力索軸向拉力作用。為減小鋼橫梁用量，應將支撐桿的作用點盡量靠近索與橫梁的交點。

1.3.2 大跨度柔性支架索—柱形式

與索—梁形式相同，通常當柔性支架跨度L≥30 m時，需要設置防風體系。大跨度索—柱形式柔性支架如圖6所示，索—柱形式大跨度支架端部支撐形式與小跨度相同，共3種，分別為鋼斜柱、八字形鋼斜柱以及斜拉索。

圖6 大跨度索—柱形式

在實際工程中，也可采用索—梁形式與索—柱形式相結合的布置方式，例如端榀采用索—梁形式，中榀采用索—柱形式，亦可端榀采用索—柱形式，中榀采用索—梁形式，支架的最終布置方式需根據場地條件、業主需要、經濟性及安全性等因素綜合考慮。

2 兩種形式經濟性比較分析

在實際工程中，應根據工程實際需要選擇相應的布置形式。但是當一個工程項目有多種結構布置選擇時，應根據結構形式的經濟性進行比選。

2.1 結構布置形式比較

柔性支架的索—梁形式和索—柱形式由于結構布置形式不同，耗鋼量會有一定差異，本節針對一個具體案例對這兩種布置形式進行工程量比較。案例設計資料如下：

場地面積：80 m×125 m；框架設計高度：3 m；基本風壓w0：0.5 kPa；光伏面板尺寸：2 383 mm×1 303 mm，單板額定功率650 W，34.4 kg/塊；設計光伏面板傾角：20°；風載體型系數：根據標準《光伏支架結構設計規程》取值，傾角20°時，風載整體體型系數μs1(風壓)為0.85，μs2(風吸)為-1.0；風振系數：偏保守取為2.0；結構安全等級：三級，結構重要性系數取1.0。

對比方案主要為3個：索—梁布置形式、索—柱布置形式、索—梁與索—柱聯合布置形式，如圖7所示，計算軟件為sap2000。光伏板均橫向方式，每跨放置10塊，每排光伏板中心線間距為2.5 m，每橫排間距2.5 m，組件采用兩主索支承形式，在滿足撓度要求情況下不設置穩定索和防風索。預應力取值：索預應力取值不應過大或過小。取值過大，則可能超過索容許應力或增大基頂反力導致基礎量過大，取值過小，則可能不滿足最大容許撓度要求。故設計時建議根據允許跨中撓度計算索預應力取值，此處根據計算取為20 kN。

圖7 75 m×120 m柔性支架設計方案

計算模型中，為正確模擬索構件的變形與受力，考慮了構件幾何非線性，并將索構件定義為只拉單元；在中間跨定義連接單元以模擬中榀支架對索的滑動支撐效果；每根主索承受荷載均換算為線荷載的形式施加；為準確施加索預緊力，利用程序中目標力在索的兩端進行施加。

索—梁布置形式恒載與風壓作用下的位移云圖，如圖8所示。單跨跨中最大位移為-0.65 m，滿足規范[15]L/20跨中垂度要求，此時主索軸力達到87 kN，選用φ15鋼絞線，極限破斷力為189 kN(抗拉強度1 570 MPa)[16]，索力設計值為94.5 kN。在其他兩個方案中，由于荷載、主索跨度與主索截面大小均相同，結構最大位移與索—梁布置形式相差不大。在進行結構設計時，將各構件的最大應力比控制在0.8～0.9，避免各構件截面過大或過小。

圖8 恒載與風壓作用下位移云圖(索—梁布置形式)

以上3個方案的計算用鋼量見表1(序號1、2、3)所列，索—梁布置形式用鋼量最大，為64.47 t，其中鋼橫梁耗量占比達50%以上；索—梁與索—柱聯合布置形式次之，為39.26 t；索—柱布置形式最小，為26.28 t。方陣總裝機容量為650×10×3×49=955 500 W。故換算為每兆瓦用鋼量時，方案一工程量為67.47 t/MW，方案二工程量為41.09 t/MW，方案三工程量為27.50 t/MW。經比較，在條件允許的情況下，建議采用索—柱形式進行設計。

表1 各布置方案設計用鋼量

2.2 跨度影響性分析

在大小相同的荷載作用下，當柔性支架跨度增大時，預應力索的跨中撓度相應增大，當跨度增大到一定值時，跨中垂度將會超過規范限值(L/15～L/20)[15]，故需要設置穩定索及防風索。雖增加了穩定索及防風索，但跨度的增大會減少中榀支架的數量，故大跨度與小跨度柔性支架經濟性不便直接比較。本節基于總長75 m的柔性支架，對比3種跨度的工程量，以評估柔性支架經濟跨度。

對比方案為：75 m五跨支架方案、75 m三跨支架方案、75 m兩跨支架方案，如圖9所示，計算軟件為sap2000，結構布置形式均為索—柱形式。由于75 m兩跨支架方案在不設置防風體系時的位移較大，索拉力超過了規范限值，故需要增大索截面或增設防風體系，此處設置了穩定索及防風索，根據實際施工情況，主索預緊力F應大于穩定索預緊力f，現取f=F/2，F取為20 kN。

圖9 跨度比較模型

圖10為75 m兩跨支架方案的位移云圖，由于穩定索的布置，索跨中撓度減小為0.985 m，滿足撓度要求；主索、穩定索的最大拉力分別為90 kN、82 kN，均小于φ15鋼絞線拉力設計值189/2 kN。

圖10 75 m兩跨模型位移云圖

支架構件經過截面設計，工程量見表1(序號4、5、6)所列。從以上3個跨度方案來看，75 m五跨方案耗鋼量為1.16 t，75 m三跨方案耗鋼量為1.07 t，75 m兩跨方案耗鋼量為1.61 t。在不設置穩定索和防風索的情況下，支架耗鋼量隨著跨度的增大而少量減少，當跨度繼續增大到需要設置穩定索和穩定索時，支架耗鋼量顯著增加，柔性支架的最優經濟跨度應為需要設置穩定索及防風索的臨界跨度。在工程設計時，若沒有跨度限值，可先計算出臨界跨度L0，實際設計跨度L可在L0基礎上偏安全地乘以縮減系數。

3 結論

1)相同設計條件下，索—柱形式布置在經濟上要優于索—梁形式，因為不僅要除考慮梁受力強度外還需考慮索的連接，所以梁截面高度不會太小，梁的耗鋼量往往超過總耗量的50%以上。

2)當布置為小跨度時，只設置2道主索，無需設置穩定索和抗風索即能滿足應力和變形的要求，此時結構簡單、施加的預應力小、施工周期短而且經濟性好；當跨度較大時則需要設置穩定索和抗風索，鋼構件增多，耗鋼量增加，但柱和基礎數量相應減少，經濟性根據場地條件差異較大。

3)連續多跨布置較單跨經濟性優，中間支架設計成搖擺柱，索在中間支柱處連續，索外側設置斜拉索以平衡索拉力，以減少支架工程量。