2021柔性光伏支架結(jié)構(gòu)特性分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

柔性光伏支架結(jié)構(gòu)特性分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著社會(huì)能源日益枯竭，太陽(yáng)能等新能源的利用倍受關(guān)注［１?３］．近年來(lái)，我國(guó)的光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展．其中，分布式光伏發(fā)電能夠因地制宜，充分發(fā)揮太陽(yáng)能資源，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和投資價(jià)值［４］，所以，分布式光伏太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展．在優(yōu)質(zhì)土地資源日益緊張的情況下，傳統(tǒng)光伏支架因占地面積大、場(chǎng)地平整度要求高、土地?zé)o法二次利用］等原因，建設(shè)發(fā)展受到限制而柔性光伏支架僅支撐結(jié)構(gòu)占用土地面積，對(duì)場(chǎng)地面積要求較低，能廣泛應(yīng)用于各類復(fù)雜地形．該支架采用索進(jìn)行承重，索承重結(jié)構(gòu)擁有較好的力學(xué)性能］，能夠進(jìn)行大跨度張拉．目前，索承重的結(jié)構(gòu)較多應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中］，對(duì)索承重結(jié)構(gòu)的研究也日益成熟［１２?１７］，如果選擇采用承重索的單層鋼結(jié)構(gòu)，承重索可以跨越山川、荒漠等復(fù)雜地形，在索上鋪設(shè)光伏太陽(yáng)能設(shè)備．柔性光伏支架造價(jià)相對(duì)較低，且能充分利用空間資源和太陽(yáng)能資源，因此，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益．該支架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)不同，由于需要對(duì)承重索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，以形成大跨度索承重柔性支架，因此，鋼梁除了需要承受豎向荷載還需要承受較大的水平荷載．目前，已有學(xué)者對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究［］．然而，我國(guó)采用柔性支架的光伏發(fā)電項(xiàng)目還處于起步階段，實(shí)際的案例不多，還未大規(guī)模應(yīng)用于水塘、林地等復(fù)雜地形因此，本文研究３種不同水平力承載構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)特性，并探討水平力承載構(gòu)件與地面傾角的變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響．１ 柔性光伏支架結(jié)構(gòu)特性分析柔性光伏支架指的是由柔性承重索、鋼立柱、鋼斜柱或斜拉索、鋼梁及基礎(chǔ)組成的一種支架，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料使用較少、質(zhì)量輕、建設(shè)周期短等傳統(tǒng)支架所缺乏的優(yōu)點(diǎn)］柔性光伏支架的承重索采用鋼絞線等柔性組件，此類柔性組件具有彈性模量大、松弛率低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行大跨度張拉，從而規(guī)避場(chǎng)地的起伏等不利因素．因而，柔性光伏支架能因地制宜，受地形地貌的限制條件少．與主要承受豎向荷載的普通剛性支架受力特點(diǎn)不同，柔性光伏支架采用的承重索需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，形成一定的剛度以鋪設(shè)光伏組件．張拉的承重索索力會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生較大的水平荷載．此外，承重索傳給柱頂?shù)乃嚼?huì)使基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的剪力和拉拔力．因此，考慮采用何種類型的水平力承載構(gòu)件承擔(dān)水平力，以達(dá)到受力合理且對(duì)基礎(chǔ)要求最低，是設(shè)計(jì)的要點(diǎn)．水平力承載構(gòu)件有３種形式：在柱頂處配備斜拉索；在柱頂單側(cè)處設(shè)置鋼斜柱；在柱頂處設(shè)置八字形鋼斜柱．不同形式的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)受力圖，如圖１所示．圖１中：犔為水平力承載構(gòu)件的長(zhǎng)度．）斜拉索 ）鋼斜柱 ）八字形鋼斜圖１ 不同形式的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)受力示意圖Ｍｍｓｔｙｐｅｓｓｕｐｐｏｒｔ柔性光伏支架結(jié)構(gòu)參數(shù)分析及優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)采用模型結(jié)構(gòu)跨度為ｍ，柱高為ｍ，邊跨柱距為ｍ，中跨分別為ｍ；承重索直徑２０ｍｍ的鍍鋅鋼絞線，其強(qiáng)度為１６７０ＭＰａ；鋼梁采用尺寸為３００ｍｍ×１０ｍｍ的方鋼管，材質(zhì)為?Ｂ；鋼梁下方鋼柱采用尺寸為２５０ｍｍ×１０ｍｍ的方鋼管，材質(zhì)為；柱頂采用加勁肋進(jìn)行局部加強(qiáng)．結(jié)構(gòu)的荷載考慮了結(jié)構(gòu)的自重，并由程序自動(dòng)計(jì)算，承重索張拉力為８８ｋＮ．有限元計(jì)算模型中，承重索采用桁架單元進(jìn)行模擬，并通過(guò)施加初張力模擬承重索的張拉力，計(jì)算模型中，考慮了幾何非線性．在自重作用下，承重索的張拉力確實(shí)不是水平作用，由于存在垂度，柱頂承重索的拉力與水平線有一定的角度．實(shí)際光伏支架結(jié)構(gòu)承重索張拉之后，垂度較小，索與水平線的夾角很小，因此，文中忽略該夾角對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響．根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從而得出不同結(jié)構(gòu)形式及承載水平力的構(gòu)件與地面傾角變化對(duì)水平力承載構(gòu)件受力情況的影響規(guī)律，以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)最優(yōu)選型．２．２斜拉索傾斜度變化對(duì)斜拉索內(nèi)力的影響采用斜拉索的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)及其有限元模型，如圖２所示圖２為傾角在鋼立柱外側(cè)采用斜拉索，以保證鋼柱的側(cè)向穩(wěn)定性．有限元模型中，考慮承重索張拉施工過(guò)程的影響，承重索從中間往．）結(jié)構(gòu)示意圖 ）整體示意圖 ）有限元模圖２ 采用斜拉索的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)及其有限元模型ｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｍｅｎｔｍｏｄｅｌ斜拉索截面直徑為４５ｍｍ，在其他條件不變的情況下，通過(guò)調(diào)整斜拉索與地面的傾角，分析結(jié)構(gòu)受力的變化，如圖３所示．圖３中：犉為水平力承載構(gòu)件內(nèi)力．由圖）可知：隨著斜拉索傾角的增大，斜拉索內(nèi)力逐漸增大；當(dāng)傾角θ為～時(shí)，斜拉索內(nèi)力隨著傾角的增大而逐漸增大，增大的幅值不到，變化數(shù)值較?。划?dāng)θ＞４０°時(shí)，傾角越大，斜拉索內(nèi)力增加明顯，每增大，內(nèi)力增量越大，已超過(guò)由于考慮了承重索張拉施工順序的影響，后張拉索力會(huì)對(duì)已張拉承重索的索力產(chǎn)生影響，使承重索的預(yù)張力發(fā)生損失．當(dāng)斜拉索與水平向傾角較小時(shí)，隨著傾角的減小，斜拉索長(zhǎng)度變長(zhǎng)，斜拉索的總伸長(zhǎng)量增加，柱頂?shù)膫?cè)向變

（ａ）內(nèi)力變化）水平分力變化 ）豎向分力變化圖３ 不同傾角下斜拉索的應(yīng)力變化ａｎｇｌｅｓ形增大，導(dǎo)致承重索的預(yù)應(yīng)力損失增大，所以承重索的水平力減小，故而斜拉索的水平分力隨著傾角減小而減?。划?dāng)斜拉索與水平向傾角增大到一定程度時(shí)，隨著傾角的增加，鋼立柱和斜拉索的抗側(cè)剛度減小，柱頂側(cè)向位移增大，承重索的預(yù)應(yīng)力損失增大，而斜拉索的水平分力隨著傾角的增大而減?。蓤D３（ｂ）可知：斜拉索的水平分力出現(xiàn)先增大、后減小的現(xiàn)象．由圖３（ｃ）可知：當(dāng)傾角θ為６０°時(shí)，斜拉索產(chǎn)生的豎向荷載比２５°斜拉索產(chǎn)生的豎向荷載增加３倍，桿件內(nèi)力的豎向分力顯著增加．因此，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)斜拉索錨固條件不受約束時(shí)，可以選擇較小的傾角．設(shè)計(jì)時(shí)，除了要合理設(shè)計(jì)水平力承載構(gòu)件，還要綜合考慮水平力承載構(gòu)件產(chǎn)生的豎向荷載對(duì)基礎(chǔ)的影響．２．３鋼斜柱傾斜度變化對(duì)鋼斜柱內(nèi)力的影響柔性光伏支架的水平力承載構(gòu)件由斜拉索改為鋼斜柱，鋼斜柱采用ＨＭ１９４×１５０×６×９型鋼，其余條件保持不變，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖４所示．）結(jié)構(gòu)示意圖 ）整體示意圖圖４ 采用鋼斜柱的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)和整體示意圖ａｎｄｗｍｓｕｐｐｏｒｔｍｎ通過(guò)調(diào)整鋼斜柱與水平面的傾角θ，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，結(jié)果如圖５所示．不同傾角下鋼立柱的軸向拉力變化，如圖６所示．不同傾角下鋼斜柱的臨界荷載系數(shù)（μ）變化，如圖７所示．對(duì)于采用單側(cè)鋼斜柱的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)，鋼斜柱與水平傾角θ的變化會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)力也產(chǎn)生較大的變化．由圖５）可知：水平力承載構(gòu)件鋼斜柱的內(nèi)力隨著傾角的增加，內(nèi)力的數(shù)值從４３７ｋＮ增大到７７６ｋＮ，增大近一倍．由圖５）可知：傾角的變化對(duì)鋼斜柱的水平分力影響不明顯．結(jié)合圖５）可知：鋼斜柱與地面的傾角變化對(duì)鋼斜柱豎向分力的影響明顯，鋼斜柱豎向分力在數(shù)值上從開始的１４９ｋ增長(zhǎng)到６７２ｋＮ，增加了倍．由圖６可知：鋼斜柱產(chǎn)生的豎向分力由鋼立柱的豎向內(nèi)力平衡，由于鋼斜柱產(chǎn)生的豎向分力較大，此時(shí)的鋼立柱產(chǎn)生軸向拉力；當(dāng)鋼立柱豎向承載構(gòu)件的軸向拉力過(guò)大時(shí)，對(duì)下部基礎(chǔ)產(chǎn)生拉拔作用，不利于結(jié)構(gòu)受力．

（ａ）內(nèi)力變化）水平分力變化 ）豎向分力變化圖５ 不同傾角下鋼斜柱的應(yīng)力變化ｍｎｓａｎｇｌｅｓ圖６ 不同鋼斜柱傾角下鋼立柱的軸力變化 圖７ 不同傾角下鋼斜柱的臨界荷載系數(shù)變化ＶＶｌｏａｄｍｎａｎｇｌｅｓ ｍｎｓａｎｇｌｅｓ犺狋狆：∥狑狑狑．犺犱狓犫．犺狇狌．犲犱狌．犮狀由圖７可知：當(dāng)傾角θ過(guò)小時(shí)，如小于２５°，因鋼斜柱的長(zhǎng)度增大而失穩(wěn)臨界荷載會(huì)降低．綜上可知，在場(chǎng)地不受限制時(shí)，鋼斜柱與水平傾角θ可取偏小值，鋼斜柱能承擔(dān)較大水平分力，且豎向分力較小，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界荷載較大，結(jié)構(gòu)較為合理．八字型鋼斜柱傾斜度變化對(duì)鋼斜柱內(nèi)力的影響柔性光伏支架水平力承載構(gòu)件采用八字形鋼斜柱，外側(cè)鋼斜柱受拉，內(nèi)受壓，內(nèi)、外側(cè)的鋼斜柱均采用ＨＭ１９４×１５０×６×９型鋼，其余條件不變，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖８所示．）結(jié)構(gòu)示意圖 ）整體示意圖圖８ 采用八字形鋼斜柱的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)和整體示意圖ａｎｄｗｍｓｕｐｐｏｒｔｓｐｌａｙｅｄｍｎｓ通過(guò)調(diào)整不同側(cè)的鋼斜柱與地面傾角分析鋼斜柱的內(nèi)力變化情況，結(jié)果如圖９１０所示．受壓鋼斜柱不同傾角下的臨界荷載系數(shù)變化，如圖１１所示．由圖９（ａ），１０（ａ）可知：對(duì)于八字形的鋼斜柱，不論是受壓鋼斜柱還是受拉鋼斜柱，其內(nèi)力都會(huì)隨著鋼斜柱與地面夾角θ的增大而增加，但起始階段增加平緩；隨著鋼斜柱傾角進(jìn)一步增大，其內(nèi)力增加越迅速．由圖）可知：當(dāng)傾角從增大到５０°時(shí)，受壓鋼斜柱的水平分力在數(shù)值上隨傾角近似線性增加，而在該范圍外變化平緩．

（ａ）內(nèi)力變化）水平分力變化 ）豎向分力變化圖９ 不同傾角下受壓鋼斜柱的內(nèi)力變化Ｆｉｇ．９Ｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｅｅｌｉｎｃｌｉｎｅｄｃｏｌｕｍｎｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓ結(jié)合圖９，１０可知：當(dāng)傾角θ從２０°增大到６０°時(shí)，水平力承載構(gòu)件內(nèi)力的變化明顯，增加量接近一倍，但并沒(méi)有明顯增大構(gòu)件對(duì)水平力的承擔(dān)，而構(gòu)件的豎向分力卻大幅增加．由圖１１可知：當(dāng)傾角θ過(guò)小時(shí)，鋼斜柱內(nèi)力較??；當(dāng)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，構(gòu)件的失穩(wěn)臨界荷載降低．綜上可知，當(dāng)θ約為時(shí)，鋼斜柱長(zhǎng)度和豎向分力相對(duì)較小，且結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界荷載較大，結(jié)構(gòu)較為合理．２．５討論與分析３種不同結(jié)構(gòu)形式的水平力承載構(gòu)件的內(nèi)力都隨著構(gòu)件

（ａ）內(nèi)力變化）水平分力變化 ）豎向分力變化圖１０ 不同傾角下受拉鋼斜柱的內(nèi)力變化Ｆｉｇ．１０Ｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｅｎｓｉｌｅｓｔｅｅｌｉｎｃｌｉｎｅｄｃｏｌｕｍｎｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓ與地面的傾角θ的增大而增大，且傾角越大，在相同角度增量的情況下，內(nèi)力的增加量越大．但對(duì)于水平力承載構(gòu)件承擔(dān)的水平力，僅在一定的角度范圍內(nèi)平緩增加，而構(gòu)件內(nèi)力的豎向分力隨著傾角的增大而增加，且增幅明顯．當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)斜拉索錨固條件不受約束時(shí)，斜拉索加鋼立柱結(jié)構(gòu)形式的水平力承載構(gòu)件與地面的傾角θ越小，受力越合理．結(jié)合圖可知：在傾角相同的情況下，對(duì)于采用斜拉索和單側(cè)采用鋼斜柱的柔性光伏支架，其水平力承載構(gòu)件的內(nèi)力在數(shù)值上相近，斜拉索從結(jié)構(gòu)外側(cè)以拉力的形式承擔(dān)水平力，而鋼斜柱是在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)以構(gòu)件受壓的形式承擔(dān)水平力．八字形的鋼斜柱能以兩根斜柱的形式分別承擔(dān)水平力，此時(shí)，八字形鋼斜柱在結(jié)構(gòu)外側(cè)的鋼斜柱產(chǎn)生拉力，在內(nèi)側(cè)的另一根鋼斜柱產(chǎn)生壓力，內(nèi)、外兩側(cè)桿件的內(nèi)力數(shù)值相近產(chǎn)

圖１１ 受壓鋼斜柱不同傾角下的臨界荷載系數(shù)變化Ｖｌｏａｄｃｏｍｍｎａｎｇｌｅｓ生不同內(nèi)力數(shù)值的原因是在模擬時(shí)，考慮了結(jié)構(gòu)的自身重力，自重的豎向荷載會(huì)降低受拉鋼斜柱的拉力，增大受壓鋼斜柱的壓力．所以，在數(shù)值上，受壓鋼斜柱的內(nèi)力會(huì)比受拉鋼斜柱的內(nèi)力更大．由于采用八字形鋼斜柱的柔性光伏支架是從結(jié)構(gòu)內(nèi)、外兩側(cè)鋼斜柱平衡水平力，所以，八字形鋼斜柱的內(nèi)力約為斜拉索和單側(cè)采用鋼斜柱內(nèi)力的一半．八字形的兩根鋼斜柱能夠較均勻的分擔(dān)張拉承重索所產(chǎn)生的水平力，且受拉鋼斜柱的豎向分力相對(duì)單側(cè)采用鋼斜柱的結(jié)構(gòu)形式小，因此，結(jié)構(gòu)受力更為合理．從對(duì)下部結(jié)構(gòu)的受力影響情況分析可知，單側(cè)采用鋼斜柱的結(jié)構(gòu)形式的鋼斜柱是以受壓的形式承擔(dān)水平力，而斜拉索是以索拉力的形式承擔(dān)，所以，鋼斜柱會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生壓力，而采用斜拉索作為水平力承載構(gòu)件的結(jié)構(gòu)則會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生拉力．在相同的地質(zhì)條件下，基礎(chǔ)的受壓性能比受拉性能好，所以，采用鋼斜柱的柔性光