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1、广东沿海区域光伏工程支架基础设计摘要：华南地区的滨海区域每年常遇台风且风级较大，修建光伏发电站时 风荷载是光伏阵列设计的主要控制荷载，在光伏组件安装高较大情况下光伏桩与 立柱的承载力安全须严格验算，本文结合工程实际论述滨海地区光伏发电工程的 组件支架桩柱设计。关键词：光伏支架立柱 压弯构件 风荷载 变形协调原理 抗风缆1.工程背景1.1 工程概况工程建设地点位于广东省沿海区域某厂区内，利用现有厂区空地及事故水池 区新建光伏发电站，光伏组件采用固定式方式安装。1. 2气象条件根据气象站资料，常风向为NE,频率为24. 23%,次常风向为ENE向和NNE 向，频率为14. 85%、13. 27%o
2、强风向为ENE向、NNE向，最大风速分别为 27. 2m/s、27. lm/s,次强风向为NE向和SSE向，占全年频率的85. 53%,各向大 于或等于6级风的出现频率占8. 5%o2. 3主要工程技术数据50年一遇基本风压为：0.70kN/itf；(2)设计基本地震动峰值加速度为0.1g,(3)地面粗糙度为：A类。2.支架立柱结构分析2.1工程布置厂区内现有4座钢筋混凝土事故水池，水池长90m,宽35m,深4. 2m,底板 厚3m,侧壁厚0.6m,工程拟在每座水池区域的上方布置25组，4座水池共100 组光伏发电组串由于工程位于事故水池区域，施工作业时动火及动土作业受限， 安全防护要求高，宜
3、结合施工区域环境合理选择光伏阵列布置及安装方案。本工程采用540Wp型号组件，每28块光伏组件为一个组串，光伏组件外形 尺寸为2256XlU3X35mm,单块组件的重量为32. 3Kg,支架采用热镀锌型钢支 架，支架角度15,每个组串的支架重量为6. 0KN。支架下部采用钢立柱作为支撑, 每个组串设4根长5m的Q235圆管钢立柱，钢立柱底座采用加厚钢板制作，底座 与圆管钢立柱焊接封闭，钢板底座预留螺栓孔，采用地锚螺将钢板底座与钢立柱 锚固于水池的钢筋混凝土底板面。为确保结构安全起见，本文论述的两个方案是多个比选方案中相对容易施工 且经济可行的方案。方案一：每个组串布置4根DN300mli1,壁
4、厚5nim,单根长5m的Q235钢管立 柱作为光伏支架支撑，柱顶为自由端，不设抗风缆不加支撑杆；方案二：每个组串采用4根DN150nllri,壁厚4nim,单根长5m的Q235钢管立 柱作为光伏支架支撑，每根钢立柱上部设置4根低松弛钢绞线作为抗风缆，抗风 缆与管柱轴线夹角45,分别锚固在立柱的东南西北四个方位。2. 2结构分析3. 2.1荷载计算1.风荷载计算公式：wK=bg/nizmsw0明基本风压，取0. 7风压高度变化系数，取1.17咚一风荷载体型系数，取L3b,一瞬时风压的阵风系数，取1.69A一柱顶组件面积：2.256X1. 113X7=17. 58M（单柱承当7块组件）W.风压标准
5、值：wK=b m7msw0=l. 69X1. 17X1. 3X0. 7=1. 8KN/mK gz Z b 。F一柱顶组件风荷载标准值：F=AzXw=17. 58X 1.8=31. 64KN（2）恒荷载GlDN300管柱自重标准值：Gl=3. 14X0. 305X0. 005X7850X5X 10=l. 88KN/m2G2DN150管柱自重标准值：G2=3. 14X0. 154X0. 004X7850X5X 10=0. 76KN/m2G3光伏组件自重标准值：G3=32. 3X7X10=22. 61KN （单柱承当7块组件）G4一组件支架自重标准值G4：G4=6. 04=1. 50KN （单柱承当
6、组串支架重量的1/4）（3）荷载分项系数Ys风荷载分项系数取L 4Y,一恒荷载分项系数取1. 21.材料力学参数E一钢管的弹性模量，取200000. 00 N/mm2f一钢管的设计强度，取215.00 N/mm2Eb一钢管的弹性模量，取195000. 00 N/mm2f.一钢管的设计强度，取I860 N/mm22. 2. 2受力计算（1）方案一荷载计算说明，风荷载远大于其他荷载，是主要的结构荷载，对结构安全起 决定性作用。由于钢材抗拉及抗拉的屈服强度较高，在竖向荷载较小的情况下轴 心受拉与轴心受压一般不起控制作用，根据经验细长杆件的破坏形式往往是在弯 矩的作用下压弯破坏或压杆受压失稳破坏，经验
7、算方案一的控制工况为：自重+ 风荷载，主要验算钢立柱压弯承载力与钢立柱压杆稳定。通过DN300钢立柱的承载力计算结果得知：1.钢立柱的固端最大应力为177. 51 N/mm2小于钢管Q235钢的材料设计强度 215 N/mm2,压弯承载力满足要求；2.钢立柱压杆稳定临界荷载为=1044871. 11 N远大于作用于钢立柱的竖向荷 载Fd=49557. 12 N,压杆稳定验算满足要求；3.钢立柱顶端最大位移丫工为32. 18mm小于规范允许的Lo/25O=4Omm (L0=2L),满 足规范要求。(2)方案二由方案一的计算得知钢立柱的固端最大应力与顶端最大位移绝大局部由风荷 载的水平分力引起，风
8、荷载的竖向分力与自重荷载引起的应力与位移很小，假设在 柱顶设置限位抗风缆，那么有利于减小结构的顶端位移、降低立柱的固端应力，有 利于充分利用材料的抗压强度，优化结构截面，节约钢材用量。方案二拟采用 DN150壁厚4mm的钢立柱并在东南西北四个方向各布置一根抗风缆绳，为简化计 算起见对方案二的结构体系作以下假定：1.抗风缆绳不承当弯矩和剪力，仅两端受拉；(b)保守起见，先按照风荷载的水平分量全部由缆绳单独承当，计算出抗 风缆可能出现的最大伸长量；(O根据变形协调原理采用作图法求解管柱的顶端最大位移值；(d)由立柱顶端位移值计算钢立柱的固端最大拉应力。通过DN150钢立柱+抗风缆承载力的结构计算结
9、果得知：1)钢管的端部最大应力为27. 29 N/mm2小于钢管Q235钢的材料设计强度 215N/mm2,弯曲受压承载力满足要求；2)钢立柱压杆稳定临界荷载为=104487. UN远大于作用于钢立柱的竖向 荷载F49557. 12 N,压杆稳定验算满足要求；3)钢立柱顶端最大位移丫1为6. 75inin小于规范允许的Lo/25O=14nim(Lo=O. 7H)，满足规范要求。2.3方案比拟1.计算两个设计方案的钢管立柱固端截面最大应力及顶端最大挠度均小于规范 允许值，压杆稳定临界荷载均远大于构件的实际作用荷载，结构安全均满足设计 规范要求；2.钢立柱是细长杆件，方案一中的风荷载水平分量全部由
10、钢立柱承当，钢立柱 固端部位的弯矩较大，固端截面应力较大，顶端位移也较大，最终依靠增大截面 尺寸提高截面刚度满足结构安全要求，钢材用量较大，与方案二相比不经济；3.结合细长杆件受力的特点，方案二在钢立柱顶部设置抗风缆，风荷载的水平 分力大局部由抗风缆绳承当，钢立柱仅承当竖向荷载及小局部水平荷载，钢立柱 固端部位的弯矩较小，固端截面的应力小，由于抗风缆的限位作用立柱的顶端位 移小，钢材用量相对方案一大约节省40%,方案二相对方案一经济；4.方案一的钢立柱单独受力不设支撑和拉缆，占用空间相对较少有利于事故水 池的后继运维，方案二在钢立柱的顶部沿四个方位各设置1根，共4根空间抗风 拉缆，占用空间较多
11、，给事故水池的后继运维带来一定的影响，故需结合事故水 池的运维特点进一步研究方案的可行性；5.两个方案的施工方法基本相同，钢立柱的预制及防腐均在加工厂内完成，成 品钢柱运至施工现场后吊装并用螺栓固紧，但方案二增加抗风缆安装一道工序， 现场的施工作业量相对方案一大，工期相对方案一长。3.结论及建议桩柱作为光伏支架基础的布置形式在光伏发电工程的建设中普遍应用，在立 柱或桩自由段长度较大的情况下，应验算杆件的压弯承载力及压杆稳定安全性， 细长受压杆件的破坏形式通常是压弯破坏或压杆失稳，可采用压弯构件的计算公 式验算桩或柱的承载力极限状态与正常使用极限状态的结构安全。风荷载是光伏 设计的主要荷载，作用于光伏组件及支架的风荷载通过支架传到立柱，是立柱压 弯破坏或失稳的主要不利荷载，对于伸出地面较高的光伏桩或支架立柱在条件允 许的情况下可采用设置斜拉杆或抗风缆等工程措施降低工程造价，单方面通过加 大柱身截面尺寸提高截面刚度的方法是不经济的。