分布式光伏電站屋面荷載取值研究

王利中 胡 昕 何玲玲

(中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心有限公司，北京 100840)

0 引言

太陽能光伏發(fā)電作為一種清潔又環(huán)保的綠色能源，是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，我國(guó)分布式光伏電站正處于迅猛發(fā)展階段。在屋頂建設(shè)光伏電站，改變了屋面的荷載條件，需要對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)鑒定。結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算時(shí)結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件的幾何尺寸、材料性能、荷載條件這幾項(xiàng)條件是必不可少的。本文主要對(duì)光伏電站建設(shè)對(duì)屋面荷載的影響進(jìn)行探討。

1 屋面光伏組件的安裝方式

1.1 混凝土屋面

這種屋面主要為混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)的屋面。為保證原有屋面的防水性能，光伏組件一般是直接擱置在屋面上，用配重來抵抗風(fēng)荷載。安裝形式見圖1。這種安裝方式光伏組件和原屋面是分離的。

1.2 輕鋼屋面

這種屋面主要為門式剛架、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的屋面。安裝方式主要用扣件直接卡扣在屋面上，安裝形式見圖2。這種安裝方式光伏組件和原屋面是結(jié)合在一起的。

2 屋面主要荷載

2.1 屋面結(jié)構(gòu)自重

鋼筋混凝土樓板自重、屋面鋼梁檁條彩鋼板的自重、屋面保溫防水材料的自重、屋面原有構(gòu)件及設(shè)備的自重(屬于恒荷載)。屋面恒載應(yīng)根據(jù)實(shí)際屋面做法計(jì)算取值。

2.2 光伏電站系統(tǒng)荷載

光伏組件、支架、基礎(chǔ)、電纜、匯流箱等(屬于新增恒荷載)。按光伏設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行核算取值。

2.3 屋面活荷載

施工荷載—施工階段，設(shè)備材料的吊裝、運(yùn)輸、施工人員、施工設(shè)備等產(chǎn)生的作用影響，屬于活荷載。建設(shè)光伏電站的屋面活荷載可只考慮施工活荷載和安裝完成后的檢修荷載，根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，不上人屋面活荷載取值為0.5 kN/m2。

根據(jù)GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范4.1.3條，當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時(shí)，屋面按水平投影面積計(jì)算的豎向活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取0.5 kN/m2，對(duì)于承受荷載水平投影面積大于60 m2的剛架構(gòu)件，屋面豎向均布荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取不小于0.3 kN/m2。

2.4 雪荷載

屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算：

sk=μrs0。

其中，sk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)；s0為基本雪壓，kN/m2。

1)屋面積雪分布系數(shù)的取值。

對(duì)于混凝土屋面(平坡屋面)，光伏面板一般與屋面呈一定的夾角，導(dǎo)致屋面形式發(fā)生變化，可按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范表7.2.1中鋸齒形屋面來考慮積雪的均勻分布與不均勻分布情況。

對(duì)于壓型鋼板屋面，光伏面板一般貼于屋面上，對(duì)改變屋面形式影響較小，雪荷載可按照實(shí)際屋面形式按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范表7.2.1采用。

2)基本雪壓的取值。

基本雪壓應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的方法確定的50年重現(xiàn)期的雪壓，對(duì)于輕型屋蓋結(jié)構(gòu)或大跨度結(jié)構(gòu)，雪荷載經(jīng)常是控制荷載，極端雪荷載作用下容易造成結(jié)構(gòu)整體破壞，后果特別嚴(yán)重，屬于對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓。

2.5 風(fēng)荷載

根據(jù)GB 50797—2012光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范，光伏支架風(fēng)荷載應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中25年一遇的荷載數(shù)值取值，地面和樓頂支架風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.3。這里的風(fēng)荷載體型系數(shù)是用于光伏支架和混凝土屋頂配重設(shè)計(jì)的。

對(duì)于混凝土屋面，一般情況下光伏電站系統(tǒng)和屋面是獨(dú)立的，風(fēng)吸力作用下對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響是不用考慮的，主要是考慮風(fēng)壓力作用下對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，在對(duì)下部主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)壓的荷載組合。

對(duì)于輕鋼屋面，由于光伏電站和屋面是聯(lián)系在一起的，需要同時(shí)考慮風(fēng)吸和風(fēng)壓兩種情況。在此類屋面上安裝太陽能電池板(不起傾角，隨屋面坡度安裝)，徐成[6]利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了屋頂安裝太陽能板對(duì)風(fēng)荷載的影響，結(jié)果表明，安裝光伏太陽能板對(duì)屋頂整體風(fēng)荷載的影響不大，但增大了局部的最強(qiáng)風(fēng)吸力；安裝在屋頂?shù)奶柲芄夥弩w型系數(shù)隨位置變化不敏感，取值均在±0.2之間。

涉及到輕鋼屋面風(fēng)荷載計(jì)算的主要規(guī)范有GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,CECS 102：2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范，三本規(guī)范、規(guī)程對(duì)于風(fēng)荷載的計(jì)算不盡相同。

取典型門式剛架，房屋高度不大于18 m、房屋高寬比小于1、屋面坡度1/20為例，計(jì)算不同規(guī)范的風(fēng)荷載，匯總結(jié)果見表1和表2。

表1 剛架風(fēng)荷載系數(shù)對(duì)比

表2 檁條風(fēng)荷載系數(shù)對(duì)比

從表1和表2中可以看出，GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載的要求較高，檁條在屋面各區(qū)均會(huì)存在風(fēng)吸力和風(fēng)壓力兩種情況的，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮兩種工況下的荷載組合。按此規(guī)范，光伏項(xiàng)目中對(duì)于既有廠房檁條驗(yàn)算通過率不高。

3 荷載的組合應(yīng)注意的問題

1)荷載組合的原則應(yīng)遵循以下原則：a.屋面均布活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮，應(yīng)取兩者的較大值。b.積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時(shí)考慮。c.施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時(shí)考慮。d.風(fēng)荷載不與地震作用同時(shí)考慮。

2)荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值應(yīng)按下式確定。

Sd=rGSGk+ΨQrQSQk+ΨwrwSwk。

應(yīng)注意式中ΨQ和Ψw分別為可變荷載組合值系數(shù)和風(fēng)荷載組合值系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)應(yīng)分別取0.7和0；當(dāng)可變荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)應(yīng)分別取1.0和0.6。同時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)壓和風(fēng)吸力兩種荷載工況。

4 屋面荷載的預(yù)判

4.1 鋼筋混凝土屋面

混凝土屋面光伏系統(tǒng)按單排組件最佳傾角進(jìn)行安裝、以混凝土配重來抵抗風(fēng)荷載，屋面新增荷載約0.50 kN/m2～1.0 kN/m2。新增光伏發(fā)電系統(tǒng)的承載力校核驗(yàn)算通過率大于80%。結(jié)構(gòu)方面比較適宜安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。

混凝土預(yù)制板屋面、預(yù)應(yīng)力雙T板屋面、馬鞍板屋面，通過選擇合適的安裝形式，如適當(dāng)降低安裝傾角、避讓敏感區(qū)域、陣列加裝導(dǎo)流板、降低配重塊高度和重量等，也可以安裝光伏電站系統(tǒng)。

4.2 輕鋼屋面

輕鋼瓦屋面光伏系統(tǒng)按組件順屋面坡度平鋪安裝、支架檁條采用夾具夾在金屬屋面瓦楞上考慮，屋面新增荷載約0.15 kN/m2～0.20 kN/m2。新增光伏發(fā)電系統(tǒng)的承載力校核驗(yàn)算通過率小于50%。結(jié)構(gòu)承載力不足情況較多，使用前需認(rèn)真校核。

4.3 應(yīng)注意的問題

光伏電站在施工時(shí)經(jīng)常會(huì)存在一些不規(guī)范施工的問題，比如將光伏組件成箱吊至屋面某一處，電纜線在屋面上拖拽前行，人員較密集的在一起，這些做法對(duì)于輕鋼屋面是非常危險(xiǎn)的。檢測(cè)鑒定單位和設(shè)計(jì)單位應(yīng)將這些注意事項(xiàng)告知施工單位，消除安全隱患。私自建造的建筑物、建設(shè)年代久遠(yuǎn)的老舊建筑，存在偷工減料的豆腐渣工程、私自改擴(kuò)建的建筑，建設(shè)期替換過鋼材等級(jí)的建筑，這些往往是存在安全問題建筑。在光伏電站選址時(shí)應(yīng)避開這些建筑，或根據(jù)檢測(cè)鑒定進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固后進(jìn)行光伏電站建設(shè)。

[1] GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 51022—2015，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[3] CECS 102:2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012年版)[S].

[4] 宗 岳,束云華,徐建美,等.屋頂光伏陣列風(fēng)荷載的研究[A].第14屆中國(guó)光伏大會(huì)(CPVC14)論文集[C].2014:299-304.

[5] 吉春明,朱慶東.屋面光伏陣列荷載分析與結(jié)構(gòu)承載力評(píng)估[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011(S44):109-112.

[6] 徐 成,趙金城,鄭洪有,等.屋頂安裝光伏太陽能板風(fēng)荷載試驗(yàn)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,28(2):33-34.