光伏農(nóng)業(yè)大棚鋼架結(jié)構(gòu)的靜強度試驗研究

溫志梅，趙玉磊，劉春花

(1.山東華宇工學(xué)院能源與建筑工程學(xué)院 潔凈空調(diào)工程技術(shù)研發(fā)中心，德州 253000；2. 江蘇四季沐歌有限公司，連云港 222022)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民環(huán)保意識的不斷加強，我國對清潔能源的需求量日益增大，在關(guān)閉各地高能耗、高污染的火電站的背景下，我國開始大力發(fā)展光伏發(fā)電工程，尤其是與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的光伏農(nóng)業(yè)大棚工程[1]。

大型光伏農(nóng)業(yè)大棚工程需要大量組成光伏支架的鋼架結(jié)構(gòu)來搭建和支撐，由于光伏農(nóng)業(yè)大棚總體長度最長可達(dá)1000 m，因此這些鋼架結(jié)構(gòu)體型龐大，而且桿件截面尺寸較小，節(jié)點連接形式眾多[2]，結(jié)構(gòu)布置形式及受力情況復(fù)雜。目前在我國光伏行業(yè)中，對于光伏農(nóng)業(yè)大棚的大型鋼架結(jié)構(gòu)尚無有效的分析與設(shè)計方法，大多數(shù)情況是各大光伏企業(yè)直接引進(jìn)國外溫室大棚和光伏鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法[3]。在光伏農(nóng)業(yè)大棚的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鋼架結(jié)構(gòu)重量約占系統(tǒng)總重量的80%，因此鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計在節(jié)約鋼材、降低成本方面潛力巨大[4-6]。本文針對山東省即墨光伏小鎮(zhèn)中農(nóng)業(yè)科技大棚春棚的鋼架結(jié)構(gòu)光伏支架的受力體系進(jìn)行了研究，在保證安全可靠的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了經(jīng)濟(jì)、合理的鋼架結(jié)構(gòu)光伏支架。

1 試驗方案的設(shè)置

為了分析鋼架結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，采用簡化模型進(jìn)行模擬試驗，設(shè)置豎向位移測量點6 處，其中，主鋼架3 處、檁條3 處；設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變測量點16 處，其中，主鋼架8 處、檁條8 處。滿載試驗共進(jìn)行了5 次，測量了6 處位移測量點的位移值和主鋼架上16 處應(yīng)力應(yīng)變測量點的應(yīng)力值。

1.1 支架結(jié)構(gòu)

該農(nóng)業(yè)科技大棚春棚的光伏支架的鋼架結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1 所示，構(gòu)件明細(xì)如表1 所示。

表1 光伏支架的構(gòu)件明細(xì)Table 1 Component details of PV bracket

1.2 施加荷載的設(shè)備

對光伏支架施加荷載，所用到的設(shè)備主要包括1 套三角支架、48 只豎向荷載桶、1 只水平荷載桶、24 塊光伏組件、1 套加載繩索。施加荷載的示意圖如圖2 所示。

1.3 測試設(shè)備

測試設(shè)備主要包括1 臺電腦、1 臺無線通信控制器、2 臺采集發(fā)射模塊，以及16 條信號傳輸屏蔽線。測試設(shè)備連接示意圖如圖3 所示。

2 試驗方案

2.1 試驗荷載及位移測量點位置

桁架實驗一般多采用垂直方向施加荷載的方式，試驗荷載來自光伏組件自重、雪荷載、風(fēng)荷載及其他荷載。采用48 只豎向荷載桶模擬桁架垂直方向荷載，三角支架(含定滑輪1 個)和水平荷載桶模擬桁架水平方向荷載。根據(jù)GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行荷載試驗。試驗中桁架垂直方向荷載和水平方向荷載分別如表2、表3 所示。

表2 垂直方向荷載Table 2 Vertical load

表3 水平方向荷載Table 3 Horizontal load

施加荷載方案及桁架位移測量點分布如圖4 所示。本次試驗采用1 個三角支架和1 只水平荷載桶模擬中間鋼架的水平方向荷載。圖中，A 、B 、C 、D 、E 、F 點均為位移測量點，其中，B 、D 、F 這3 點為中間鋼架斜梁測量點，A 、C 、E 這3 點為檁條中間測量點。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變測量點布置

采用電阻應(yīng)變儀測量光伏支架測量點的應(yīng)力應(yīng)變，本試驗光伏支架應(yīng)力應(yīng)變測量點共計16個，其布置如圖5 所示。

在試驗開始前，先進(jìn)行預(yù)加載實驗，用于消除構(gòu)件間的間隙，以及調(diào)整應(yīng)力應(yīng)變測量點的位置及布線。

3 光伏農(nóng)業(yè)大棚滿載試驗及模擬計算

對光伏農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行滿載(垂直方向荷載+水平方向荷載)試驗，測量光伏支架不同位置的應(yīng)力應(yīng)變值；然后利用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬計算，并與試驗測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。

3.1 光伏農(nóng)業(yè)大棚滿載模擬

3.1.1 幾何模型

光伏農(nóng)業(yè)大棚鋼架結(jié)構(gòu)光伏支架的幾何模型如圖6 所示。圖中，1～5 為支架編號。

3.1.2 模擬計算結(jié)果

利用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬計算，光伏支架的模擬結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 的模擬計算結(jié)果可知，光伏支架豎向最大變形位置在1～2 跨P 列檁條的中間部位，其總變形距離約為31 mm。最大等效應(yīng)力在第2 排斜梁上與左斜撐連接的附近位置，其值為186.6 MPa，小于規(guī)范要求(斜梁材質(zhì)為Q235 鋼，抗拉壓強度為235 MPa)的值。最大彎矩的位置在第2 排主鋼柱與斜撐連接處，其值為5211 N。軸力最大正值的位置在第2 排斜梁上，其值為17900 N，狀態(tài)受拉；軸力最小負(fù)值的位置在第2 排主鋼柱上，其值為-29893 N，狀態(tài)受壓。剪力最大值位置在第2排斜梁上與左斜撐的接觸位置，其值為8844.5 N。

3.2 光伏農(nóng)業(yè)大棚滿載試驗計算

對測量點位置進(jìn)行試驗，試驗支架的豎向變形位移測試數(shù)據(jù)如表4 所示。由試驗數(shù)據(jù)可知，試驗支架豎向位移的最大變形位置位于C 點(見表4)，其總變形距離為30.6 mm。

試驗支架的應(yīng)力應(yīng)變測試(測量點位置見圖5)數(shù)據(jù)如表5 所示。

表4 試驗支架的豎向變形位移測試數(shù)據(jù)Table 4 Test data of vertical deformation and displacement of test bracket(單位：mm)

表5 試驗支架的應(yīng)力應(yīng)變測試數(shù)據(jù)Table 5 Stress and strain test data of test bracket(單位：MPa)

(續(xù)表)

測量點經(jīng)過多次測試，證明了試驗實測數(shù)據(jù)的可靠性，通過對表5 的應(yīng)力應(yīng)變測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，表中同一個位置的5 次測試數(shù)據(jù)相差不大，重復(fù)性良好；主鋼架結(jié)構(gòu)在滿載作用下測得最大應(yīng)力位置在⑦，其值為93.42 MPa。

將模擬得到的結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析可知，支架豎向位移最大變形位置一致，數(shù)值接近；而支架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力位置一致，其值略有不同，試驗中測得的最大等效應(yīng)力為93.42 MPa，模擬結(jié)果數(shù)據(jù)為186.6 MPa，這是因為在模擬的過程中對邊界條件進(jìn)行了簡化，導(dǎo)致模擬結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一些偏差。

4 結(jié)論

本文針對山東省即墨光伏小鎮(zhèn)中農(nóng)業(yè)科技大棚春棚光伏支架的受力體系進(jìn)行了研究，通過5次試驗，測量了6 處位移測量點處位移值和主鋼架上結(jié)構(gòu)16 處應(yīng)力應(yīng)變測量點的應(yīng)力值，得出以下結(jié)果：

1)試驗支架豎向位移最大變形位置在C 點，其總變形距離為30.6 mm，與采用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬的結(jié)果(1～2 跨P 列檁條中間部位，其總變形距離約為31 mm)相一致。而其他位置的豎向位移存在一定偏差，分析原因在于模擬采用了簡化模型，未考慮螺栓孔及焊接應(yīng)力，造成與實際情況存在偏差；實際鋼架安裝時，螺栓的緊固存在偏差，在裝配過程中構(gòu)件間存在內(nèi)應(yīng)力。

2)主鋼架結(jié)構(gòu)在滿載作用下測得最大等效應(yīng)力位置在⑦，其值為93.42 MPa；而模擬結(jié)果的最大等效應(yīng)力為186.6 MPa，在第2 排斜梁上與左斜撐連接的附近位置。試驗結(jié)果和模擬結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力的位置一致，數(shù)據(jù)存在差別，但差別均小于規(guī)范中要求的拉壓極限值，即結(jié)構(gòu)安全且強度高。因此，可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的減重，比如將結(jié)構(gòu)壁厚進(jìn)行適度減薄，從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。