承插式光伏支架的技術(shù)研究

田興海

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

隨著能源的日益緊缺，太陽(yáng)能的開發(fā)利用逐步引起了我國(guó)各級(jí)政府的重視，光伏發(fā)電在能源供應(yīng)體系中占據(jù)越來越重要的地位，根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，“十四五”期間預(yù)計(jì)光伏年均新增裝機(jī)在70 GW 以上，光伏支架的需求量也在不斷攀升，但因?yàn)楣夥Ъ芙Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，入行門檻低，導(dǎo)致光伏支架存在粗制爛造、形式單一、缺乏創(chuàng)新、材料浪費(fèi)等一系列問題，因此光伏行業(yè)亟需投入技術(shù)力量研發(fā)一種方便調(diào)節(jié)、節(jié)約鋼材、而且有較好環(huán)境適應(yīng)能力的光伏支架，以降低光伏電站的投資成本，并保證太陽(yáng)能光伏板正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 承插式光伏支架概述

光伏支架是光伏系統(tǒng)中支承各種光伏組件的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限25 年。承插式光伏支架采用單列單坡支架結(jié)構(gòu)形式，包括：下立柱、上立柱、斜梁、前支撐、后支撐、檁條、檁條連接件、檁托、水平支撐轉(zhuǎn)接件、檁條間直拉條、檁條間斜拉條、撐桿、水平支撐、綴板、前后支撐連接件等；承插式光伏支架的下立柱直接插入基礎(chǔ)預(yù)埋，光伏支架的上、下立柱插接連接，下立柱下端布置綴板作為柱腳受力較大部位的加強(qiáng)措施。前、后支撐一端通過前后支撐連接件固定于立柱上，另一端固定于斜梁兩端，立柱與斜梁鉸接固定。檁條通過檁托垂直布置于斜梁上；光伏支架通過檁條間直拉條、檁條間斜拉條、撐桿、水平支撐增加支架的整體穩(wěn)定性。

圖1 承插式光伏支架平面布置圖

圖2 承插式光伏支架立面圖

2 承插式光伏支架的特點(diǎn)

（1）保證結(jié)構(gòu)安全的前提下降低投資成本。承插式光伏支架的下立柱直接插入基礎(chǔ)預(yù)埋,埋入混凝土的立柱上對(duì)穿3 根短鋼筋與樁身縱筋綁扎連接，增強(qiáng)光伏支架的抗拔性能。與預(yù)埋螺栓的柱腳相比，插入立柱柱腳可以減小樁頭尺寸或樁身直徑，因?yàn)椴迦胧街_的內(nèi)力靠整個(gè)立柱截面抵抗，在計(jì)算光伏支架立柱截面時(shí)已經(jīng)驗(yàn)算了立柱截面，足夠抵抗柱底內(nèi)力，但考慮埋入立柱與混凝土樁頂交界面的環(huán)境條件復(fù)雜，為補(bǔ)償環(huán)境對(duì)柱腳承載力的影響，設(shè)計(jì)時(shí)考慮在柱腳開口方向增加綴板作為加強(qiáng)措施，因此插入式柱腳只需要保證立柱埋入混凝土的深度滿足錨固要求和插入深度計(jì)算值，構(gòu)造要求和插入深度計(jì)算值參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中插入式柱腳的計(jì)算與構(gòu)造確定。而預(yù)埋螺栓柱腳的彎矩需要靠一側(cè)預(yù)埋螺栓受拉，另一側(cè)預(yù)埋螺栓受壓形成力偶來抵抗，預(yù)埋螺栓之間的距離作為這對(duì)力偶的力臂，當(dāng)柱底彎矩較大時(shí)，需要通過增加預(yù)埋螺栓的距離來增加抵抗彎矩，而預(yù)埋螺栓必須預(yù)埋在樁身箍筋內(nèi)側(cè)以保證上部支架的內(nèi)力有效傳遞給基礎(chǔ)，這時(shí)就需要擴(kuò)大樁頭或樁身直徑。通過某地一個(gè)項(xiàng)目的分析對(duì)比，在相同設(shè)計(jì)條件下，插入式柱腳插入450 mm 的立柱重量跟預(yù)埋螺栓柱腳的立柱連接底板重量相當(dāng)，所以插入式柱腳可以節(jié)約加勁板和預(yù)埋螺栓等構(gòu)件，更節(jié)省材料，綜上所述，承插式光伏支架采用插入式柱腳更經(jīng)濟(jì)。

圖3 預(yù)埋螺栓柱腳

圖4 插入立柱柱腳

（2）方便調(diào)節(jié)，讓支架安裝更便捷高效。承插式光伏支架的立柱分為上、下立柱，上立柱截面應(yīng)略小于下立柱截面，將上立柱插入下立柱內(nèi)部，用螺栓連接，插入長(zhǎng)度根據(jù)插接部位的內(nèi)力和需要向上調(diào)節(jié)的尺寸確定，上立柱的翼緣和腹板均需留設(shè)間距150 mm 的螺栓固定孔，下立柱的翼緣和腹板需留設(shè)間距50 mm 的調(diào)節(jié)孔，上下立柱之間可通過調(diào)節(jié)連接孔位進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)立柱高度的效果。但僅僅只調(diào)立柱高度并不能達(dá)到調(diào)節(jié)支架整體高度的目的，所以承插式光伏支架的前后支撐連接件（即抱箍）的翼緣兩側(cè)也需留設(shè)連接孔，通過調(diào)節(jié)前后支撐連接件與立柱翼緣的連接孔位，可將前后支撐與立柱高度同步調(diào)節(jié)達(dá)到整體調(diào)節(jié)光伏支架高度的效果，用于糾正施工中基礎(chǔ)頂標(biāo)高出現(xiàn)偏差或地形起伏變化需要局部調(diào)節(jié)支架高度的情況，調(diào)節(jié)范圍一般控制在±150 mm,一方面因?yàn)橄蛏险{(diào)節(jié)范圍越大，上立柱需要插入下立柱的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，增加支架的用鋼量，造成材料浪費(fèi)；另一方面，調(diào)節(jié)支架高度會(huì)造成計(jì)算模型中立柱高度與實(shí)際高度偏差過大，向上調(diào)節(jié)高度過大會(huì)造成支架不安全，向下調(diào)節(jié)太多又會(huì)造成支架材料浪費(fèi)，因此，承插式光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)將調(diào)節(jié)范圍控制在一個(gè)合理范圍，光伏支架基礎(chǔ)施工時(shí)，也控制基礎(chǔ)頂標(biāo)高的偏差在這個(gè)范圍內(nèi)，那么承插式光伏支架安裝時(shí)就會(huì)更加便捷高效。

圖5 立柱腹板承插連接示意圖

圖6 立柱翼緣承插連接示意圖

（3）對(duì)立柱預(yù)埋的施工水平要求較高。因?yàn)橹Ъ艿南铝⒅枰苯宇A(yù)埋進(jìn)基礎(chǔ)內(nèi)，對(duì)樁基孔位的精確度和預(yù)埋立柱各個(gè)方向的垂直度都有更高要求，而且跟預(yù)埋螺栓相比下立柱的重量更大，預(yù)埋立柱大部分露在混凝土外部，需要用支撐固定，所以在應(yīng)用承插式光伏支架插入式柱腳時(shí)，必須嚴(yán)格控制立柱的預(yù)埋質(zhì)量。

3 承插式光伏支架插接部位的選擇

承插式光伏支架上下立柱插接部位根據(jù)受力情況可以設(shè)置在抱箍以上或抱箍以下，當(dāng)支架安裝傾角大，風(fēng)壓和雪壓也較大時(shí)，支架內(nèi)力一般也比較大，插接部位設(shè)置在抱箍以上更安全可靠，而當(dāng)支架安裝傾角小，內(nèi)力較小或者插接部位螺栓承載力足夠抵抗支架內(nèi)力時(shí)，插接部位也可設(shè)置在抱箍以下。

從圖7 可以看出，承插式光伏支架插接部位的選擇直接關(guān)系到上下立柱的長(zhǎng)度，也決定了施工和安裝難度。當(dāng)插接部位設(shè)置在抱箍以上時(shí)（圖7a），下立柱更長(zhǎng)，施工時(shí)預(yù)埋下立柱的難度也更大，因?yàn)殚L(zhǎng)度越大，立柱預(yù)埋的垂直度越難保證，而且插接部位離地高度1.8~2.2 m，安裝上立柱時(shí)操作也更困難。而當(dāng)插接部位設(shè)置在抱箍以下時(shí)（圖7b），下立柱全長(zhǎng)只有1.45 m，埋入混凝土0.45 m，立柱預(yù)埋的質(zhì)量更容易保證，插接部位離地高度也在1.5 m 以下，更方便安裝操作。所以在選擇承插式光伏支架插接部位時(shí)，既要考慮施工操作簡(jiǎn)便，又要保證插接部位受力安全可靠。

圖7 光伏支架立面圖

4 承插式光伏支架插接部位的受力分析

以圖7 相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)案例對(duì)承插式光伏支架的插接部位進(jìn)行受力分析。

（1）圖7 對(duì)應(yīng)案例的設(shè)計(jì)參數(shù)

材料：Q690 高強(qiáng)耐候鋼；風(fēng)壓：0.31 kN/m2，雪壓0.31 kN/m2；組件安裝傾角：27°；組件規(guī)格2278×1134×35,32.3 kg；風(fēng) 振 系 數(shù)：1.2；風(fēng) 壓 高度變化系數(shù)：1.0；風(fēng)荷載體型系數(shù)：正風(fēng)0.955，負(fù)風(fēng)-1.21。

山地修正系數(shù)1.3；可變荷載分項(xiàng)系數(shù)1.5，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)1.3；荷載作用控制組合：1.0 G-1.5 W。采用同磊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3D3S DesignV2022 進(jìn)行計(jì)算分析，支架內(nèi)力見圖8~圖10。

圖8 光伏支架彎矩圖1

圖9 光伏支架軸力圖1

圖10 光伏支架剪力圖1

圖7 a 中上下立柱插接部位通過腹板、兩側(cè)翼緣各3 個(gè)M14 的4.8 級(jí)螺栓連接，立柱鋼材牌號(hào)為Q690 高強(qiáng)耐候鋼，根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及JGJ/T 483-2020《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算上下立柱插接部位的螺栓承載力如下：

立柱腹板和兩側(cè)翼緣各3 個(gè)M14 的4.8 級(jí)螺 栓 抗 剪 承 載 力：Nv=nvAfv=3×154×140×10-3=64.68 kN；3 個(gè)M14 螺 栓 承 壓 承 載 力：Nc=∑tdfc=3.5×14×3×970 ×10-3=142.59 kN；3 個(gè)M14 螺栓的承載力：Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN；1 個(gè)M14 螺栓的承載力：Nvt1=21.56 kN；1 個(gè)M14 螺栓的抗拉承載力：Nt=Afy=115×170 ×10-3=19.55 kN。

根據(jù)圖7a 案例的內(nèi)力圖，提取位置1 的軸力N1=12.97 kN，剪力V1=7.46 kN,彎矩M1=-14.60 kN·m，位置2 的軸力N2=3.87 kN，剪力V2=7.04 kN，彎矩M2=-9.63 kN·m。根據(jù)螺栓的受力形式，將立柱的內(nèi)力轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)方向的力，位置1 的立柱軸力N1=12.97 kN，為拉力，對(duì)螺栓屬于剪力，假設(shè)立柱的軸拉力由腹板、兩側(cè)翼緣的全部螺栓均勻分擔(dān)，每個(gè)M14 螺栓分擔(dān)的力為：12.97 kN/9=1.44 kN，小于Nvt1=21.56 kN，滿足。剪力V1=7.46 kN 對(duì)于兩側(cè)翼緣螺栓是拉力，對(duì)于腹板螺栓是剪力。單個(gè)M14 螺栓的抗拉和抗剪承載力均大于7.46 kN，滿足。因腹板連接螺栓在腹板的中點(diǎn)，位于立柱截面的中性軸，所以不考慮腹板螺栓對(duì)抵抗彎矩的貢獻(xiàn)，而彎矩M1=-14.60 kN·m，立柱截面高度H=170 mm,按立柱兩側(cè)翼緣一側(cè)受壓另一側(cè)受拉簡(jiǎn)化，立柱單側(cè)的拉/壓力為14.60 kN·m/0.17 m=85.88 kN，兩側(cè)翼緣的拉壓力對(duì)于立柱翼緣的螺栓屬于剪力，單側(cè)翼緣螺栓需要抵抗的剪力為85.88+1.443×3=90.20 kN，根據(jù)立柱插接部位的螺栓承載力計(jì)算，單側(cè)翼緣3 個(gè)M14 螺 栓 的 承 載 力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，小于90.20 kN，不滿足。因此，上下立柱如果在此部位插接需要加大螺栓直徑或數(shù)量，但考慮此部位受力較大，為了安全起見，將上下立柱的插接部位向上移至位置2，位置2 的軸力和剪力較小，可以不驗(yàn)算，而彎矩M2=-9.63 kN·m，同樣的方法將彎矩轉(zhuǎn)化成翼緣單側(cè)拉/ 壓力9.63 kN·m/0.17 m=56.65 kN，單側(cè)翼緣螺栓需要抵抗的剪力為56.65+3.87/3=57.94 kN，而單側(cè)翼緣3 個(gè)M14 螺栓的承載力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，大于57.94 kN，滿足。

（2）圖7b 對(duì)應(yīng)案例的設(shè)計(jì)參數(shù)

材料：Q690 高強(qiáng)耐候鋼；風(fēng)壓：0.3 kN/m2,雪壓：0 kN/m2；組 件 規(guī) 格2 278×1 134×35，32.6 kg；組件安裝傾角：19°；風(fēng)振系數(shù):1.2；風(fēng)壓高度變化系數(shù):1.0；風(fēng)荷載體型系數(shù)：正風(fēng)0.84，負(fù)風(fēng)-0.990；山地修正系數(shù)1.3；可變荷載分項(xiàng)系數(shù)1.5，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)1.3；荷載作用控制組合：1.0 G -1.5 W。采用同磊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3D3S DesignV2022 進(jìn)行計(jì)算分析，支架內(nèi)力如圖11~圖13。

圖11 光伏支架彎矩圖2

圖12 光伏支架軸力圖2

圖13 光伏支架剪力圖2

圖7 b 中上下立柱插接部位通過腹板、兩側(cè)翼緣各3 個(gè)M14 的4.8 級(jí)螺栓連接，立柱鋼材牌號(hào)為Q690 高強(qiáng)耐候鋼，根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 及JGJ/T 483-2020《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算上下立柱插接部位的螺栓承載力如下：

立柱腹板和兩側(cè)翼緣各3 個(gè)M14 的4.8級(jí) 螺 栓 抗 剪 承 載 力：Nv=nvAfv=3×154×140×10-3=64.68 kN；3 個(gè)M14 螺 栓 承 壓 承 載 力：Nc=∑tdfc=3.5×14×3×970 ×10-3=142.59 kN；3 個(gè)M14 螺栓的承載力：Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN；1 個(gè)M14 螺栓的承載力：Nvt1=21.56 kN；1 個(gè)M14 螺栓的抗拉承載力：Nt=Afy=115×170 ×10-3=19.55 kN。

根據(jù)圖7b 案例的內(nèi)力圖，提取位置1 的軸力N1=11.53 kN，剪力V1=5.12 kN，彎矩M1=-8.40 kN ·m。

同樣的方法，將立柱的內(nèi)力轉(zhuǎn)化為螺栓對(duì)應(yīng)方向的力，位置1 的立柱軸力N1=11.53 kN，為拉力，對(duì)螺栓屬于剪力，假設(shè)立柱的軸拉力由腹板、兩側(cè)翼緣的全部螺栓均勻分擔(dān)，每個(gè)M14 螺栓分擔(dān)的力 為：11.53 kN/9=1.28 kN，小 于Nvt1=21.56 kN，滿足。剪力V1=5.12 kN 較小，可以不做驗(yàn)算。彎矩M1=-8.40 kN·m，立柱截面高度H=150 mm，按同樣的方法將彎矩轉(zhuǎn)化成單側(cè)拉/壓力為8.40 kN ·m/0.15 m=56.00 kN，立柱兩側(cè)翼緣的拉壓力對(duì)于翼緣的螺栓是剪力，受拉一側(cè)翼緣螺栓需要抵抗的剪力為56.00+1.28×3=59.84 kN，而單側(cè)翼緣3 個(gè)M14 螺栓的承載力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，大于59.84 kN，滿足。

5 結(jié)論

承插式光伏支架是一種可以節(jié)約材料、方便調(diào)節(jié)，有較好的環(huán)境適應(yīng)能力的光伏支架。承插式光伏支架采用插入式柱腳，既能保證結(jié)構(gòu)安全，又能節(jié)約鋼材用量，減小樁帽尺寸，降低投資成本，達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效果；承插式光伏支架上下立柱的插接設(shè)計(jì)使支架高度的調(diào)節(jié)更加方便快捷，更能適應(yīng)高低起伏的地面環(huán)境；同時(shí)對(duì)于光伏支架基礎(chǔ)施工水平的要求也更高；當(dāng)采用這種支架時(shí)，對(duì)承插部位的選擇和設(shè)計(jì)是保證支架安全的關(guān)鍵。在選擇支架形式時(shí)應(yīng)綜合考慮使用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性、安全性、適用性等因素，做出最合理的選擇。