光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置的計(jì)算分析

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

為研究真實(shí)環(huán)境下光伏支架的力學(xué)性能，在光伏支架陣列中選取1 個(gè)組串單元進(jìn)行型式試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)載荷作用下觀察光伏支架關(guān)鍵位置的撓度和應(yīng)變。在光伏支架型式試驗(yàn)中，載荷包括恒載荷、風(fēng)載荷和雪載荷。光伏支架結(jié)構(gòu)輕盈，由風(fēng)載荷起控制作用，風(fēng)載荷垂直于板面,分為正向風(fēng)壓力作用和逆向風(fēng)吸力作用，采用沙袋堆載的加載方式難以實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)荷載的效果，因此亟需一種能對(duì)光伏支架施加垂直于光伏板面壓力和吸力的加載裝置，以達(dá)到觀察光伏支架在真實(shí)環(huán)境下受力和變形的目的，同時(shí)為保證在加載狀態(tài)下加載裝置的安全可靠，需對(duì)加載裝置進(jìn)行計(jì)算分析。

1 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置概述

光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置包含反力裝置和傳力裝置兩部分，反力裝置由前立柱、后立柱、上斜梁、下斜梁、連系梁、千斤頂組成；上、下斜梁與立柱之間采用高強(qiáng)螺栓連接形成門式反力結(jié)構(gòu)，前、后立柱的柱腳底板采用地腳螺栓與基礎(chǔ)連接，反力裝置適用于4 榀支架的組串單元試驗(yàn)，共由3 個(gè)門式反力結(jié)構(gòu)構(gòu)成，3 榀門式反力結(jié)構(gòu)之間通過(guò)連系梁連接成整體。傳力裝置由一級(jí)傳力梁、二級(jí)傳力梁、光伏板邊框模擬梁組成。一級(jí)傳力梁與二級(jí)傳力梁、二級(jí)傳力梁與光伏板邊框模擬梁垂直正交焊接連接，光伏板邊框模擬梁與光伏支架的檁條垂直正交螺栓連接。工作時(shí)通過(guò)千斤頂將集中荷載施加于一級(jí)傳力梁的中點(diǎn)，通過(guò)3 根一級(jí)傳力梁兩端將荷載傳遞到二級(jí)傳力梁，二級(jí)傳力梁再將荷載傳遞到光伏板邊框模擬梁，最后傳遞給光伏支架。整個(gè)裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作效率高，能用于4 榀、3 榀、2 榀支架的加載試驗(yàn)。

圖1 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置平面布置圖

圖2 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置側(cè)視圖（壓力加載）

圖3 光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置側(cè)視圖（吸力加載）

2 光伏支架型式試驗(yàn)反力裝置的計(jì)算分析

2.1 檢驗(yàn)反力裝置安全性的方法

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算基本原則：僅限于對(duì)有關(guān)屈服極限的核算，不考慮材料在塑性狀態(tài)下的承載能力；在規(guī)定的荷載工況及載荷組合下，計(jì)算最不利的狀況；強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)，分別計(jì)算各結(jié)構(gòu)件在承載狀態(tài)下的受拉、受壓、受彎或受扭的應(yīng)力，計(jì)算出的應(yīng)力值應(yīng)小于規(guī)定的材料抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，即構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力值與材料抗力的比值<1.0。

2.2 反力裝置的建模及計(jì)算分析

2.2.1 支架試驗(yàn)荷載取值

（1）恒荷載：0.14 kN/m2

（2）正風(fēng)荷載：0.31×0.97×1.2×1.28=0.46 kN/m2

（3）逆風(fēng)荷載：0.31×(-1.24)×1.2×1.28=-0.59 kN/m2

（4）雪荷載：0.31 kN/m2

因?yàn)榧虞d裝置主要用于施加垂直于光伏板的荷載，所以將恒荷載和雪荷載分解為垂直于光伏板和平行于光伏板兩個(gè)方向的分力，垂直于光伏板面的荷載與風(fēng)荷載疊加施加在光伏支架上，驗(yàn)算試驗(yàn)荷載作用下加載裝置的變形和應(yīng)力情況。

2.2.2 荷載組合

（1）正常使用極限狀態(tài)

1）1.0 恒+1.0 雪+1.0 正風(fēng)=cos28×（1.0×0.14+1.0×0.31）+1.0×0.46=0.86 kN/m2

2）1.0 恒+1.0 逆 風(fēng)=cos28×1.0×0.14+ 1.0×（-0.59）=-0.47 kN/m2

（2）承載能力極限狀態(tài)

1）1.3恒+1.5×0.7雪+1.5正風(fēng)=cos28×（1.3×0.14+1.5×0.7×0.31）+1.5×0.46=1.14 kN/m2

2）1.0 恒+1.5 逆 風(fēng)=cos28×1.0×0.14+1.5×（-0.59）=-0.76 kN/m2

最大荷載為1.14 kPa，0.9

（3）正向和反向施加最大荷載

Q=1.2×2.278×1.134×26=80.59 kN（驗(yàn)算荷載等級(jí)Ⅱ級(jí)時(shí)的應(yīng)力）

正向：需扣除傳力裝置自重22 kN,故施加荷載總值為80.59-22=58.59 kN，分別由3 個(gè)千斤頂施加，單個(gè)千斤頂施加荷載為58.59÷3=19.53 kN，（模型輸入按分力輸入Pz=cos28×19.53=17.24 kN，Py=sin28×19.53=9.17 kN）

反向：需先抵消傳力裝置自重22 kN,故施加荷載總值為80.59+22=102.59 kN，分別由3 個(gè)千斤頂施加，單個(gè)千斤頂施加荷載為102.59÷3=34.19 kN，（模型輸入按分力輸入Pz=cos28×34.19 =30.19 kN，Py=sin28×34.19=16.05 kN）

2.2.3 采用3D3S 軟件建模分析

建模分析圖見(jiàn)圖4~圖9。

圖4 門架正向加載時(shí)模型荷載及約束示意圖

圖5 正向加載門架位移圖

圖6 正向加載門架應(yīng)力比云圖

圖7 門架反向加載時(shí)模型荷載及約束示意圖

圖8 反向加載門架位移圖

圖9 反向加載門架應(yīng)力比云圖

通過(guò)對(duì)門架正向和反向加載兩種工況做檢驗(yàn)，當(dāng)門架正向加載時(shí)，門架整體最大應(yīng)力比為0.302，小于1.0，承載力滿足要求；豎向位移為5.714 mm，小于L/400（4836/400=12.09 mm）,位移滿足要求。當(dāng)門架反向加載時(shí)，門架整體最大應(yīng)力比為0.329，小于1.0，承載力滿足要求；豎向位移為-6.296 mm，絕對(duì)值小于L/400（4836/400=12.09 mm）,位移也滿足要求。而且正向和反向加載兩種工況下，應(yīng)力比均遠(yuǎn)小于1.0，因此門架的安全儲(chǔ)備足夠大，能夠保證光伏支架型式試驗(yàn)加載順利進(jìn)行。

3 光伏支架型式試驗(yàn)傳力裝置的計(jì)算分析

傳力裝置主要用于傳遞反力裝置施加給光伏支架的荷載，為保證傳力裝置不發(fā)生過(guò)大變形，而且能把荷載有效傳遞到支架上，采用3D3S 軟件進(jìn)行建模分析，因傳力裝置傳遞的荷載最終到支架的檁條上，所以將檁條作為傳力裝置的支座，而光伏板邊框模擬梁與檁條是螺栓鉸接連接，所以定義支座為鉸接支座，3D3S 模型及內(nèi)力分析見(jiàn)圖10~圖17。

圖10 傳力裝置正向加載時(shí)模型荷載及約束示意（側(cè)視圖）

圖11 正向加載傳力裝置位移圖

圖12 正向加載傳力裝置應(yīng)力比云圖

圖13 正向加載支座反力局部圖

圖14 傳力裝置反向加載時(shí)模型荷載及約束示意（側(cè)視圖）

圖15 反向加載傳力裝置位移圖

圖16 反向加載傳力裝置應(yīng)力比云圖

通過(guò)以上對(duì)傳力裝置正向和反向加載兩種工況做檢驗(yàn)，當(dāng)傳力裝置正向加載時(shí)，傳力裝置整體最大應(yīng)力比為0.556,小于1.0，承載力滿足要求，豎向最大位移出現(xiàn)在一級(jí)傳力梁集中荷載作用位置，為-2.254 mm, 絕對(duì)值小于L/400（2 538/400=6.34 mm）,位移滿足要求。當(dāng)傳力裝置反向加載時(shí)，傳力裝置整體最大應(yīng)力比為0.672，小于1.0，承載力滿足要求；豎向最大位移為3.031 mm，小于L/400（2 538/400=6.34 mm）,位移也滿足要求。而且正向和反向加載兩種工況下，支座反力基本接近，平均值接近0.6 kN,支座總數(shù)為208 個(gè)，反算出支座反力總值為208×0.6=124.8 kN,根據(jù)上述荷載取值計(jì)算，加載荷載為80.59 kN，加上構(gòu)件自重22 kN,總荷載為80.59+22=102.59 kN。支座反力總值與施加總荷載接近，說(shuō)明施加荷載能有效傳遞到光伏支架，而支座反力總值略大，可能是由于加載裝置變形引起的。

4 結(jié)論

該光伏支架型式試驗(yàn)加載裝置是一種可以施加垂直于光伏板荷載的裝置，它的特點(diǎn)在于能夠模擬在光伏支架受力計(jì)算中起控制作用的正風(fēng)和逆風(fēng)荷載。通過(guò)3D3S 軟件對(duì)反力裝置和傳力裝置分別進(jìn)行受力分析，結(jié)果顯示：該加載裝置安全可靠，而且能夠?qū)⒑奢d有效傳遞給光伏支架，是一個(gè)安全可靠、簡(jiǎn)單適用的加載裝置，在光伏支架試驗(yàn)領(lǐng)域可以推廣使用。