標(biāo)準(zhǔn)化光伏支架型式試驗(yàn)方案

谷佳冰，胡保濤

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

高強(qiáng)耐候鋼是屈服強(qiáng)度不低于690 MPa，通過在鋼材中加入Cu、P、Cr、Ni 等合金元素，使鋼材表面在大氣環(huán)境下逐漸生成一層致密、具有保護(hù)性的保護(hù)層的鋼材。

光伏支架結(jié)構(gòu)須滿足規(guī)范要求的25 年使用壽命，所以光伏支架結(jié)構(gòu)必須牢固可靠，能承受如大氣侵蝕、風(fēng)荷載、雪荷載、光伏組件自身荷載和其他外部效應(yīng)。目前各光伏支架及鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有涵蓋高強(qiáng)耐候鋼材料的相關(guān)要求，需通過型式試驗(yàn)來驗(yàn)證高強(qiáng)耐候鋼光伏支架的安全、穩(wěn)定性。

1 光伏支架型式試驗(yàn)概述

為降低光伏支架的用鋼量，且優(yōu)化制作安裝工藝，公司采用高強(qiáng)耐候鋼作為主材進(jìn)行光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)JG/T 490－2016《太陽能光伏系統(tǒng)支架通用技術(shù)要求》要求，當(dāng)原料、工藝有較大變化，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，需進(jìn)行型式試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：外觀、尺寸偏差、材料壁厚、力學(xué)性能。本標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方案將通過一個(gè)具體的陣列式高強(qiáng)耐候鋼光伏支架型式試驗(yàn)進(jìn)行講解。

此次試驗(yàn)材料為高強(qiáng)耐候鋼，支架型式為：單立柱雙排2×13 承插式支架。設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)正向荷載組合為1.0 恒荷載+1.0 雪荷載+1.0 正風(fēng)荷載，反向荷載組合為1.0 恒+1.0 逆風(fēng)。承載能力極限狀態(tài)正向荷載組合為1.3 恒+1.5×0.7 雪+1.5正風(fēng)，反向荷載組合為1.0 恒+1.5 逆風(fēng)。

試驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^光伏支架型式試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的光伏支架結(jié)構(gòu)型式的安全性、穩(wěn)定性以及材料的可靠性。

2 檢驗(yàn)范圍及內(nèi)容

本次檢驗(yàn)內(nèi)容包括：①光伏支架型式檢驗(yàn)；②光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測試；③光伏支架最大承載力測試（極限位移控制）。

3 檢驗(yàn)依據(jù)

依據(jù)光伏陣列支架結(jié)構(gòu)型式，按照系統(tǒng)操作的相關(guān)規(guī)定，參考以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）JG/T 490-2016《太陽能光伏系統(tǒng)支架通用技術(shù)要求》；

（2）GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》；

（3）QJ 3156-2002《導(dǎo)彈地面設(shè)備大型結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試方法》。

4 主要檢驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)產(chǎn)品參數(shù)

4.1 檢驗(yàn)設(shè)備

無線靜態(tài)應(yīng)變儀：DH3819N；位移傳感器：5G105；全站儀：徠卡R400；激光測距儀；鋼卷尺：30 m、5 m；鋼板尺：300 mm；游標(biāo)卡尺：150 mm；寬口游標(biāo)卡尺：200 mm；激光測溫儀。

4.2 試驗(yàn)產(chǎn)品參數(shù)

圖1 產(chǎn)品參數(shù)圖

5 檢驗(yàn)項(xiàng)目、要求、方法及檢驗(yàn)結(jié)果

5.1 支架外觀檢驗(yàn)

支架外觀檢驗(yàn)要求、方法及結(jié)果見表1。

表1 支架外觀檢驗(yàn)要求、方法及結(jié)果

圖2 現(xiàn)場檢測圖

表2 鋼支架各構(gòu)件預(yù)拼裝允許偏差

表3 鋼支架各構(gòu)件預(yù)拼裝允許偏差檢查方法

表4 支架尺寸檢查結(jié)果

表5 支架材料壁厚檢查結(jié)果

5.2 支架尺寸偏差檢查

5.3 支架材料壁厚檢查

5.3.1 支架材料壁厚檢查要求和方法

（1）主要受力構(gòu)件的鋼板壁厚應(yīng)不小于1.5 mm。

（2）檢測方法：采用分辨率為0.05 mm 的游標(biāo)卡尺或分辨率為0.1 mm 的金屬測厚儀在桿件同一截面的不同部位測量，測點(diǎn)應(yīng)不少于5 個(gè)，并取最小值。

5.3.2 支架材料壁厚檢查結(jié)果

5.4 支架力學(xué)性能檢查

（1）支架受拉、受壓構(gòu)件的長細(xì)比限值應(yīng)不大于表6 的允許值。

表6 構(gòu)件長細(xì)比允許值

（2）在組件恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值的組合效應(yīng)下，支架受彎構(gòu)件的撓度應(yīng)不超過表7 允許值。

表7 受彎構(gòu)件撓度允許值

（3）在組件恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值的組合效應(yīng)下，支架的柱頂位移不應(yīng)大于柱高的1/60。

（4）試驗(yàn)方法

受拉、受壓構(gòu)件長度采用分辨率為1 mm 的鋼尺測量，主要受彎構(gòu)件的撓度、柱頂位移，根據(jù)荷載等級(jí)的劃分，采用靜力法測試，試驗(yàn)方法如下：

1）在光伏組件的邊框上，沿邊框平面的法線方向，施加線荷載Q，持續(xù)時(shí)間為2 min。如圖3 所示。試驗(yàn)人員觀察位移計(jì)的讀數(shù)，以及被測樣品的異常情況，并加以記錄。

圖3 正壓作用下支架變形試驗(yàn)示意圖

2）反方向施加線荷載Q，持續(xù)時(shí)間為2 min，如圖4 所示。試驗(yàn)人員觀察位移計(jì)的讀數(shù)，以及被測樣品的異常情況，并加以記錄。

圖4 負(fù)壓作用下支架變形試驗(yàn)示意圖

5.5 試驗(yàn)荷載

試驗(yàn)采用線荷載Q，與平面荷載P的關(guān)系按下式確定。

Q=P×A/L

式中：P-作用在光伏組件的平面荷載，單位為kP，取值見表8；

表8 試驗(yàn)荷載等級(jí)表

A-光伏組件邊框范圍內(nèi)的面積，單位為m2；

L-光伏組件邊框周長，單位為m。

（1）試驗(yàn)支架荷載取值

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

（2）荷載組合

1）正常使用極限狀態(tài)：

①1.0 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

②1.0 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)：

①1.3 恒+1.5×0.7 雪+1.5 正 風(fēng)=c o s 28×（1.3×0.14+1.5×0.7×0.31）+1.5×0.46=1.14 kN/m2

②1.0 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）加載方案：Q1 →Q2 →Q3

1）正向施加總荷載：

Q1=0.86×2.278×1.134×26=57.76 kN=5.8 t（測變形）；

Q2=1.14×2.278×1.134×26=76.56 kN=7.7 t（測應(yīng)力）；

Q3=1.2×2.278×1.134×26=80.59 kN=8.1 t（測荷載等級(jí)Ⅱ級(jí)時(shí)的變形和應(yīng)力）。

2）反向施加總荷載：

Q1=-0.47×2.278×1.134×26=-31.57 kN=-3.2 t（測變形）

Q2=-0.76×2.278×1.134×26=-51.04 kN=-5.1 t（測應(yīng)力）Q3=-1.2×2.278×1.134×26=-80.59 kN=-8.1 t（測荷載等級(jí)Ⅱ級(jí)時(shí)的變形和應(yīng)力）。

5.6 光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測試

5.6.1 光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測試要求

光伏支架安裝調(diào)試完畢，檢測工況符合要求。

5.6.2 測點(diǎn)布置應(yīng)符合下列規(guī)定

（1）測點(diǎn)應(yīng)具有代表性，高應(yīng)力區(qū)域、復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域、腐蝕嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)布置測點(diǎn)；

（2）傳感元件應(yīng)粘貼牢固并做好絕緣防潮處理；信號(hào)傳輸導(dǎo)線應(yīng)妥善固定，電阻值應(yīng)確保穩(wěn)定；當(dāng)信號(hào)傳輸導(dǎo)線的電阻對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響時(shí)，應(yīng)對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正。連接測量導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)保證連接處接觸電阻穩(wěn)定，并將導(dǎo)線妥善固定。檢測儀器應(yīng)置于安全且便于操作的位置。

5.6.3 測點(diǎn)布置

應(yīng)力測點(diǎn)布置：立柱（柱腳）翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；斜梁（與立柱連接位置）翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；前支撐翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；后支撐翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；檁條（支座處）翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變。具體布點(diǎn)示意圖見圖5、圖6。

圖5 應(yīng)變片布點(diǎn)示意圖

圖6 位移布點(diǎn)示意圖

5.6.4 測試工況

（1）結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力檢測

初始狀態(tài)，光伏支架停止運(yùn)行恢復(fù)初始狀態(tài)，應(yīng)力測量儀平衡并清零，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，記錄各測點(diǎn)應(yīng)力值。

（2）運(yùn)行狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試

測試狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場光伏支架運(yùn)行的具體狀況，測試光伏支架（包含但不限于上仰、平行、旋轉(zhuǎn)、下俯等工況）不同工作狀態(tài)下的應(yīng)力值，此時(shí)記錄各測點(diǎn)應(yīng)力值。

5.6.5 光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測試數(shù)據(jù)

（1）正壓應(yīng)力

應(yīng)力點(diǎn)分布從B1~B18 共18 個(gè)點(diǎn)位，逐步測試各點(diǎn)位在載荷等級(jí)3 900 kg、5 850 kg、7 650 kg、8 250 kg 狀態(tài)下的正壓應(yīng)力值，找出最大正壓應(yīng)力分布點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

（2）負(fù)壓應(yīng)力

應(yīng)力點(diǎn)分布從B1~B18 共18 個(gè)點(diǎn)位，逐步測試各點(diǎn)位在載荷等級(jí)3 150 kg、5 100 kg、8 100 kg 狀態(tài)下的負(fù)壓應(yīng)力值，找出最大負(fù)壓應(yīng)力分布點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

（3）柱頂位移

位移點(diǎn)分布在B1~B4 共4 個(gè)點(diǎn)位。先測試在正壓情況下，各點(diǎn)位在載荷等級(jí)2 190 kg、5 850 kg、7 800 kg、8 100 kg 狀態(tài)位移值；找出正壓情況下位移最大值。然后測試在負(fù)壓情況下，各點(diǎn)位在載荷等級(jí)2 190 kg、5 850 kg、7 800kg、8 100 kg 狀態(tài)位移值；找出負(fù)壓情況下位移最大值。

5.7 光伏支架檁條撓度形變測試

5.7.1 光伏支架檁條撓度形變測試要求

光伏支架安裝調(diào)試完畢，檢測工況符合要求。

5.7.2 測點(diǎn)布置應(yīng)符合下列規(guī)定

（1）測點(diǎn)應(yīng)具有代表性，位移嚴(yán)重區(qū)域、變形嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)布置測點(diǎn)；

（2）在被測支架上做好檢測標(biāo)記點(diǎn)，然后在支架實(shí)驗(yàn)場地附近找個(gè)平整合適區(qū)域。架好全站儀，設(shè)備調(diào)平，儀器清零。在設(shè)備進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)觀測標(biāo)記測點(diǎn)，并及時(shí)做好記錄。

5.7.3 測點(diǎn)布置

撓度測點(diǎn)布置：長檁條變形嚴(yán)重的位置且易于觀測的點(diǎn)，做好標(biāo)記。具體布點(diǎn)示意圖見圖7。

圖7 檁條撓度布點(diǎn)示意圖

5.7.4 檁條撓度測試數(shù)據(jù)

（1）正壓下的撓度值

根據(jù)設(shè)置好的變形測量點(diǎn)，首先在無施加荷載情況下測出變形測量點(diǎn)中部，變形測量點(diǎn)左側(cè)、變形測量點(diǎn)右側(cè)的撓度值作為基準(zhǔn)值，然后分別在載荷等級(jí)2 190 kg、5 850 kg、7 800 kg、8 100 kg 狀態(tài)下測出變形測量點(diǎn)中部，變形測量點(diǎn)左側(cè)、變形測量點(diǎn)右側(cè)的撓度值，最終計(jì)算出該點(diǎn)撓度的平均值作為該點(diǎn)的撓度值。

撓度計(jì)算公式：某點(diǎn)的撓度值=（某載荷狀態(tài)下的中部撓度值-對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值）-[（某載荷狀態(tài)下的左側(cè)撓度值-對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值）+（某載荷狀態(tài)下的右側(cè)撓度值-對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值）]/2

（2）負(fù)壓下的撓度值

測試方法與正壓下相同，施加荷載與正壓下數(shù)值相同，方向相反。

6 檢驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)此次試驗(yàn)材料；支架型式；設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)正向荷載組合、反向荷載組合；承載能力極限狀態(tài)正向荷載組合；設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)正向荷載組合、反向荷載組合；測出如下試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表9 支架力學(xué)性能檢查結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)可以看出，光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測試結(jié)果、光伏支架立柱位移結(jié)果、光伏支架撓度變測試結(jié)果等力學(xué)性能均符合規(guī)范要求。此試驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證了高強(qiáng)耐候鋼光伏支架結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性；可將此結(jié)構(gòu)型式用于生產(chǎn)制造和實(shí)際項(xiàng)目中使用；也可以作為其他光伏支架結(jié)構(gòu)型式的參考。