柔性光伏支架錨具預(yù)制性裝配的研究與應(yīng)用

詹永和，黃 莉

（江西恒能電力工程有限公司，南昌 330001）

0 引言

隨著中國(guó)提出碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，以及國(guó)家從政策方面對(duì)新能源發(fā)展做出的支持，中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)得到了進(jìn)一步推廣。為應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目激增的情況，各種場(chǎng)地類型、規(guī)格的光伏發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。停車場(chǎng)作為開(kāi)發(fā)利用前景巨大的光伏發(fā)電場(chǎng)景，具有極大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。隨著光伏發(fā)電進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代，原先停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目的光伏支架結(jié)構(gòu)形式、制造成本已無(wú)法滿足如今停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)需求。傳統(tǒng)的停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)形式是采用固定光伏支架和一般停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，但該結(jié)構(gòu)形式的高度、跨度都存在時(shí)代的局限性，立柱較多、基礎(chǔ)開(kāi)挖量大、僅能停放小型車輛等因素都制約了停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目這一巨大市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)。因此，應(yīng)運(yùn)用創(chuàng)新思維，根據(jù)不同類別應(yīng)用場(chǎng)景，探索合理的光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式和安裝方式，從而降低光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)成本。

與固定光伏支架的結(jié)構(gòu)不同，柔性光伏支架采用索結(jié)構(gòu)作為光伏組件的支撐系統(tǒng)，通過(guò)錨具與主體結(jié)構(gòu)相連?；诖?，本文以河北省長(zhǎng)安區(qū)某停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，提出該項(xiàng)目采用柔性光伏支架方案，對(duì)其索結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)方案設(shè)計(jì)中技術(shù)方案、建設(shè)成本等要點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，提出柔性光伏支架錨具預(yù)制性裝配應(yīng)用的新思路，可為今后相似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 方案概述

本文以河北省長(zhǎng)安區(qū)某12 MW 停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析。對(duì)該項(xiàng)目采用的柔性光伏支架的緊固件、主材等進(jìn)行歸納整理，結(jié)合輸變電線路金具的可靠性，提出柔性光伏支架緊固件與輸變電線路部分金具進(jìn)行等價(jià)代換的方式，即利用市場(chǎng)上成熟的輸變電線路金具，從而可以減少物資采購(gòu)、工廠生產(chǎn)的時(shí)間，同時(shí)可以提高安裝效率，極大縮短項(xiàng)目的施工周期。

針對(duì)該停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行建模，并對(duì)柔性光伏支架錨具的預(yù)制性裝配應(yīng)用進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)停車場(chǎng)所在區(qū)域的氣象資料，結(jié)合收集到的停車場(chǎng)高度、跨度、凈空等基本參數(shù)要求，在CAD 軟件中構(gòu)建停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目中某光伏方陣模型的初始框架。定義完成后，將該框架導(dǎo)入到SAP2000 有限元分析軟件中，本方案柔性光伏支架系統(tǒng)采用索結(jié)構(gòu)，在SAP2000 軟件中定義完成索單元后，采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力的施加，疊加光伏組件和索的自重、雪荷載、風(fēng)荷載，通過(guò)非線性分析后得出索結(jié)構(gòu)的最大拉力，從而確定錨具的選型。

選取該停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目中某光伏方陣進(jìn)行計(jì)算。1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光伏方陣設(shè)計(jì)安裝336 塊光伏組件，設(shè)計(jì)覆蓋26 個(gè)車位。標(biāo)準(zhǔn)光伏方陣的光伏組件平面布置如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)光伏方陣的光伏組件平面布置圖(單位：mm)Fig.1 Layout of PV modules for standard PV array (Unit：mm)

停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目柔性光伏支架系統(tǒng)的前視示意圖如圖2 所示，側(cè)視示意圖如圖3 所示。

圖2 停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目柔性光伏支架系統(tǒng)的前視示意圖Fig.2 Schematic diagram of forward looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

圖3 停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目柔性光伏支架系統(tǒng)的側(cè)視示意圖Fig.3 Schematic diagram of side-looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

2 計(jì)算模型

2.1 主要材料截面

選擇1 個(gè)三跨柔性光伏支架進(jìn)行研究，該停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目的場(chǎng)地為平地，因此可不考慮場(chǎng)地坡度對(duì)索結(jié)構(gòu)的影響。光伏陣列東西向跨度為20.1 m，光伏組件安裝傾角采用15°；索結(jié)構(gòu)凈空為6.0 m；南北向中間榀的跨度為6.6 m，南北向邊緣榀的跨度為3.3 m，邊緣榀增加支撐；所有光伏支架立柱與地面固接，主索與穩(wěn)定索通過(guò)錨具連接于主梁或立柱上，每跨內(nèi)間隔4.4 m設(shè)置一道三角錐，三角錐與三角錐之間通過(guò)圓鋼連接；設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2、基本雪壓為0.30 kN/m2，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；設(shè)計(jì)使用年限為25 年，地面粗糙度類別為B 類；設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為6 度，基本地震加速度值為0.05g，地震分組為第3 組。

主索與穩(wěn)定索均采用Φ15.2 mm 的預(yù)應(yīng)力熱鍍鋅鋼絞線；主梁采用規(guī)格為150 mm×250 mm×10 mm 的口型鋼，邊跨立柱采用規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm×6 mm 的H 型鋼，中立柱采用規(guī)格為120 mm×4.5 mm 的口型鋼，邊立柱柱間支撐采用規(guī)格為Φ114 mm×3 mm 的型鋼，三角錐采用規(guī)格為Φ40 mm×2.5 mm 的型鋼，邊立柱側(cè)邊支撐采用規(guī)格為160 mm×4 mm 的口型鋼。所有型材均采用Q345B。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

由于光伏行業(yè)通常采用的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范未對(duì)柔性光伏支架進(jìn)行相關(guān)描述，因此本停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目按照J(rèn)GJ 257—2012《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。JGJ 257—2012 中規(guī)定，索網(wǎng)、雙層索系及橫向加勁索系屋蓋的最大撓度與跨度之比自初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)之后不宜大于L/250(L為跨度)；考慮到索結(jié)構(gòu)撓度過(guò)大會(huì)給光伏組件造成隱裂等危害，需嚴(yán)格按照該規(guī)范要求控制索結(jié)構(gòu)的撓度。該停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目中柔性光伏支架的主要設(shè)計(jì)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 建立結(jié)構(gòu)分析模型

采用SAP2000 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，該軟件中有兩種方法可模擬索結(jié)構(gòu)建模，分別為修改剛度法和直接繪制索法。本項(xiàng)目的柔性光伏支架系統(tǒng)的索結(jié)構(gòu)建模采用直接繪制索法，即通過(guò)在軟件中直接繪制索的方法來(lái)繪制整個(gè)結(jié)構(gòu)分析模型。

由于光伏組件存在15°的安裝傾角，索與主梁連接的位置無(wú)法完全重合，因此建模時(shí)在該位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)約束，通過(guò)指定節(jié)點(diǎn)約束，添加“WELD”和“WELD2”兩個(gè)節(jié)點(diǎn)約束，約束類型為“BODY”。其中，“WELD”為索與邊跨主梁的連接節(jié)點(diǎn)約束，此約束限制X、Y、Z這3 個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，并且規(guī)定拼接容差，將同一根索與主梁連接的3 個(gè)節(jié)點(diǎn)歸并為1 組；“WELD2”為索與中間跨主梁的連接節(jié)點(diǎn)約束，此約束僅限制X、Z兩個(gè)方向的平動(dòng)，并且規(guī)定拼接容差，將同一根索與主梁連接的3 個(gè)節(jié)點(diǎn)歸并為1 組。立柱底部采用固接。

SAP2000 軟件中可采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力的施加。該方法中，所需的變化溫度ΔT的計(jì)算式可表示為：

式中：F為單根索所需達(dá)到的預(yù)拉力。

根據(jù)式(1)可計(jì)算得到，本項(xiàng)目中，主索的預(yù)拉力為80 kN，穩(wěn)定索的預(yù)拉力為20 kN。

3.2 荷載組合

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中的條文說(shuō)明，對(duì)于地面用光伏組件的光伏支架，當(dāng)設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度小于8 度時(shí)，可以不進(jìn)行抗震驗(yàn)算。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為6 度，所以地震荷載不參與柔性光伏支架的荷載組合，在最不利荷載中不需要考慮地震荷載。

根據(jù)GB 50797—2012 中的要求，無(wú)地震作用效應(yīng)組合時(shí)，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值S應(yīng)按式(2)進(jìn)行計(jì)算，即：

式中：γG為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)取1.0，反之取1.3；γw、γs、γt分別為風(fēng)荷載、雪荷載和溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)，本文均取1.5；ψw、ψs、ψt分別為風(fēng)荷載、雪荷載和溫度作用的組合值系數(shù)；SGk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Swk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Ssk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Stk為溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值。

本項(xiàng)目承載能力極限狀態(tài)下的荷載基本組合分別定義如下：

1)“COMB1”：1.3SGK+ 1.5Swk1+ 1.05Ssk。

2)“COMB2”：1.3SGK+ 0.9Swk+ 1.5Ssk。

3)“COMB3”：1.0SGK+ 1.5Swk2。

式中：Swk1為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(迎風(fēng))；Swk2為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(背風(fēng))。

正常使用極限狀態(tài)下的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合分別定義如下：

1)“COMB4”：1.0SGK+ 1.0Swk1+ 0.7Ssk。

2)“COMB5”：1.0SGK+ 0.6Swk+ 1.0Ssk。

3)“COMB6”：1.0SGK+ 1.0Swk2。

在SAP2000 軟件中，先定義溫度作用工況為初始工況，模擬初始預(yù)應(yīng)力情況。分析類型選擇“非線性”選項(xiàng)，并選擇“幾何非線性參數(shù)”下的“P-Δ 和大位移”選項(xiàng)。索結(jié)構(gòu)的安裝采用先張法，張拉完成后再鋪設(shè)光伏組件。在SAP2000 軟件中，用“DEAD”模擬光伏組件荷載，“接力非線性工況”選擇“溫度作用”。同理，雪荷載施加在光伏組件安裝完成后，即“接力非線性工況”選擇“DEAD”；風(fēng)荷載添加與雪荷載添加原理相同。

在添加完荷載工況后，直接在荷載工況菜單欄下添加荷載組合，即分別添加“COMB1”“COMB2”“COMB3”“COMB4”“COMB5”“COMB6”，“接力非線性工況”選擇“溫度作用”。完成后，在定義荷載組合的菜單下，直接添加已在荷載工況菜單欄中添加的荷載組合“COMB1”～“COMB6”，完成荷載組合的定義。

很多的學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)不理想有時(shí)候并不是單一的因?yàn)橹橇σ蛩?，很多時(shí)候是因?yàn)樗麄儧](méi)有一個(gè)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣導(dǎo)致的。比如做題粗心、學(xué)習(xí)浮躁、不細(xì)心等等。所以教師在輔導(dǎo)時(shí)不僅僅是講解習(xí)題，還應(yīng)該時(shí)常給學(xué)生灌輸一些好的學(xué)習(xí)習(xí)慣的思想，讓學(xué)生掌握正確的學(xué)習(xí)方法。另外對(duì)于一些學(xué)習(xí)態(tài)度上有問(wèn)題的學(xué)生，教師也要利用課后輔導(dǎo)對(duì)他們進(jìn)行心理疏導(dǎo)，多鼓勵(lì)他們。

3.3 模型分析

采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力的施加。在“荷載模式”中選擇“溫度”選項(xiàng)，主索施加的溫度為-242 ℃，穩(wěn)定索施加的溫度為-120 ℃，模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 等效降溫法得到的預(yù)應(yīng)力模擬結(jié)果Fig.4 Simulated results of prestress obtained by equivalent cooling method

在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主索、穩(wěn)定索的結(jié)構(gòu)變形圖分別如圖5、圖6 所示。圖中：“Pt Obj”表示單位；“Pt Elm”表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)；U1、U2、U3分別代表沿節(jié)點(diǎn)局部軸X、Y、Z向的平動(dòng)位移；R1、R2、R3分別代表繞節(jié)點(diǎn)局部軸X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

圖5 在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主索的結(jié)構(gòu)變形圖Fig.5 Diagram of structural deformation of main cable under action of load standard combinations in normal service limit state

圖6 在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下穩(wěn)定索的結(jié)構(gòu)變形圖Fig.6 Diagram of structural deformation of stable cable under action of load standard combinations in normal service limit state

從圖5、圖6 可以看出：在正常使用極限狀態(tài)的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主索的最大位移(即最大豎向撓度)為78.69 mm；穩(wěn)定索的最大位移(即最大豎向撓度)為74.32 mm。

經(jīng)計(jì)算分析，主索、穩(wěn)定索均采用Φ15.2 mm 鋼絞線，可滿足使用要求，即主索的初始預(yù)應(yīng)力為80 kN，穩(wěn)定索的初始預(yù)應(yīng)力為20 kN。

在承載能力極限狀態(tài)的荷載基本組合作用下，主索的最大內(nèi)力(即最大拉力)為116.955 kN。根據(jù)JGJ 257—2012[1]的要求，索的抗拉力設(shè)計(jì)值F1需按式(3)計(jì)算，即：

式中：Ftk為索的極限抗拉力標(biāo)準(zhǔn)值；γR為索的抗拉力分項(xiàng)系數(shù)，本文取2.0。

Φ15.2 mm 鋼絞線的極限抗拉力標(biāo)準(zhǔn)值為260.400 kN，根據(jù)式(3)可計(jì)算得到，其抗拉力設(shè)計(jì)值為130.200 kN。而主索的最大拉力為116.955 kN，小于索的抗拉力設(shè)計(jì)值。

表2 索結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of prestressing force in cable structures

4 錨具的選擇

4.1 錨具類型的選擇

錨具類型需要按照J(rèn)GJ 257—2012[1]和JGJ 85—2010《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[3]中的要求進(jìn)行選擇。

JGJ 257—2012[1]中第4.3 章關(guān)于錨具的具體規(guī)定為：索的常用錨具及連接的構(gòu)造形式應(yīng)滿足安裝和調(diào)節(jié)的需要；鋼絲束、鋼絲繩索體采用熱鑄錨具或冷鑄錨具；鋼絞線索體可采用夾片錨具，也可采用擠壓錨具或壓接錨具；承載低應(yīng)力或動(dòng)荷載的夾片錨具應(yīng)有防松裝置。

JGJ 85—2010[3]中關(guān)于錨具的具體規(guī)定如表3 所示。

表3 JGJ 85—2010 中關(guān)于錨具的具體規(guī)定Table 3 Specific regulations for anchors in JGJ 85—2010

根據(jù)上述2 個(gè)規(guī)范要求，本方案創(chuàng)新性地采用輸電線路金具(擠壓錨具)替換柔性光伏支架系統(tǒng)索結(jié)構(gòu)的錨具是滿足規(guī)范要求的。

4.2 輸電線路金具的受力分析

根據(jù)SAP2000 軟件輸出的計(jì)算結(jié)果，本方案柔性光伏支架系統(tǒng)索結(jié)構(gòu)的主索及穩(wěn)定索均采用Φ15.2 mm 鋼絞線；配套錨具采用輸電線路金具(即楔形線夾)。不同型號(hào)楔形線夾的主要參數(shù)如表4 所示。

表4 不同型號(hào)楔形線夾的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of different types of wedge clamps

從表4 可以看出：根據(jù)廠家提供的資料，型號(hào)為NX-3 的楔形線夾的破壞荷載為143 kN，型號(hào)為NX-4 的楔形線夾的破壞荷載為164 kN，均可滿足使用要求。

5 大跨度柔性光伏支架錨具預(yù)制性裝配的應(yīng)用前景

在當(dāng)前的應(yīng)用市場(chǎng)上，柔性光伏支架多應(yīng)用于建在停車場(chǎng)、污水處理廠，以及復(fù)雜山地場(chǎng)景的光伏發(fā)電項(xiàng)目中。本文以停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目為應(yīng)用場(chǎng)景，在索結(jié)構(gòu)安裝的部分提出錨具預(yù)制性裝配應(yīng)用這一新思路。經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，采用輸電線路金具可以充當(dāng)索結(jié)構(gòu)的錨具，并且輸電線路金具在國(guó)家電網(wǎng)幾十年的發(fā)展中已經(jīng)趨于完善，擁有完整的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)業(yè)鏈。以往采用柔性光伏支架的項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)方案完成后，需尋求錨具廠家針對(duì)項(xiàng)目所用錨具進(jìn)行開(kāi)模，而此過(guò)程通常需要15～30 天的周期；若直接通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算后選擇相應(yīng)的輸電線路金具，廠家無(wú)需開(kāi)模，可直接供應(yīng)產(chǎn)品，將極大地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，從而縮短了光伏發(fā)電項(xiàng)目的施工周期，并可降低光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)成本。

6 結(jié)論

本文以河北省長(zhǎng)安區(qū)某停車場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目采用柔性光伏支架方案，通過(guò)建立模型對(duì)其索結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，提出錨具預(yù)制性裝配應(yīng)用的新思路，并對(duì)通常采用的索結(jié)構(gòu)錨具與輸電線路金具(擠壓錨具)進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，采用輸電線路金具可以充當(dāng)索結(jié)構(gòu)的錨具，從而減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間，縮短了光伏發(fā)電項(xiàng)目的施工周期，并降低了項(xiàng)目的建設(shè)成本。

在過(guò)去十幾年的時(shí)間內(nèi)，中國(guó)光伏電站蓬勃發(fā)展，為助力光伏行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，各種形式的光伏支架層出不窮，柔性光伏支架在目前應(yīng)用市場(chǎng)的熱度也在持續(xù)增高，不少傳統(tǒng)光伏支架的生產(chǎn)企業(yè)已轉(zhuǎn)入柔性光伏支架的研發(fā)與改進(jìn)中，而索結(jié)構(gòu)錨具的預(yù)制性裝配應(yīng)用將使縮短施工周期這一目標(biāo)成為可能。