高強耐候鋼新型光伏支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

摘 要：高強耐候鋼是一種新型的光伏支架結(jié)構(gòu)材料，具備獨特的耐腐蝕性、高強性、環(huán)保性和經(jīng)濟性。通過對高強耐候鋼光伏支架實際案例開展結(jié)構(gòu)受力分析與復(fù)核，提出幾點結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路和舉措，通過采用優(yōu)化措施，相較于優(yōu)化前，光伏支架用鋼量由33.0 t/MW降至31.7 t/MW；相較于傳統(tǒng)鋼材光伏支架，用鋼量降低了約16.6%，實現(xiàn)了降低用鋼量的目的，這表明高強耐候鋼應(yīng)用于光伏支架時具有節(jié)約用材、降低造價的優(yōu)勢。同時闡述了該新型支架材料在應(yīng)用過程中存在的不足及面臨的挑戰(zhàn)，為高強耐候鋼光伏支架在光伏行業(yè)中的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高強耐候鋼；光伏支架；結(jié)構(gòu)復(fù)核；設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

在“雙碳”目標背景下，光伏發(fā)電作為中國重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展前景極為廣闊。光伏支架是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對光伏支架的創(chuàng)新設(shè)計提出了更高的要求。當前，中國光伏電站較多采用的是固定式光伏支架，其結(jié)構(gòu)主材普遍為熱浸鍍鋅鋼或鍍鋅鋁鎂鋼。但這兩種鋼材的鍍層工藝復(fù)雜，不僅污染環(huán)境，而且生產(chǎn)周期長，影響項目施工進度，此外，鋼材表面鍍層的后期維護成本也較高[1]。而高強耐候鋼憑借其獨特的耐候性、高強性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢，在光伏支架中的應(yīng)用日益增多。本文結(jié)合工程案例，對高強耐候鋼新型光伏支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，為高強耐候鋼光伏支架在光伏產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1" 高強耐候鋼概述

鋼結(jié)構(gòu)光伏支架設(shè)計必須根據(jù)所處的環(huán)境條件進行相應(yīng)的耐久性設(shè)計，傳統(tǒng)的鍍鋅防腐工藝往往無法滿足鋼結(jié)構(gòu)光伏支架的設(shè)計使用年限要求，因此，如何保障此類光伏支架在設(shè)計使用年限內(nèi)達到預(yù)期防腐蝕效果，成為了當前的光伏產(chǎn)難點。

高強耐候鋼作為一種新型光伏支架材料，以其優(yōu)異的耐候性、強度、環(huán)保性，被認為是光伏支架結(jié)構(gòu)的理想材料。高強耐候鋼是通過在鋼中添加少量的合金元素，比如：銅（Cu）、磷（P）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等，使材料表面在大氣環(huán)境下形成1層致密的保護層，有效阻止大氣中氧氣和水分子滲入材料基體，減緩了銹蝕向鋼內(nèi)部發(fā)展，從而提高其耐大氣腐蝕能力[2]。高強耐候鋼具有高強度特性，其屈服強度通常不低于420 MPa[3]，且其較高的設(shè)計強度指標可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，便于運輸安裝。同時，在面對極端工況時高強耐候鋼光伏支架具備較大的承載能力，可在一定程度上降低災(zāi)損。

地面集中式光伏電站多建設(shè)于開闊的沙漠、戈壁、荒地、鄉(xiāng)村及城鄉(xiāng)結(jié)合部，這些地區(qū)的大氣腐蝕性等級評估通常為C1～C3級[4]，高強耐候鋼在該環(huán)境下可免涂防腐層（但建議考慮一定的腐蝕裕量[5]）；且此類鋼材可減少防腐材料消耗，降低后期運維成本，同時減少碳排放，是一種節(jié)能、環(huán)保、綠色的鋼材。與傳統(tǒng)鍍鋅鋼材相比，高強耐候鋼在造價方面也表現(xiàn)出一定優(yōu)勢。

因此，從技術(shù)創(chuàng)新、安全可靠、造價經(jīng)濟、環(huán)境友好方面來看，高強耐候鋼在光伏支架應(yīng)用方面具有廣闊前景。

2" 高強耐候鋼光伏支架結(jié)構(gòu)復(fù)核與優(yōu)化設(shè)計

以云南省某山地光伏電站所采用的高強耐候鋼光伏支架為實際案例，對案例中光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案開展結(jié)構(gòu)復(fù)核與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究工作。

2.1" 原設(shè)計方案

在原光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，采用的是單立柱固定式光伏支架，立柱間距為4.2 m，單塊光伏組件的尺寸為2278 mm×1134 mm、自重為32 kg、安裝傾角為20°，光伏組件按“2×13”豎向雙排方式布置于光伏支架上，光伏組件下緣離地高度為2.5 m，光伏支架結(jié)構(gòu)的平面圖和立面圖如圖1所示。該光伏電站所在地的25年一遇基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，不考慮雪壓，基本地震動峰值加速度為0.15g，光伏支架結(jié)構(gòu)安全等級為3級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0.95，光伏支架基礎(chǔ)形式為直徑0.3 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，出土高度為0.5 m，地下部分樁長為2 m。

原設(shè)計方案光伏支架主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q690GNH鋼，構(gòu)件截面以卷邊C型截面為主，具體截面規(guī)格如表1所示。

2.2" 結(jié)構(gòu)復(fù)核

本研究中光伏支架結(jié)構(gòu)復(fù)核采用同濟大學(xué)研發(fā)的3D3S軟件，該軟件內(nèi)置中國光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，與工程實踐的契合度較高。復(fù)核過程中所構(gòu)建的模型嚴格遵循原設(shè)計方案中的約束條件、幾何參數(shù)及材料屬性，復(fù)核模型如圖3所示。

由于光伏支架基礎(chǔ)的剛度遠大于光伏支架立柱剛度，為簡化計算，本研究不考慮光伏支架結(jié)構(gòu)、光伏支架基礎(chǔ)及土體之間的共同作用，將立柱底部簡化為固定支座，光伏支架的節(jié)點連接部位按鉸接考慮。高強耐候鋼材料設(shè)計強度取值參考高強耐候鋼廠家資料及JGJ/T 483—2020《高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》，風(fēng)荷載取值、荷載組合及相關(guān)復(fù)核指標等均執(zhí)行現(xiàn)行中國光伏支架的最新技術(shù)標準[6-7]。光伏支架主要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件（共72根）強度應(yīng)力比和穩(wěn)定應(yīng)力比占比的分布圖如圖3所示。

由圖3可知：所有構(gòu)件的強度應(yīng)力比和穩(wěn)定應(yīng)力比均小于1.0，滿足規(guī)范要求，但絕大多數(shù)構(gòu)件的應(yīng)力比偏低。強度應(yīng)力比低于0.4以下的構(gòu)件共68根，占比約為94%，主要是前斜支撐、后斜支撐、斜梁、上立柱等部位；強度應(yīng)力比大于0.4的構(gòu)件共4根，主要是下立柱、檁條等部位；穩(wěn)定應(yīng)力比低于0.4的構(gòu)件共52根，占比約為72%，主要是前斜支撐、后斜支撐、斜梁、上立柱等部位；穩(wěn)定應(yīng)力比大于0.4的構(gòu)件共20根，主要是下立柱、檁條等部位，其中檁條的弱軸穩(wěn)定應(yīng)力比達到0.8以上。復(fù)核結(jié)果表明，原光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計基本滿足國內(nèi)規(guī)范對其承載力、剛度、變形等相關(guān)技術(shù)指標的要求。

由于高強耐候鋼材料的高強特性，其屈服強度為傳統(tǒng)光伏支架結(jié)構(gòu)用鋼材的2～3倍，表現(xiàn)為構(gòu)件強度應(yīng)力比整體偏低，材料性能未能充分利用。由于工程設(shè)計時構(gòu)件往往采用輕薄的截面，導(dǎo)致構(gòu)件穩(wěn)定性問題較為突出，因此，構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力比、長細比、截面局部穩(wěn)定性等將成為截面優(yōu)化的控制因素。

為驗證上述計算結(jié)果的合理性，采用了中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)的PKPM軟件建模計算進行對比驗證，驗證結(jié)果表明兩款軟件的計算結(jié)果誤差在工程允許范圍之內(nèi)，說明3D3S軟件的計算結(jié)果可信，此處不再贅述。

2.3" 光伏支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

2.3.1" 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

單立柱光伏支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要手段之一是優(yōu)化立柱間距，優(yōu)化目標為：實現(xiàn)檁條內(nèi)力分布更加均勻、平滑；使連續(xù)處負彎矩與跨中正彎矩較為接近，避免支座處反力過大；使豎向力傳遞到基礎(chǔ)的反力更加均勻，從而有效調(diào)節(jié)基礎(chǔ)不均勻受力問題，對優(yōu)化設(shè)計樁長及不均勻沉降均有一定程度改善。

通過多次試算得出：適當縮小立柱間距，增加懸挑邊跨與跨中的比值，可顯著改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分布更加均勻、平滑。在本項目中，將立柱間距調(diào)整為4 m（等間距），邊跨與跨中比值設(shè)為0.37，一是為了滿足當?shù)毓夥l(fā)電項目用地政策中立柱間距不小于4 m的要求，同時統(tǒng)一跨度便于現(xiàn)場施工；二是繼續(xù)縮小柱間距會增大兩端懸挑長度，脈動風(fēng)作用下會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形及振動加劇，不利于光伏組件安全穩(wěn)定運行。

通過對比優(yōu)化前、后光伏支架檁條指標計算結(jié)果，可以看出優(yōu)化成效很明顯，具體結(jié)果如表2所示。

對光伏支架立柱斜支撐布置位置進行優(yōu)化研究。當前、后斜支撐下端位置下移0.8 m時，斜支撐的軸向力相比原設(shè)計方案下降約19%。但對單立柱光伏支架而言，這種調(diào)整無法改變立柱底部的受力狀態(tài)，斜支撐下移反而會增加其長度和截面積，造成經(jīng)濟性降低；除非將斜支撐下端設(shè)置于基礎(chǔ)頂部，才可改善立柱受力狀態(tài)，并大幅降低樁頂水平力及彎矩作用值。基于以上分析，本次優(yōu)化設(shè)計不考慮斜支撐布置位置優(yōu)化，仍維持原斜支撐布置位置。

檁條間距及斜梁布置方式受光伏組件安裝位置的制約，結(jié)構(gòu)布置上可優(yōu)化的空間較小，因此本研究中維持檁條、斜梁的結(jié)構(gòu)布置方式。

2.3.2" 構(gòu)件截面大小優(yōu)化思路

在本案例中，構(gòu)件截面類型基本合理，因此不作改動。根據(jù)結(jié)論復(fù)核結(jié)果可知，除檁條外，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比均處于較低的狀態(tài)，因此多數(shù)構(gòu)件截面存在優(yōu)化空間。由于立柱間距優(yōu)化改善了立柱、檁條內(nèi)力分布，內(nèi)力絕對值下降，檁條計算長度降低，可適當縮小二者的截面積。具體優(yōu)化思路為：前、后斜支撐作為軸向受力構(gòu)件，其應(yīng)力比較低，主要通過控制其長細比優(yōu)化截面；斜梁作為多支點支撐連續(xù)梁，跨度較小，內(nèi)力、應(yīng)力比通常也較低，通常以撓度控制，本研究也按撓度控制優(yōu)化截面。

2.3.3" 構(gòu)件截面局部穩(wěn)定構(gòu)造優(yōu)化思路

在本案例中，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件部分均采用加勁板件，受成本限制，板厚較薄，導(dǎo)致構(gòu)件局穩(wěn)性問題較為突出。為提高截面塑性發(fā)展能力，從構(gòu)造上降低截面局部屈曲和畸變屈曲出現(xiàn)的可能性，從而提高截面極限承載力，按照有關(guān)規(guī)定[8]，對構(gòu)件卷邊尺寸進行了優(yōu)化。

2.3.4" 截面優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化原則及思路，對主要構(gòu)件進行優(yōu)化，控制目標為：構(gòu)件應(yīng)力比不超過0.85（維持原設(shè)計裕度），受壓構(gòu)件長細比不超過180，水平受彎構(gòu)件撓度不超1/250L（L為水平受彎構(gòu)件的幾何跨度），豎向受彎構(gòu)件撓度不超1/60H（H為豎向受彎構(gòu)件的幾何高度）。需要說明的是，項目所在地的大氣腐蝕性等級按C2級考慮，構(gòu)件截面腐蝕厚度按單面0.1 mm考慮（此部分不計入受力分析及結(jié)構(gòu)構(gòu)造），且本次優(yōu)化暫不考慮腐蝕裕量問題（案例設(shè)計中無腐蝕厚度及腐蝕裕量相關(guān)說明），優(yōu)化后構(gòu)件截面選型如表3所示，優(yōu)化后構(gòu)件應(yīng)力比占比如圖4所示。

相較于優(yōu)化前光伏支架的用鋼量（33.0 t/MW，含斜支撐、拉條、連接件、緊固件等所有配件），優(yōu)化后用鋼量為31.7 t/MW，下降3.9%，每兆瓦可節(jié)約用鋼量1.3 t，節(jié)約建安費1.1萬元。相較于該地區(qū)的傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)單立柱光伏支架，優(yōu)化后光伏支架的用鋼量僅為83.4%，節(jié)約用鋼量優(yōu)勢突出，且每兆瓦可節(jié)約建安費7.25萬元，經(jīng)濟效益明顯。

3" 思考與建議

1）高強耐候鋼作為一種新型光伏支架結(jié)構(gòu)材料，其獨特的外觀顏色尚未被廣泛認知和接受，這使應(yīng)用者存在一定顧慮。建議國家層面制定有關(guān)政策進行宣傳和推動該新型綠色鋼材在光伏支架領(lǐng)域的應(yīng)用。

2）光伏支架屬于小型構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)受力相對較小，部分構(gòu)件受力受構(gòu)造措施控制，未能充分發(fā)揮材料性能。建議根據(jù)不同部位構(gòu)件受力需要，適當降低鋼材牌號，節(jié)約投資。

3）中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準在構(gòu)件穩(wěn)定性計算中，部分參數(shù)修正基于低強度鋼材牌號，導(dǎo)致高強度鋼結(jié)構(gòu)的計算應(yīng)力偏高，與實際情況不符。建議對相關(guān)規(guī)范進行修訂以適應(yīng)高強度鋼材規(guī)?；瘧?yīng)用的趨勢。

4）光伏支架檁條是極端天氣下事故高發(fā)部位，其穩(wěn)定性問題是光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計難點之一，而檁條計算長度的選取在光伏支架設(shè)計中起著關(guān)鍵作用。光伏組件蒙皮效應(yīng)對檁條平面外支撐的貢獻作用目前尚未得到體現(xiàn)，建議設(shè)計時按照傳統(tǒng)方法，設(shè)置檁條平面外支撐與拉條，減小檁條計算長度，確保極端工況下檁條的整體穩(wěn)定性。

5）高強耐候鋼的腐蝕機制較為復(fù)雜，其在不同使用環(huán)境下的腐蝕厚度和腐蝕裕量的取值較難確定，過于保守會造成工程經(jīng)濟收益差，過于冒進則可能影響其在光伏支架全壽命周期內(nèi)的正常使用，這也是高強耐候鋼光伏支架在大范圍應(yīng)用前所面臨的最大挑戰(zhàn)。

4" 結(jié)論

高強耐候鋼因具有耐腐蝕性、高強性、環(huán)保性和較好的工程經(jīng)濟性，已在光伏行業(yè)嶄露頭角。本文對高強耐候鋼光伏支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進行了研究，得出結(jié)論：相較于優(yōu)化前，光伏支架用鋼量由33.0 t/MW下降至31.7 t/MW，用鋼量降低了約3.9%；相較于傳統(tǒng)鋼材光伏支架，采用此種鋼材后，光伏支架用鋼量降低了約16.6%，優(yōu)勢突出，經(jīng)濟效益顯著。另外，為了促進高強耐候鋼光伏支架的廣泛應(yīng)用，提出了建議：應(yīng)用時應(yīng)充分考慮不同使用環(huán)境的適應(yīng)性，合理確定抗腐蝕設(shè)計參數(shù)，切不可盲目使用；國家層面盡快制定和完善高強耐候鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準體系，為高強耐候鋼光伏支架應(yīng)用空間不斷壯大提供必要的技術(shù)先決條件。

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OPTIMIZATION STUDY ON STRUCTURAL OF NEW PV BRACKET WITH HIGH-STRENGTH ATMOSPHERIC CORROSION

RESISTING STEEL

Peng Guotao1，Wei Pengfei1，Wang Yong1，Yang Mingyu2，Zhang Rongsheng3

（1. SPIC Yunnan International Power Investment Co.，Ltd.，Kunming 650228，China；

2. School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China；

3. Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan 316021，China）

Abstract：High-strength atmospheric corrosion resisting steel is a new type of PV bracket structural material，with unique corrosion resistance，high strength，environmental protection and economy. Through the structural stress analysis and review of the actual case of high-strength atmospheric corrosion resisting steel PV bracket，several structural optimization ideas and measures are put forward to achieve the purpose of reducing the amount of steel used. By adopting optimization measures，the steel consumption of PV brackets has decreased from 33.0 t/MW to 31.7 t/MW compared to before optimization. Compared with traditional steel PV brackets，the steel consumption has been reduced by about 16.6%，achieving the goal of reducing steel consumption. This indicates that high-strength atmospheric corrosion resisting steel has the advantages of saving materials and reducing costs when applied to PV brackets，and at the same time，the shortcomings and challenges of the new bracket material in the application process are described. To provide reference and reference for the promotion and application of high-strength atmospheric corrosion resisting steel PV bracket in PV power industry.

Keywords：high-strength atmospheric corrosion resisting steel；PV bracket；structural review；optimal design