柔性光伏支架结构特性分析 及其优化设计

随着社会能源日益枯竭，太阳能等新能源的利用倍受关注[1-3].近年来，我国的光伏太阳能产业不断发展.其中，分布式光伏发电能够因地制宜，充分发挥太阳能资源，具有较高的经济性和投资价值[4]，所以，分布式光伏太阳能发电项目在国内蓬勃发展.在优质土地资源日益紧张的情况下，传统光伏支架因占地面积大、场地平整度要求高、土地无法二次利用[5-6]等原因，建设发展受到限制.而柔性光伏支架仅支撑结构占用土地面积，对场地面积要求较低，能广泛应用于各类复杂地形.该支架采用索进行承重，索承重结构拥有较好的力学性能[7-8]，能够进行大跨度张拉.目前，索承重的结构较多应用于桥梁结构中[9-11]，对索承重结构的研究也日益成熟[12-17]，如果选择采用承重索的单层钢结构，承重索可以跨越山川、荒漠等复杂地形，在索上铺设光伏太阳能设备.柔性光伏支架造价相对较低，且能充分利用空间资源和太阳能资源，因此，具有良好的经济效益.该支架结构与传统的结构受力特点不同，由于需要对承重索进行预应力张拉，以形成大跨度索承重柔性支架，因此，钢梁除了需要承受竖向荷载还需要承受较大的水平荷载.目前，已有学者对此类结构进行研究[18-19].然而，我国采用柔性支架的光伏发电项目还处于起步阶段，实际的案例不多，还未大规模应用于水塘、林地等复杂地形.因此，本文研究3种不同水平力承载构件结构形式的力学特性，并探讨水平力承载构件与地面倾角的变化对结构受力性能的影响.

1 柔性光伏支架结构特性分析

柔性光伏支架指的是由柔性承重索、钢立柱、钢斜柱或斜拉索、钢梁及基础组成的一种支架，具有结构简单、材料使用较少、质量轻、建设周期短等传统支架所缺乏的优点[20].柔性光伏支架的承重索采用钢绞线等柔性组件，此类柔性组件具有弹性模量大、松弛率低、强度高等优点，能够进行大跨度张拉，从而规避场地的起伏等不利因素.因而，柔性光伏支架能因地制宜，受地形地貌的限制条件少.

与主要承受竖向荷载的普通刚性支架受力特点不同，柔性光伏支架采用的承重索需要进行预应力张拉，形成一定的刚度以铺设光伏组件.张拉的承重索索力会对支架产生较大的水平荷载.此外，承重索传给柱顶的水平拉力会使基础产生较大的剪力和拉拔力.因此，考虑采用何种类型的水平力承载构件承担水平力，以达到受力合理且对基础要求最低，是设计的要点.

水平力承载构件有3种形式:在柱顶处配备斜拉索；在柱顶单侧处设置钢斜柱；在柱顶处设置八字形钢斜柱.不同形式的柔性光伏支架结构受力图,如图1所示.图1中：L为水平力承载构件的长度.

(a) 斜拉索 (b) 钢斜柱 (c) 八字形钢斜柱
图1 不同形式的柔性光伏支架结构受力示意图
Fig.1 Mechanical diagrams of different types of flexible photovoltaic support structure

2 柔性光伏支架结构参数分析及优化

2.1 结构参数

模型结构跨度为71.30 m，柱高为2.95 m，边跨柱距为3.95 m，中跨分别为4.25,4.10 m；承重索采用直径20 mm的镀锌钢绞线，其强度为1 670 MPa；钢梁采用尺寸为300 mm×10 mm的方钢管，材质为Q235-B；钢梁下方钢柱采用尺寸为250 mm×10 mm的方钢管，材质为Q235-B；柱顶采用加劲肋进行局部加强.结构的荷载考虑了结构的自重，并由程序自动计算，承重索张拉力为88 kN.有限元计算模型中，承重索采用桁架单元进行模拟，并通过施加初张力模拟承重索的张拉力，计算模型中，考虑了几何非线性.在自重作用下，承重索的张拉力确实不是水平作用，由于存在垂度，柱顶承重索的拉力与水平线有一定的角度.实际光伏支架结构承重索张拉之后，垂度较小，索与水平线的夹角很小，因此，文中忽略该夹角对计算结果的影响.根据模型计算结果进行分析，从而得出不同结构形式及承载水平力的构件与地面倾角变化对水平力承载构件受力情况的影响规律，以达到对结构最优选型.

2.2 斜拉索倾斜度变化对斜拉索内力的影响

采用斜拉索的柔性光伏支架结构及其有限元模型，如图2所示.图2中：θ为倾角.在钢立柱外侧采用斜拉索,以保证钢柱的侧向稳定性.有限元模型中,考虑承重索张拉施工过程的影响，承重索从中间往两边对称张拉.

(a) 结构示意图 (b) 整体示意图 (c) 有限元模型
图2 采用斜拉索的柔性光伏支架结构及其有限元模型
Fig.2 Flexible photovoltaic support structure with cable and its finite element model

(a) 内力变化

斜拉索截面直径为45 mm，在其他条件不变的情况下，通过调整斜拉索与地面的倾角，分析结构受力的变化,如图3所示.图3中：F为水平力承载构件内力.

(b) 水平分力变化 (c) 竖向分力变化
图3 不同倾角下斜拉索的应力变化
Fig.3 Stress variation of stay cables at different angles

由图3(a)可知：随着斜拉索倾角的增大，斜拉索内力逐渐增大；当倾角θ为20°～40°时，斜拉索内力随着倾角的增大而逐渐增大，增大的幅值不到1.0%，变化数值较小；当θ>40°时，倾角越大，斜拉索内力增加明显，每增大5°，内力增量越大，已超过1.0%.由于考虑了承重索张拉施工顺序的影响，后张拉索力会对已张拉承重索的索力产生影响，使承重索的预张力发生损失.当斜拉索与水平向倾角较小时，随着倾角的减小，斜拉索长度变长，斜拉索的总伸长量增加，柱顶的侧向变形增大，导致承重索的预应力损失增大，所以承重索的水平力减小，故而斜拉索的水平分力随着倾角减小而减小；当斜拉索与水平向倾角增大到一定程度时，随着倾角的增加，钢立柱和斜拉索的抗侧刚度减小，柱顶侧向位移增大，承重索的预应力损失增大，而斜拉索的水平分力随着倾角的增大而减小.

由图3(b)可知：斜拉索的水平分力出现先增大、后减小的现象.由图3(c)可知：当倾角θ为60°时，斜拉索产生的竖向荷载比25°斜拉索产生的竖向荷载增加3倍，杆件内力的竖向分力显著增加.

因此，当现场斜拉索锚固条件不受约束时，可以选择较小的倾角.设计时，除了要合理设计水平力承载构件，还要综合考虑水平力承载构件产生的竖向荷载对基础的影响.

2.3 钢斜柱倾斜度变化对钢斜柱内力的影响

柔性光伏支架的水平力承载构件由斜拉索改为钢斜柱，钢斜柱采用HM194×150×6×9型钢，其余条件保持不变，其结构示意图，如图4所示.

(a) 结构示意图 (b) 整体示意图
图4 采用钢斜柱的柔性光伏支架结构和整体示意图
Fig.4 Structural and whole diagram of flexible photovoltaic support structure with inclined steel column

通过调整钢斜柱与水平面的倾角θ，分析结构的内力变化,结果如图5所示.不同倾角下钢立柱的轴向拉力变化，如图6所示.不同倾角下钢斜柱的临界荷载系数(μ)变化，如图7所示.

(a) 内力变化

(b) 水平分力变化 (c) 竖向分力变化
图5 不同倾角下钢斜柱的应力变化
Fig.5 Stress variation of steel inclined columns at different angles

图6 不同钢斜柱倾角下钢立柱的轴力变化
图7 不同倾角下钢斜柱的临界荷载系数变化
Fig.6 Variation of axial tension of steel column at different angles Fig.7 Variation of critical load coefficient of inclined columns at different angles

对于采用单侧钢斜柱的柔性光伏支架结构，钢斜柱与水平倾角θ的变化会使结构内力也产生较大的变化.由图5(a)可知：水平力承载构件钢斜柱的内力随着倾角的增加，内力的数值从437 kN增大到776 kN，增大近一倍.由图5(b)可知：倾角的变化对钢斜柱的水平分力影响不明显.结合图5(a)，(c)可知：钢斜柱与地面的倾角变化对钢斜柱竖向分力的影响明显，钢斜柱竖向分力在数值上从开始的149 kN增长到672 kN，增加了3.5倍.

由图6可知：钢斜柱产生的竖向分力由钢立柱的竖向内力平衡，由于钢斜柱产生的竖向分力较大，此时的钢立柱产生轴向拉力;当钢立柱竖向承载构件的轴向拉力过大时，对下部基础产生拉拔作用，不利于结构受力.

由图7可知：当倾角θ过小时，如小于25°，因钢斜柱的长度增大而失稳临界荷载会降低.

综上可知，在场地不受限制时，钢斜柱与水平倾角θ可取偏小值，钢斜柱能承担较大水平分力，且竖向分力较小，结构失稳临界荷载较大，结构较为合理.

2.4 八字型钢斜柱倾斜度变化对钢斜柱内力的影响

柔性光伏支架水平力承载构件采用八字形钢斜柱，外侧钢斜柱受拉，内受压，内、外侧的钢斜柱均采用HM194×150×6×9型钢，其余条件不变，其结构示意图，如图8所示.

(a) 结构示意图 (b) 整体示意图
图8 采用八字形钢斜柱的柔性光伏支架结构和整体示意图
Fig.8 Structural and whole diagram of flexible photovoltaic support with splayed inclined steel columns

(a) 内力变化

(b) 水平分力变化 (c) 竖向分力变化
图9 不同倾角下受压钢斜柱的内力变化
Fig.9 Internal force variation of compressive steel inclined columns at different angles

(a) 内力变化

(b) 水平分力变化 (c) 竖向分力变化
图10 不同倾角下受拉钢斜柱的内力变化
Fig.10 Internal force variation of tensile steel inclined columns at different angles

通过调整不同侧的钢斜柱与地面倾角分析钢斜柱的内力变化情况，结果如图9,10所示.受压钢斜柱不同倾角下的临界荷载系数变化,如图11所示.

由图9(a)，10(a)可知：对于八字形的钢斜柱，不论是受压钢斜柱还是受拉钢斜柱，其内力都会随着钢斜柱与地面夹角θ的增大而增加，但起始阶段增加平缓;随着钢斜柱倾角进一步增大，其内力增加越迅速.由图9(b)可知：当倾角从30°增大到50°时，受压钢斜柱的水平分力在数值上随倾角近似线性增加，而在该范围外变化平缓.

结合图9,10可知：当倾角θ从20°增大到60°时，水平力承载构件内力的变化明显，增加量接近一倍，但并没有明显增大构件对水平力的承担，而构件的竖向分力却大幅增加.

由图11可知：当倾角θ过小时，钢斜柱内力较小；当长度过长时，构件的失稳临界荷载降低.

图11 受压钢斜柱不同倾角下的 临界荷载系数变化
Fig.11 Variation of critical load of compressive inclined column at different angles

综上可知，当θ约为45°时，钢斜柱长度和竖向分力相对较小，且结构失稳临界荷载较大，结构较为合理.

2.5 讨论与分析

3种不同结构形式的水平力承载构件的内力都随着构件与地面的倾角θ的增大而增大，且倾角越大，在相同角度增量的情况下，内力的增加量越大.但对于水平力承载构件承担的水平力，仅在一定的角度范围内平缓增加，而构件内力的竖向分力随着倾角的增大而增加，且增幅明显.当现场斜拉索锚固条件不受约束时，斜拉索加钢立柱结构形式的水平力承载构件与地面的倾角θ越小，受力越合理.结合图3,5可知：在倾角相同的情况下，对于采用斜拉索和单侧采用钢斜柱的柔性光伏支架，其水平力承载构件的内力在数值上相近，斜拉索从结构外侧以拉力的形式承担水平力，而钢斜柱是在结构内侧以构件受压的形式承担水平力.

八字形的钢斜柱能以两根斜柱的形式分别承担水平力，此时，八字形钢斜柱在结构外侧的钢斜柱产生拉力，在内侧的另一根钢斜柱产生压力，内、外两侧杆件的内力数值相近.产生不同内力数值的原因是在模拟时，考虑了结构的自身重力，自重的竖向荷载会降低受拉钢斜柱的拉力，增大受压钢斜柱的压力.所以，在数值上，受压钢斜柱的内力会比受拉钢斜柱的内力更大.由于采用八字形钢斜柱的柔性光伏支架是从结构内、外两侧钢斜柱平衡水平力，所以，八字形钢斜柱的内力约为斜拉索和单侧采用钢斜柱内力的一半.八字形的两根钢斜柱能够较均匀的分担张拉承重索所产生的水平力，且受拉钢斜柱的竖向分力相对单侧采用钢斜柱的结构形式小，因此，结构受力更为合理.

从对下部结构的受力影响情况分析可知，单侧采用钢斜柱的结构形式的钢斜柱是以受压的形式承担水平力，而斜拉索是以索拉力的形式承担，所以，钢斜柱会对基础产生压力，而采用斜拉索作为水平力承载构件的结构则会对基础产生拉力.在相同的地质条件下，基础的受压性能比受拉性能好，所以，采用钢斜柱的柔性光伏支架比采用斜拉索的柔性光伏支架对基础要求更低.而采用八字形钢斜柱的柔性光伏支架的单根柱在内力数值上约为采用斜拉索和单侧采用钢斜柱的一半，所以，对基础的要求最低.

3 结论

针对采用不同形式的水平力承载构件的柔性光伏支架进行分析，对比3种不同水平力承载结构形式的受力特点，研究水平力承载构件与地面倾角的变化对结构力学行为的影响，得到以下2个结论.

1) 当水平力承载构件与水平倾角在20°～60°范围内，在场地拉索锚固条件不受限制时，斜拉索加钢立柱结构形式的倾角越小，结构受力越合理.单侧采用钢斜柱的结构形式，当场地空间不受限制时，钢斜柱与水平倾角θ可取偏小值，此时，钢斜柱和钢立柱竖向分力较小，结构失稳临界荷载较大.八字形钢斜柱结构形式的倾角θ存在合理的范围，如文中分析的算例，当θ约为45°时，钢斜柱长度和竖向分力相对较小，且结构失稳临界荷载较大，结构较为合理.

2) 在地质条件良好的条件下或场地有合适的锚固位置时，采用斜拉索作为水平力承载构件比单侧采用钢斜柱或八字形钢斜柱结构形式更为合适.在地质条件不良时，采用八字形钢斜柱的柔性光伏支架，对地质的要求最低，下部基础结构容易设计，结构受力最为合理，整体结构较为经济.