某混凝土屋面分布式光伏电站基础方案分析与计算

2015-07-19孙海燕信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司华东分院江苏无锡214071

中国新技术新产品 2015年7期

孙海燕（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司华东分院，江苏无锡 214071）

孙海燕
（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司华东分院，江苏无锡 214071）

分布式光伏电站，俗称屋面电站，即利用商场、工厂、民宅等屋面建设的电站。因光伏发电属于无污染、无噪音的清洁能源和可再生能源，受国家产业政策鼓励和大力扶持。分布式电站市场启动以来，国内出现了大量小型太阳能项目，分布式光伏电站有着规模小、数量多、项目分散的特点，相当一部分电站建设在混凝土屋面上，光伏支架与原有屋面如何连接、支架采用何种基础形式成为结构设计的重要部分，混凝土屋面电站常用的基础方案一般有四种：混凝土支墩配重法、预制混凝土压块法、后锚固化学连接法、结构胶粘剂法，本文对此做法进行了比较和说明，并针对具体项目选定了基础方案，且出具了详细荷载取值及计算过程，可供类似工程参考。

分布式电站；混凝土屋面；计算方法

1 某混凝土屋面分布电站情况介绍

无锡某1.2MWp屋面分布式光伏电站共布置在4栋面积相同的屋面上，每栋建筑屋面尺寸均为90m×48m，此4栋建筑屋面均为上人屋面，屋面设计荷载标准值为2kN/m2上标。屋面为结构找坡，坡度为3%。屋面电站组件功率为255Wp，组件尺寸为1952mm×992mm，重量为28kg，组件间距为20mm，组件阵列为2排8列，共18块，组件朝南，倾角25°。

2 光伏支架基础方案介绍

方案一：混凝土支墩配重法。在混凝土屋面上现场浇筑（重量小的也可预制）钢筋混凝土支墩，支墩内一般配置少量钢筋抗裂，在支墩顶面与支架连接处预埋地脚锚栓或者其他连接件，光伏支架与配重支墩螺栓连接。配重法基础有两种形式，根据受力计算结果对支架前后腿分别设置大小不同的独立支墩，如图1（a）所示，将支架前后腿支墩连为一体，如图1（b）所示。

图1 混凝土支墩配重法屋面结构图

优点：基础稳固，结构安全可靠，不会对原有屋面防水层造成破坏，若支墩重量不大的话可以预制，能有效缩短工期，且光伏支架用钢量较少。

缺点：支墩需要支模，支墩混凝土浇筑完毕后又需要养护，需要大量人工，耗时，支墩自重较大，原屋面所增荷载较多，采用此法需要计算复核查明原有屋面是否具备足够的承载能力。

方案二：预制混凝土压块法。支架与屋面无连接，简单搁置在屋面上，将预制混凝土块压在支架底梁上，通过混凝土压块自身重量和与压块与屋面之间接触面上的摩擦力达到抗倾覆、抗滑移的作用，保证结构安全。压块采用混凝土预制而成（压块内无钢筋），每个支架上需要配置的压块大小和重量根据计算确定，一般来讲单个支架底梁上配置多个压块，这样会有效降低每个压块的重量，以便于施工和运输，如图2所示。

图2 压块法混凝土预制屋面结构图

优点：节省钢筋、工时，可提前制作水泥砖，水泥砖上不需要预埋地脚锚栓和其他连接件，施工比较简单，可有效降低工期，不会对原有屋面防水造成破坏。

缺点：支架用钢量较多，混凝土块容易开裂，耐久性不够好，支架与屋面之间无连接，可靠性不够好，混凝土块也对屋面增加了荷载，采用此法也需要复核计算屋面是否具备足够的承载能力。

方案三：后锚固化学连接法。屋面光伏支架连为一个整体，每隔一定距离设置一个钢立柱，钢立柱柱脚下设置钢筋混凝土短柱，短柱采用化学植筋（或化学螺栓）与屋面相连，因化学植筋（或化学螺栓）在原有结构内需要满足一定的锚固长度要求，故支架柱脚短柱应设置在钢筋混凝土柱顶上或屋面梁上，施工时需要凿除短柱处屋面面层，露出结构层，将化学植筋（或化学螺栓）和钢筋混凝土短柱施工完毕后，再修复屋面面层和防水层，此种方法多用于不上人钢筋混凝土屋面因不上人屋面的设计活荷载标准值一般为0.5kN/m2上标，屋面不能承受配重方案所带来的新增荷载，如图3所示。

图3 后锚固化学连接法屋面结构示意图

优点：连接牢固，结构安全可靠，光伏支架用钢量少，原有屋面增加荷载少。

缺点：破坏了原有屋面面层，有修复不好而漏水的风险。施工较为复杂，工序较多，工期较长。

方案四：结构胶粘剂法。采用专门的建筑结构胶粘剂，将支架支腿直接粘结于混凝土屋面上，所选用胶粘剂应能长期承受设计应力和环境作用。

优点：省时省力，安装快捷，节省材料。

缺点：国内案例较少，在设计使用年限内的耐久性、可靠性有待考验。

3 方案选择和计算

此工业园1.2MWp屋面电站项目业主要求工程设计使用年限为25年，设计院必须保证项目在设计使用年限内的安全可靠性，并要特别保证原有建筑的安全可靠。而原有屋面为上人屋面，设计活荷载为2.0kN/m2，则四种方案都可以考虑，又由于方案三破坏了原有屋面面层、方案二的可靠性不好、方案四的耐久性有待验证，故选取方案一，方案一也有独立支墩和整体支墩之分。下面介绍计算支墩大小所需的荷载取值和计算方法：

支架间距取为2.7m，组件及支架自重取值为0.15kN/m2上标。

根据《建筑结构荷载规范》表E.5，查得无锡市的风压值为：

10年一遇风压w0=0.30kN/m2上标、100年一遇风压w0=0.50kN/m2上标；

根据《建筑结构荷载规范》E.3.4式，换算成25年一遇基本风压：

w0=0.30+（0.50-0.30）×（lnR/ln10-1）=0.30+0.20×0.39794=0.38 kN/m2上标。

屋面地处无锡市某工业园内，地面粗糙度类别为B类，屋面最高处离地面高度接近20m。

根据《建筑结构荷载规范》表8.2.1，风压高度变化系数μz=1.23；

根据《光伏发电站设计规范》6.8.7条，风荷载体型系数μs=1.3；

垂直于组件的风荷载标准值为wk=μ z×μs×w0=1.23×1.3×0.38=0.61kN/m2上标。

（1）若基础采用独立支墩，根据竖向力的平衡，支架前腿支墩需取为0.4m×0.4m×0.469m，假设后腿支墩尺寸为La长×La宽×0.4m高，独立支墩支架受力模型如图4所示。