基于PKPM-PMSAP的多跨连栋式光伏农业大棚结构分析

2015-12-25特变电工新疆新能源股份有限公司黄华张梅何银涛

太阳能 2015年8期

关键词：光伏大棚

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 黄华张梅何银涛

基于PKPM-PMSAP的
多跨连栋式光伏农业大棚结构分析

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 黄华*张梅何银涛

摘要：针对多跨连栋式光伏农业大棚的结构形式和受力特点，利用PKPM软件中STS桁架模块和PMSAP模块分别进行结构的二维和三维设计分析，提供了一种便捷高效的多跨连栋大棚结构设计分析思路，亦保证了该类结构的安全度和可靠性。

关键词：光伏；大棚；PKPM；PMSAP

0 引言

随着分布式能源的兴起，光伏大棚项目越来越多的出现在民用建筑光伏领域，然而光伏大棚结构设计却没有统一的设计方法。作为国内建筑结构设计权威软件，PKPM是中国建筑科学研究院根据国内情况和建筑相关规范开发的软件，其中STS模块和PMSAP模块是目前国内应用最广泛，被绝大多数设计院所认可的结构设计分析程序。因此，利用PKPM软件对光伏大棚结构进行结构设计分析。

1 设计条件

1.1 工程概况

1.2 设计资料

因光伏农业大棚功能需要大开间大跨度，故其主体结构采用钢框架结合钢桁架梁结构，南北向7跨共67.2 m，东西向10跨共40 m，檐口标高3.8 m，棚顶标高4.5 m，南北向每个单跨内有3个坡屋顶，棚顶南北坡相对于水平面的倾角为23°，南坡面区域采用多晶硅太阳电池组件，北坡面区域采用透光玻璃，结构所用材料均为Q235热镀锌钢。屋面的后期清理、维护采取简单人工维护的方式。

图1　光伏农业大棚立面图(单位：mm)

图1为连栋式钢结构光伏农业大棚南北2跨立面图。图2为连栋式钢结构光伏农业大棚总体平面图。左风0.35 kN/m2，右风0.35 kN/m2。变形限值取钢结构设计规范中关于主梁或桁架的挠度容许值：恒荷载[νT]为l/400，活荷载[νQ]为l/500。柱水平位移容许值取按平面结构图形计算的Hc/1250，Hc为基顶至梁顶高度。

由STS桁架二维计算结果可知，在恒荷载、活荷载、风荷载、水平地震作用下，连栋式光伏大棚结构构件应力比均小于1，即梁、柱的强度、刚度、稳定性均满足要求，柱最大应力比为0.96，梁最大应力比为0.74；钢梁最大绝对挠度(恒+ 活)为8.7 mm。

2.2 STS框架三维建模

光伏大棚结构三维整体模型如图3所示。设计参数：钢框架结构体系，结构主材为无填充墙钢结构，风荷载及地震荷载信息均采用工程所在地实际信息。

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1.3 荷载计算

项目所在地基本风压取50年一遇0.35 kN/m2，基本雪压取50年一遇0.55 kN/m2。

屋面恒荷载：单个组件重量为20.5 kg，单块组件面积为1.65 m×0.992 m=1.637 m2，即组件自重为20.5×10/(1.637×1000)=0.125 kN/m2；单块透光玻璃重量为2.5 kg/m2，即4 mm厚玻璃自重为2.5×10×4/1000=0.1 kN/m2。

屋面活荷载：根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》第5.3.1款的规定，并考虑光伏大棚屋面在后期使用中需要进行人工清洗等维护工作，故此处屋面活荷载取上人屋面活荷载标准值2 kN/m2。

2 PKPM软件设计

2.1 STS桁架二维计算分析

初设时采用PKPM软件中的STS桁架模块对光伏农业大棚结构进行二维建模分析。结构主要构件截面参数：柱为方钢110 mm×110 mm×3 mm，棚顶主梁为方钢130 mm×130 mm×3 mm，棚顶次梁为方钢70 mm×70 mm×3 mm，桁架上下弦杆为方钢60 mm×40 mm×2 mm，腹杆为30 mm×30 mm×2 mm。

荷载输入：屋面南坡恒荷载0.125 kN/m2，屋面北坡恒荷载0.1 kN/m2，屋面活荷载2 kN/m2，

2.3 PMSAP三维计算分析

STS框架三维建模后通过PMSAP模块进行补充建模计算分析。以下分别从恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载几个方面进行结构整体变形分析。变形限值取钢结构设计规范中关于主梁或桁架的挠度容许值：恒荷载[νT]为l/400，活荷载[νQ] 为l/500。柱水平位移容许值取按空间结构图形计算的Hc/2000。在经过多次计算分析与修改模型后得出以下结论。

2.3.1 恒荷载作用

屋面南坡恒荷载0.125 kN/m2，北坡恒荷载0.1 kN/m2。由计算结果可知(如图3所示)，恒荷载作用下结构最大变形为0.6 mm，满足规范要求。

图2　光伏农业大棚平面图(单位：mm)

图3　恒荷载作用下结构空间变形简图(单位：mm)

3 结论

1)在恒荷载作用下结构最大变形为0.6 mm；在活荷载作用下结构最大变形为3.2 mm；在风荷载作用下，X方向结构空间变形最大，最大变形为2.9 mm；地震荷载作用下，X方向结构空间变形最大，最大变形为5 mm。以上结果满足结构承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。

2)由以上结果可知，由于该大棚结构层高较高、跨度大、整体纵向刚度较横向弱，导致在各种荷载工况下结构整体的纵向变形较横向大，但是整体变形较为协调且在规定限制内，同时不存在局部振动现象。在实际工程中，可在结构纵向长度方向设置柱间支撑或者隅撑，以加强结构整体性。

4 结束语

利用PKPM软件中的二维模块STS及三维模块PMSAP，针对多跨连栋式光伏农业大棚的结构形式和受力特点对其进行建筑结构设计分析，大幅提高了空间结构承载能力设计的准确性及安全性。需要注意的是，利用该软件进行设计时，必须熟悉相关规范和参数，以及根据实际结构类型和受力特点对输入参数进行人为修正，在不断计算、修改的过程中逐渐完善结构的承载能力和经济性之间的平衡。

参考文献

[1] GB 50017-2003,《钢结构设计规范》[S].

[2] GB 50011-2010,《建筑抗震设计规范》[S].

[3] GB 50009-2012,《建筑结构荷载规范》[S].

[4] GB 50797-2012,《光伏发电站设计规范》[S].

2.3.2 活荷载作用

考虑到光伏大棚在后期的使用过程中需进行人工清洗等维护工作，故将其屋面活荷载取上人屋面的活荷载值2 kN/m2。由计算结果可知(如图4所示)，活荷载作用下结构最大变形为3.2 mm，满足规范要求。

2.3.3 风荷载作用

风荷载作用下，框架柱顶位移限值为H/500，层间相对位移限值h/400。其中，H为基顶至柱顶总高；h为层高。由计算结果可知，结构X、Y方向最大变形出现在X方向，风荷载作用下，此时结构的空间最大变形为2.9 mm，(如图5所示)。