太阳能板支架体系等效静力风荷载响应分析

刘春雨 白 冰 李腊梅

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

太阳能板支架体系等效静力风荷载响应分析

刘春雨 白 冰 李腊梅

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

太阳能结构受风荷载影响较大，而目前对风载研究较少。以常见的展厅式太阳能板结构为研究对象，将风荷载作为等效静力荷载，采用有限元法对其进行结构建模及风载响应分析，得出了在等效静力风荷载作用下结构各处的位移和应力值，将结构在各工况下的位移和应力相比较，得出风荷载对结构的影响，为太阳能结构的设计提供参考。

太阳能板，风载响应，等效静力风荷载，有限元分析

太阳能作为一种清洁能源，已成为学术界和工程界研究的热点[1]。目前国内对于太阳能支架系统的研究相对较少，更多的是直接将支架体系作为一种结构进行研究[2-4]。将太阳能板作为一种附加荷载，对支架体系结构进行分析研究，是一种比较成熟的分析方法，包括对各类大跨度结构、塔式结构、桥梁结构等的研究，主要考虑的设计荷载为风振荷载、地震荷载或者两者的共同作用[5]。本文拟采取上述方式，对某展厅式太阳能板支架体系进行风荷载研究分析。分析中忽略了风荷载对板的影响，直接将板作为已知荷载均摊到结构上，利用ANSYS建模进行结构的受力分析[6]。

1 等效静力风荷载

静风荷载的模拟主要是根据大量的实践经验得出的计算公式，考虑不同风速、结构高度、体型变化、地面粗糙度等，赋予不同的参考数值及系数。其理论意义是：用一组静力荷载施加在结构上，该静力荷载要满足产生的响应与按照随机振动理论方法计算得到的结构各处的响应相等或基本相等，并可以把这组静力荷载作为等效静力风荷载来使用，进而简化工程结构的抗风设计。下面简单介绍两种：阵风荷载因子法和惯性力法。

1.1阵风荷载因子法

(1)

(2)

1.2惯性力法

惯性力法是从结构动力方程出发，用结构的一阶振型惯性力来表示等效静风荷载。

根据结构动力学的理论，脉动风荷载作用下的结构动力平衡方程可表示为：

(3)

式(3)右端为广义外荷载，用{Peq}表示。那么结构在脉动风荷载作用下的动力响应可看作是在广义外荷载作用下的静力响应：

[K]{x(t)}={Peq}

(4)

可以看出，广义外荷载就相当于结构的恢复力。利用振型分解法，式(4)可进一步表示为：

(5)

其中，{φ}j为第j振型向量；qj(t)为第j振型广义坐标。

已知结构的特征值方程为：

(6)

其中，ωj为结构的第j振型圆频率。

将式(6)代入式(5)得：

(7)

从式(7)可看出，广义外荷载代表了各振型惯性力的组合。当仅考虑第一阶振型的影响时，广义外荷载可表示为：

(8)

其中,g为峰值因子；σ1为第一阶振型广义坐标q1的均方根。

则等效静风荷载可表示为：

(9)

式(9)也可进一步表示为：

(10)

其中，Gp为风振系数，其表达式为：

(11)

虽然上述两种方法得到的计算式式(2)和式(11)结构上很相似，但是它们是有本质的区别的。首先，风振系数Gp与结构的质量分布和动力特性有关，其沿高度是变化的，而阵风荷载因子Gx由于仅与结构顶点的响应有关，因此是一个定值；其次，由惯性力法所得的等效静风荷载是平均风荷载与结构振型惯性力的叠加，其分布显然与平均风荷载不同。相比阵风荷载因子法来说，惯性力法更好的反映了结构在脉动风作用下动力响应放大的物理本质，而且其推导过程更为严密。但当结构刚度较大，以背景响应为主时，根据惯性力法所得出的计算结果与真实的荷载分布会存在一定的偏差。

2 工程应用实例

2.1工程概况

本文所选择的结构为一种常见展厅的结构类型，几何外形如图1,图2所示。主体为受压柱和承受拉力为主的钢绳索。太阳能板布置在屋顶。在结构分析中，太阳能板以外荷载的形式附加在结构骨架上。本文选择的计算外环境为：郑州市B类地貌。

结构为中心对称结构，跨度为36 m，高度36 m，型钢环距顶部5 m，玻璃钢环距地面高程为22.25 m。中心柱采用1.5 m直径的钢筋混凝土结构；三叉支撑采用0.7 m直径的钢筋混凝土结构；上缆绳采用直径7/15 cm的钢管，下缆绳由于长度较长，为增大其刚度，选取与上缆绳不同的截面钢管，即10 cm/20 cm；玻璃钢管直径0.7 m、内径0.6 m。材料参数如表1所示。

表1 材料参数表

材料类型密度/kg·m-3弹性模量/Pa泊松比钢筋混凝土25003.0e100.18钢绞线78002.5e110.1型钢80002.1e110.3玻璃钢21002.1e100.3

2.2荷载工况

荷载工况分为5类。重点观察各工况下节点的X向位移以及各工况下单元的应力，按照加载顺序分别为：

工况一：结构自重。

工况二：结构自重+屋顶活荷载。

工况三：结构自重+屋顶活荷载+风荷载。

工况四：结构自重+屋顶活荷载+水重。

工况五：结构自重+屋顶活荷载+风荷载+水重。

注：屋顶活荷载取0.5 kN/m2；水重是玻璃钢管中充满水时的重量。

2.3结果及分析

取4个典型节点：钢缆绳中间节点476、三叉撑中间撑上部节点4333、型钢环中间节点14以及中心柱上端节点6110，对其X方向位移作重点分析。4个典型节点的位移随工况变化的情况如图3所示。

由图3可以看出：1)在各工况作用下，上钢缆绳及三叉撑发生的水平向位移较其他构件都大，最大的X向位移为5.05 cm，发生在三叉撑上部节点，最大值在结构的承受范围内；2)对比工况二和工况四、工况三和工况五，风荷载的施加对X水平向的位移产生比较大的影响；3)对比工况四和工况五发现，竖向的作用力会对风荷载产生的水平向位移有微小的影响，且影响是正向的；4)对于各构件的水平位移主要是由于风荷载的作用引起的。

原因分析：1)钢缆绳的柔度相对较其他构件大，对于荷载引起的变形也相对较其他构件大；2)风荷载的施加是引起构件水平位移的主要原因；3)对各构件的水平位移影响最大的荷载是水平向风荷载。

再选择6个典型单元：型钢环中间单元10、上缆绳上部及下部单元229和709、下缆绳中间单元1640、玻璃钢管跨中单元3481和中心柱下部单元25177，对其应力作重点分析。6个典型单元的应力随工况变化的规律如图4所示。

图4中，前5个单元的应力结果为第一主应力，而最后一个单元的应力结果为Z向应力。

由图4可以看出：1)在各工况下，型钢环的最大应力为7.79 MPa，在型钢环的承载能力范围内；2)各工况在钢筋混凝土中心柱上产生的压应力最大值为5.88 MPa，在钢筋混凝土的承载能力范围；3)上缆绳在各工况下产生的最大拉应力为79.34 MPa，在钢缆绳的承载能力范围内；4)随着荷载的施加，构件的应力逐渐增大，其中，对型钢环应力影响最大的是水平向的风荷载，对钢筋混凝土柱应力影响最大的是竖直向的屋面活荷载。

3 结语

经过上述分析计算，可以得出如下结论：

1)风荷载对柔度较大的构件产生的影响较大。X,Z向位移变形最大的位置分别在三叉撑上部节点和上缆绳跨中节点上，由于其柔度大，在水平和竖直方向受力时，产生的位移较大。2)对比工况二和工况四、工况三和工况五，风荷载的施加对X水平向的位移产生比较大的影响。3)对比工况四和工况五发现，竖向的作用力会对风荷载产生的水平向位移有微小的影响，且影响是正向的。这给对风重耦合的效应研究提供了参考。

[1] 王艺璇.巴黎气候大会成果初显[J].经济全球，2016(1):47-49.

[2] 王芝云，杨林青，吴二军,等.光伏支架受力性能影响参数有限元分析[J].低温建筑技术，2015(12):77-80.

[3] 张庆祝，刘志璋，齐晓慧,等.太阳能光伏板风载的载荷分析[J].能源技术，2010,31(2):93-95.

[4] Browne M T L,Gibbons M P M,Gamble S,et al.Wind loading on tilted roof-top solar arrays;the parapet effect[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2013(123)：202-213.

[5] 董 锐.大跨度桥梁位移响应多目标等效静力风荷载计算方法[J].中国公路学报，2013,26(5):69-75.

[6] 李腊梅.太阳能板支架体系风载响应分析[D]．郑州：华北水利水电大学，2017.

Responseanalysisofequivalentstaticwindloadofsolarpanelsupportsystem

LiuChunyuBaiBingLiLamei

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The solar energy structure is affected by wind load, but there is little research on wind load. In this paper, a common solar panel structure is taken as the object of study. Wind load is taken as an equivalent static load, and the structure model and wind load response analysis are carried out by the finite element method. The displacement and stress values of the structure under the static wind load are obtained. The displacement and stress of the structure under different working conditions are compared, and the influence of wind load on the structure is obtained. It provides reference for the design of solar energy structure.

solar panel, wind load response, equivalent static wind load, finite element analysis

TU312.1

A

1009-6825(2017)27-0045-03

2017-07-15

刘春雨(1991- )，男，在读硕士