分布式光伏电站屋面荷载取值研究

王利中 胡 昕 何玲玲

(中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100840)

0 引言

太阳能光伏发电作为一种清洁又环保的绿色能源，是未来能源结构的基础，我国分布式光伏电站正处于迅猛发展阶段。在屋顶建设光伏电站，改变了屋面的荷载条件，需要对现有结构进行检测鉴定。结构承载力验算时结构布置、构件的几何尺寸、材料性能、荷载条件这几项条件是必不可少的。本文主要对光伏电站建设对屋面荷载的影响进行探讨。

1 屋面光伏组件的安装方式

1.1 混凝土屋面

这种屋面主要为混凝土结构、砌体结构的屋面。为保证原有屋面的防水性能，光伏组件一般是直接搁置在屋面上，用配重来抵抗风荷载。安装形式见图1。这种安装方式光伏组件和原屋面是分离的。

1.2 轻钢屋面

这种屋面主要为门式刚架、网架结构的屋面。安装方式主要用扣件直接卡扣在屋面上，安装形式见图2。这种安装方式光伏组件和原屋面是结合在一起的。

2 屋面主要荷载

2.1 屋面结构自重

钢筋混凝土楼板自重、屋面钢梁檩条彩钢板的自重、屋面保温防水材料的自重、屋面原有构件及设备的自重(属于恒荷载)。屋面恒载应根据实际屋面做法计算取值。

2.2 光伏电站系统荷载

光伏组件、支架、基础、电缆、汇流箱等(属于新增恒荷载)。按光伏设计图纸进行核算取值。

2.3 屋面活荷载

施工荷载—施工阶段，设备材料的吊装、运输、施工人员、施工设备等产生的作用影响，属于活荷载。建设光伏电站的屋面活荷载可只考虑施工活荷载和安装完成后的检修荷载，根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范，不上人屋面活荷载取值为0.5 kN/m2。

根据GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范4.1.3条，当采用压型钢板轻型屋面时，屋面按水平投影面积计算的竖向活荷载的标准值应取0.5 kN/m2，对于承受荷载水平投影面积大于60 m2的刚架构件，屋面竖向均布荷载的标准值可取不小于0.3 kN/m2。

2.4 雪荷载

屋面水平投影面上的雪荷载标准值应按下式计算：

sk=μrs0。

其中，sk为雪荷载标准值，kN/m2；μr为屋面积雪分布系数；s0为基本雪压，kN/m2。

1)屋面积雪分布系数的取值。

对于混凝土屋面(平坡屋面)，光伏面板一般与屋面呈一定的夹角，导致屋面形式发生变化，可按GB 50009—2012建筑结构荷载规范表7.2.1中锯齿形屋面来考虑积雪的均匀分布与不均匀分布情况。

对于压型钢板屋面，光伏面板一般贴于屋面上，对改变屋面形式影响较小，雪荷载可按照实际屋面形式按GB 50009—2012建筑结构荷载规范表7.2.1采用。

2)基本雪压的取值。

基本雪压应按现行国家标准GB 50009—2012建筑结构荷载规范规定的方法确定的50年重现期的雪压，对于轻型屋盖结构或大跨度结构，雪荷载经常是控制荷载，极端雪荷载作用下容易造成结构整体破坏，后果特别严重，属于对雪荷载敏感的结构，应采用100年重现期的雪压。

2.5 风荷载

根据GB 50797—2012光伏电站设计规范，光伏支架风荷载应按现行国家标准GB 50009—2012建筑结构荷载规范中25年一遇的荷载数值取值，地面和楼顶支架风荷载体型系数取1.3。这里的风荷载体型系数是用于光伏支架和混凝土屋顶配重设计的。

对于混凝土屋面，一般情况下光伏电站系统和屋面是独立的，风吸力作用下对下部结构的影响是不用考虑的，主要是考虑风压力作用下对主体结构的影响，在对下部主体结构验算时应考虑风压的荷载组合。

对于轻钢屋面，由于光伏电站和屋面是联系在一起的，需要同时考虑风吸和风压两种情况。在此类屋面上安装太阳能电池板(不起倾角，随屋面坡度安装)，徐成[6]利用风洞试验研究了屋顶安装太阳能板对风荷载的影响，结果表明，安装光伏太阳能板对屋顶整体风荷载的影响不大，但增大了局部的最强风吸力；安装在屋顶的太阳能光伏板体型系数随位置变化不敏感，取值均在±0.2之间。

涉及到轻钢屋面风荷载计算的主要规范有GB 50009—2012建筑结构荷载规范,CECS 102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程和GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范，三本规范、规程对于风荷载的计算不尽相同。

取典型门式刚架，房屋高度不大于18 m、房屋高宽比小于1、屋面坡度1/20为例，计算不同规范的风荷载，汇总结果见表1和表2。

表1 刚架风荷载系数对比

表2 檩条风荷载系数对比

从表1和表2中可以看出，GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范对风荷载的要求较高，檩条在屋面各区均会存在风吸力和风压力两种情况的，计算时应考虑两种工况下的荷载组合。按此规范，光伏项目中对于既有厂房檩条验算通过率不高。

3 荷载的组合应注意的问题

1)荷载组合的原则应遵循以下原则：a.屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者的较大值。b.积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。c.施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。d.风荷载不与地震作用同时考虑。

2)荷载基本组合的效应设计值应按下式确定。

Sd=rGSGk+ΨQrQSQk+ΨwrwSwk。

应注意式中ΨQ和Ψw分别为可变荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.7和0；当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6。同时，应考虑风压和风吸力两种荷载工况。

4 屋面荷载的预判

4.1 钢筋混凝土屋面

混凝土屋面光伏系统按单排组件最佳倾角进行安装、以混凝土配重来抵抗风荷载，屋面新增荷载约0.50 kN/m2～1.0 kN/m2。新增光伏发电系统的承载力校核验算通过率大于80%。结构方面比较适宜安装光伏发电系统。

混凝土预制板屋面、预应力双T板屋面、马鞍板屋面，通过选择合适的安装形式，如适当降低安装倾角、避让敏感区域、阵列加装导流板、降低配重块高度和重量等，也可以安装光伏电站系统。

4.2 轻钢屋面

轻钢瓦屋面光伏系统按组件顺屋面坡度平铺安装、支架檩条采用夹具夹在金属屋面瓦楞上考虑，屋面新增荷载约0.15 kN/m2～0.20 kN/m2。新增光伏发电系统的承载力校核验算通过率小于50%。结构承载力不足情况较多，使用前需认真校核。

4.3 应注意的问题

光伏电站在施工时经常会存在一些不规范施工的问题，比如将光伏组件成箱吊至屋面某一处，电缆线在屋面上拖拽前行，人员较密集的在一起，这些做法对于轻钢屋面是非常危险的。检测鉴定单位和设计单位应将这些注意事项告知施工单位，消除安全隐患。私自建造的建筑物、建设年代久远的老旧建筑，存在偷工减料的豆腐渣工程、私自改扩建的建筑，建设期替换过钢材等级的建筑，这些往往是存在安全问题建筑。在光伏电站选址时应避开这些建筑，或根据检测鉴定进行补强加固后进行光伏电站建设。

[1] GB 50009—2012,建筑结构荷载规范[S].

[2] GB 51022—2015，门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].

[3] CECS 102:2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)[S].

[4] 宗 岳,束云华,徐建美,等.屋顶光伏阵列风荷载的研究[A].第14届中国光伏大会(CPVC14)论文集[C].2014:299-304.

[5] 吉春明,朱庆东.屋面光伏阵列荷载分析与结构承载力评估[J].武汉大学学报(工学版),2011(S44):109-112.

[6] 徐 成,赵金城,郑洪有,等.屋顶安装光伏太阳能板风荷载试验研究[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2015,28(2):33-34.