对大跨度预应力索桁架光伏支承结构优化设计的几点分析

钱叶瑶

摘要：本文主要围绕大跨度预应力索桁架光伏支承结构优化展开研究，通过分析单层悬索结构、索桁架结构存在的问题，探究在找形和预应力分析、张拉施工等环节应当关注的重点，推动各项工作以合理方式开展。

关键词：大跨度;预应力;光伏支撑结构;优化设计

1 单层悬索结构问题

为保证施工安全，工程设计时，设计人员主要应用单层悬索来承受相对较大的结构重量。例如在悬挂式单曲薄壳下凹屋面施工过程中，通过应用单层悬索，可以提高重力作用的优势，设计过程中出现的反向荷载问题自然可以轻松克服，同时张紧力可以随之增加，悬索在稳定屋面形状等方面可以发挥较好的作用。在该环节工程设计过程中，设计人员应当加强对竖向荷载在索长均布和跨度均布两种不同情况下的曲线方程的重视，前者是悬链线形状，后者是抛物线形状，为保证其工作质量，工作人员应当将垂跨比控制在0.04到0.15之间，同时也应当结合实际情况，及时调整误差，将误差控制在5%到10%范围内。在该方式下，设计人员可以利用抛物线来计算悬链线位移，其计算误差也得以控制在合理范圍内，可以收到相对较好的效果。图1为抛物线和悬链线比较。

图1中H是水平张力，q表示均布荷载;f是挠度，L表示跨度;d为两曲线代表的位移在相同点的差值。结合光伏系统性能对无张力索进行分析，可以发现其并不符合光伏阵列设计原则，以结构力学性能分析，属于可变体系，会在风荷载和非对称荷载等的影响下产生机构性位移，不利于后续工作合理开展。特别是施加初始预应力等，可能并不能受到预期的效果，甚至还会产生较大的反力。

2 索桁架结构问题

索桁架结构以双层悬索体系进行组合，在轻型屋面工程设计中应用较广。应用该方式规避了传统应用结构重量增加来维持原来形状的弊端，对预应力的合理应用可以提高体系刚度，对帮助抵抗外部荷载具有重要意义。应用该方案在保持悬索结构形状稳定性和结构刚度等方面都可以发挥有效作用。但任何事物都存在双面性，索桁架结构在结构简化和空间跨越能力改善的同时，也会产生预应力减少问题和严苛边界条件以及施工顺序问题，施工过程中对施工精细化程度提出了较高要求。在抛物线形索桁架计算过程中，工作人员可以使用简图计算荷载。其压杆和拉索组合结构如图2所示。

在外部集中力处于P点时，A、B、C、D的支座点位置恰当，可以收获相对较好的效果。但是当光伏阵列调整为均布荷载以及整体非刚性面时，工作人员需要对A点和B点进行调整，通过构造悬挂支索等方式对其进行调整，当支座提供的边界条件不能满足水平张力施加要求时，上弦直索在压杆分割区间内必然会出现几何非线性，影响光伏阵列平整度。同时，东西向跨越的索桁架平面外刚度必须满足相应要求，才能保证阵列的南向倾角不出现问题，但是该过程中的预应力张拉和成本控制可能会出现其它问题，影响整体工程合理开展。

3 索桁架找形

光伏电站设计必须满足抗风能力要求，索桁架需要承受正负风压的双向压力，因而设计过程中必须对稳定索和承重索对称性设计加强重视，采用对称的互换结构，一定程度上可保证其工作质量。设计人员在设计过程中可以结合实际情况对设计进行调整，提高预应力施加的可控度，同时充分发挥光伏支架的刚性潜力。找形实际上是初始平衡问题，工作人员可以选择增加预应力来稳定悬索结构的形状。工作人员在该过程中要加强对预应力分布和几何位形的重视，以初始预应力为基础进行推理求解，对成形状态做出合理判断;也可以先设定成形状态，分析应当调整的初始预应力分布状态，即倒拆计算法，具体情况具体分析，充分发挥各类计算公式的优点，提高索桁架结构体系找形工作效率，避免后续施工安装过程中出现问题。

4 预应力张拉施工方法

预应力成形过程和预应力结构设计之间存在着极为密切的关系，工作人员必须结合设计和施工的特点进行统筹考虑，保障二者衔接的稳定性，否则将会导致后续工作出现问题。设计人员在设计过程中应当首先对预应力建立过程进行成形分析，也可结合工程实际情况，先开展施工阶段分析工作，在确定之后再进行安装和张拉等施工，施工人员必须加强对施工标准的重视，严格按照施工步骤开展各项工作，在施工过程中密切关注索系发生的变化，发现问题时及时调整，避免因为预应力张拉施工的不自然变化对整体结构施工造成影响。例如在上下悬索作为承力索时，在施加预应力时可以首先将支座间直线距离设定为零状态长度，再使用特定方法将上下弦绷紧，如中点内收法等，通过计算可以发现，承力索和内收尺寸之间存在着拉力和伸长量的对应关系，但是中间竖索的尺寸相对较短，伸长量变化较小，计算过程中可以将其作为误差不进行具体求解，忽略该环节的计算工作。通过对该结构中的力进行简单分析可以发现，小的内收力可以使承力索产生的拉力变大，因而工作人员在施工过程中可以围绕设计确定的主动索尺寸来开展后续施工，施加预应力的标准明显改善，施工也会变得相对容易。在连续多跨的索桁架施工开展过程中，工作人员要加强对不同张拉顺序导致的内力变化的重视，结合设计确定的相关标准来进行后续施工。

5 小结

综上所述，在进行大跨度预应力索桁架光伏支承施工过程中，工作人员应当加强对索桁架预应力进行分析，并通过索桁架找形工作来为后期预应力张拉施工提供保证，这样不仅可以确保索桁架光伏支承结构的稳定性，而且还可以提高其施工效率。

参考文献：

[1] 王建伟.预应力桁架锚索支护技术在动压巷道中的应用[J].能源与环保，2019（09）.

[2] 彭斯哲.浅谈索桁架在玻璃顶棚中的运用[J].中国房地产业，2019（22）.

（作者单位：江苏中顺节能科技有限公司）