张弦梁结构体系在光伏项目中的应用分析

刘 丹

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021)

张弦梁是一种稳定的预应力自平衡体系，即施加在结构上的预应力在结构本体内得到平衡，而不会传递到支座或者基础上。同一般索结构相比，张弦梁结构的刚度要大很多，在不规则风荷载作用下，结构的形状稳定性更优[1-2]。张弦梁结构体系主要由上弦钢梁、撑杆、下弦索体等部分组成，通过张拉下弦索体，使撑杆对钢梁产生向上的集中力，这样，在竖向荷载作用下，钢梁的受力特征从类似简支梁变化为多跨连续梁(同时受压)，截面利用效率更高，经济性更好。但是对于轻型屋面结构，如果风吸力大于屋面自重，风吸力工况作用下，钢梁向上弯曲，这时撑杆对钢梁产生的向上集中力反而成为了不利荷载，故张弦梁结构一般适用于重型屋面结构[3]。光伏组件、支架等组成的光伏系统自重较小(一般小于0.15 kN/m2)，属于轻型屋面，将张弦梁结构体系运用到光伏支架中，需要布置揽风索，减小风吸力作用下钢梁向上弯曲，保证结构强度、刚度满足设计要求。本文介绍了一种带揽风索的张弦梁光伏支架体系，并建立了三维计算模型，分析了主索施加不同张拉力时，结构的自振特性，钢梁、揽风索以及柱脚处的内力变化规律，钢梁的变形规律。

1 张弦梁光伏支架方案概述

本文提出的张弦梁光伏支架体系采用较大跨度的结构布置方案，可利用平整性较差的光伏场地，可跨越较大沟壑、河道，可用于复合型(农光互补、林光互补、渔光互补等)光伏电站。结构体系主要由钢梁、立柱、撑杆、主索、揽风索、光伏组件、檩条、水平支撑、系杆、水平滑动支座、铰接支座等组成，张弦梁跨度为20.4 m，跨中3等分点处设置2道撑杆，撑杆高度均为2 m，钢梁两端支撑在立柱上，一端设置水平滑动支座，一端设置铰接支座，撑杆与钢梁连接点处，设置揽风索，揽风索向2侧斜拉，固定于立柱上。张弦梁纵向间距为6 m，2榀张弦梁之间布置檩条，檩条上铺设光伏组件，光伏组件起坡至10°。张弦梁对应支座和撑杆节点处设置通长系杆，结构四周纵、横向设置水平支撑。每2榀张弦梁之间共铺设6排(每排5块)光伏组件，结构方案如图1，图2所示。实际工程中，结构纵向跨数根据场地情况调整。本文建立了张弦梁光伏支架体系的三维分析模型，研究模型中，各类荷载以线荷载形式作用于檩条。

2 设计参数及计算模型

2.1 构件信息

本文张弦梁结构方案中，柔性构件(主索、揽风索等)采用Φ15 mm钢绞线，钢梁采用Q355方钢管，撑杆采用Q355圆钢管。

2.2 荷载取值

分析模型恒荷载按0.15 kN/m2考虑，雪荷载、风荷载按25 a重现期取值[4]，雪荷载按0.25 kN/m2考虑，风荷载按0.45 kN/m2考虑，考虑风振系数。主索张拉荷载作为变量输入计算模型。

2.3 计算软件

本文采用SAP2000进行分析计算。SAP2000是国际上通用的一款计算、分析软件，它几乎囊括了所有结构工程领域内的结构分析功能，多年的发展，SAP2000积累了丰富的结构计算分析经验，从静力动力计算，到非线性分析，其均能得到可靠的分析结果[5]。

2.4 模型信息

根据主索张拉荷载的不同，本文建立了7个三维对比分析模型：M1-5，M1-10，M1-15，M1-20，M1-25，M1-30，M1-35，各模型主索预拉力分别为5 kN,10 kN,15 kN,20 kN,25 kN,30 kN,35 kN。

各计算模型考虑了施工阶段影响，在张弦梁主索张拉完成之后布置屋面恒荷载，然后再布置揽风索(即揽风索在主索预拉力荷载、恒荷载施加完成之后的结构形态上施加)，之后施加雪荷载、风荷载；同时，采用静力非线性方法计算分析，考虑结构几何非线性影响[6]。

3 主索张拉力对结构自振特性的影响

3.1 结构自振周期

三维分析模型的前3阶自振周期见表1。

表1 结构自振周期

由表1可知，主索施加不同的预拉力，结构的前3阶自振周期无显著变化，这也说明，张弦梁结构主索施加不同的预拉力对结构整体刚度无显著影响。

3.2 结构振型状态

三维分析模型M1-15的前3阶振型特征见图3。

由图3可知，结构第1阶振型以X向(纵向)平动为主，张弦梁跨中振幅较大，支座处振幅较小；结构第2阶振型以Y向(横向)平动为主，张弦梁在平面内呈波浪形振动；结构第3阶振型为扭转振型。以上振型状态说明：张弦梁结构平面外刚度较弱，上弦钢梁和下弦主索均需要设置可靠的平面外支撑体系，避免结构在平面外失稳。

4 主索张拉力对结构刚度的影响

主索施加不同的预拉力时，在风压力和风吸力控制工况下，钢梁(中间榀，下同)的最大变形量如表2,图4所示。

表2 结构最大变形量

由表2，图4可知，在风压力控制工况下，主索施加不同的张拉力，结构向下位移量并没有显著变化；在风吸力控制工况下，随着主索施加的张拉力增大，结构位移由向下逐渐变为向上，数值逐渐增大。以上结构位移变化特征说明：改变主索张拉力，张弦梁结构的竖向刚度没有显著变化；由于揽风索的作用，风吸力工况下，增加主索张拉力，钢梁跨中变形发生变化。

5 主索张拉力对主要构件内力的影响

5.1 主索张拉力对钢梁、揽风索内力的影响

表3及图5～图7反映了风荷载控制工况下，主索施加不同的预拉力，结构钢梁和揽风索的内力及其变化规律。

表3 钢梁与揽风索内力

由表3及图5，图6可知：风压力工况下，随着主索张拉力变大，钢梁正弯矩(使钢梁下翼缘受拉的弯矩为正)在逐渐减小；风吸力工况下，随着主索张拉力变大，钢梁负弯矩(使钢梁上翼缘受拉的弯矩为负)在逐渐增大。这是因为主索张拉力增加，撑杆对钢梁施加的向上反力增加，使钢梁负弯矩增加，这对风压力工况有利，对风吸力工况不利。

随着主索张拉力变大，风吸力工况下，揽风索最大拉力在逐渐减小，这说明主索张拉力增大，不改变揽风索张拉力的情况下，揽风索的揽风作用在逐渐减弱。

图7反映了主索张拉力变化时，钢梁弯矩的变化趋势。

风压力控制工况下，当主索张拉力较小时，钢梁为全段正弯矩，随着主索张拉力增加，钢梁跨中弯矩逐渐减小，最后跨中弯矩变为负弯矩；风吸力控制工况下，当主索张拉力较小时，钢梁弯矩分为三段，撑杆处为正弯矩，其余位置为负弯矩，随着主索张拉力增加，跨中负弯矩逐渐增加，最后钢梁全段为负弯矩；通过弯矩图变化趋势可以看出，随着主索张拉力增加，揽风索起到的作用逐渐变小。

钢梁设计时，应综合考虑风压力、风吸力工况下的内力，当风压力工况下梁的正负弯矩和风吸力工况下梁的正负弯矩相等时，钢梁的抗弯承载能力利用最充分，由图5可知，本文所述张弦梁光伏支架，当主索张拉力控制在18 kN左右时，风荷载作用下，梁的正负弯矩相近。

5.2 主索张拉力对立柱柱底反力的影响

表4，表5及图8～图11反映了风吸力控制工况下，主索施加不同预拉力时，右柱和左柱的柱底反力及其变化规律。

表4 右柱柱底反力

表5 左柱柱底反力

由表4及图9～图11可知：风压力工况下，左柱和右柱的柱底反力与主索张拉力大小无关，这是因为张弦梁是预应力自平衡体系，所施加的预应力在体系内部平衡，并不传递到支座，并且在风压力工况下，揽风索基本处于松弛状态，不发挥作用，也不会传递内力到立柱，故风压力工况下，左柱和右柱的柱底反力固定不变。风吸力工况下，左柱和右柱的柱底轴力与主索张拉力大小无关；左柱和右柱的柱底剪力、弯矩随着主索张拉力的增大而减小。这是因为，揽风索随着主索张拉力变大，其发挥的揽风作用在减小，其传递至立柱的反力也在减小。因此，在主索张拉力较大时，为了保证揽风索起到足够的作用，需要对揽风索施加一定的预拉力。

6 结论

张弦梁结构一般适用于重型屋面，光伏系统自重较小，属于轻型屋面，将张弦梁结构体系运用到光伏支架中，需要布置揽风索，减小风吸力作用下钢梁向上弯曲变形，保证结构强度、刚度满足设计要求。本文介绍了一种带揽风索的张弦梁光伏支架体系，通过对主索施加不同的张拉力，建立对比分析模型，分析了结构自振特性与主索张拉力的关系，以及风压力和风吸力工况下，结构变形与主索张拉力的关系，钢梁、揽风索内力和柱脚反力与主索张拉力的关系。结论如下：

1)主索施加不同的预拉力，对结构竖向刚度无显著影响，结构的振型特征无明显变化；张弦梁结构平面外刚度较弱，上弦钢梁和下弦主索均需要设置可靠的平面外支撑体系，避免结构在平面外失稳。2)改变主索张拉力，张弦梁结构的竖向刚度没有显著变化，风压力控制工况下结构竖向位移基本没有变化；风吸力控制工况下，由于揽风索的作用，增加主索张拉力，钢梁竖向变形发生变化。3)风压力工况下，随着主索张拉力增大，钢梁正弯矩在逐渐减小；风吸力工况下，随着主索张拉力增大，钢梁负弯矩在逐渐增大，因此，钢梁设计时，应综合考虑风压力、风吸力工况下的内力，当风压力工况下梁的正负弯矩和风吸力工况下梁的正负弯矩相等时，钢梁的抗弯承载能力利用最充分，本文所述张弦梁光伏支架，当主索张拉力控制在18 kN左右时，风荷载作用下梁的正负弯矩相近。4)风吸力工况下，随着主索张拉力增大，揽风索最大拉力在逐渐减小，这说明主索张拉力增大，不改变揽风索张拉力的情况下，揽风索的揽风作用在逐渐减弱，因此，在主索张拉力较大时，为了保证揽风索起到足够的作用，需要对揽风索施加一定的预拉力。5)风压力工况下，柱底反力与主索张拉力大小无关；风吸力工况下，柱底轴力与主索张拉力大小无关；柱底剪力、弯矩随着主索张拉力的增大而减小。