承插式光伏支架的技术研究

田兴海

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

随着能源的日益紧缺，太阳能的开发利用逐步引起了我国各级政府的重视，光伏发电在能源供应体系中占据越来越重要的地位，根据《“十四五”现代能源体系规划》，“十四五”期间预计光伏年均新增装机在70 GW 以上，光伏支架的需求量也在不断攀升，但因为光伏支架结构简单，入行门槛低，导致光伏支架存在粗制烂造、形式单一、缺乏创新、材料浪费等一系列问题，因此光伏行业亟需投入技术力量研发一种方便调节、节约钢材、而且有较好环境适应能力的光伏支架，以降低光伏电站的投资成本，并保证太阳能光伏板正常稳定的运行。

1 承插式光伏支架概述

光伏支架是光伏系统中支承各种光伏组件的结构，设计使用年限25 年。承插式光伏支架采用单列单坡支架结构形式，包括：下立柱、上立柱、斜梁、前支撑、后支撑、檩条、檩条连接件、檩托、水平支撑转接件、檩条间直拉条、檩条间斜拉条、撑杆、水平支撑、缀板、前后支撑连接件等；承插式光伏支架的下立柱直接插入基础预埋，光伏支架的上、下立柱插接连接，下立柱下端布置缀板作为柱脚受力较大部位的加强措施。前、后支撑一端通过前后支撑连接件固定于立柱上，另一端固定于斜梁两端，立柱与斜梁铰接固定。檩条通过檩托垂直布置于斜梁上；光伏支架通过檩条间直拉条、檩条间斜拉条、撑杆、水平支撑增加支架的整体稳定性。

图1 承插式光伏支架平面布置图

图2 承插式光伏支架立面图

2 承插式光伏支架的特点

（1）保证结构安全的前提下降低投资成本。承插式光伏支架的下立柱直接插入基础预埋,埋入混凝土的立柱上对穿3 根短钢筋与桩身纵筋绑扎连接，增强光伏支架的抗拔性能。与预埋螺栓的柱脚相比，插入立柱柱脚可以减小桩头尺寸或桩身直径，因为插入式柱脚的内力靠整个立柱截面抵抗，在计算光伏支架立柱截面时已经验算了立柱截面，足够抵抗柱底内力，但考虑埋入立柱与混凝土桩顶交界面的环境条件复杂，为补偿环境对柱脚承载力的影响，设计时考虑在柱脚开口方向增加缀板作为加强措施，因此插入式柱脚只需要保证立柱埋入混凝土的深度满足锚固要求和插入深度计算值，构造要求和插入深度计算值参照《钢结构设计手册》中插入式柱脚的计算与构造确定。而预埋螺栓柱脚的弯矩需要靠一侧预埋螺栓受拉，另一侧预埋螺栓受压形成力偶来抵抗，预埋螺栓之间的距离作为这对力偶的力臂，当柱底弯矩较大时，需要通过增加预埋螺栓的距离来增加抵抗弯矩，而预埋螺栓必须预埋在桩身箍筋内侧以保证上部支架的内力有效传递给基础，这时就需要扩大桩头或桩身直径。通过某地一个项目的分析对比，在相同设计条件下，插入式柱脚插入450 mm 的立柱重量跟预埋螺栓柱脚的立柱连接底板重量相当，所以插入式柱脚可以节约加劲板和预埋螺栓等构件，更节省材料，综上所述，承插式光伏支架采用插入式柱脚更经济。

图3 预埋螺栓柱脚

图4 插入立柱柱脚

（2）方便调节，让支架安装更便捷高效。承插式光伏支架的立柱分为上、下立柱，上立柱截面应略小于下立柱截面，将上立柱插入下立柱内部，用螺栓连接，插入长度根据插接部位的内力和需要向上调节的尺寸确定，上立柱的翼缘和腹板均需留设间距150 mm 的螺栓固定孔，下立柱的翼缘和腹板需留设间距50 mm 的调节孔，上下立柱之间可通过调节连接孔位进行伸缩调节，达到调节立柱高度的效果。但仅仅只调立柱高度并不能达到调节支架整体高度的目的，所以承插式光伏支架的前后支撑连接件（即抱箍）的翼缘两侧也需留设连接孔，通过调节前后支撑连接件与立柱翼缘的连接孔位，可将前后支撑与立柱高度同步调节达到整体调节光伏支架高度的效果，用于纠正施工中基础顶标高出现偏差或地形起伏变化需要局部调节支架高度的情况，调节范围一般控制在±150 mm,一方面因为向上调节范围越大，上立柱需要插入下立柱的长度越长，增加支架的用钢量，造成材料浪费；另一方面，调节支架高度会造成计算模型中立柱高度与实际高度偏差过大，向上调节高度过大会造成支架不安全，向下调节太多又会造成支架材料浪费，因此，承插式光伏支架设计时将调节范围控制在一个合理范围，光伏支架基础施工时，也控制基础顶标高的偏差在这个范围内，那么承插式光伏支架安装时就会更加便捷高效。

图5 立柱腹板承插连接示意图

图6 立柱翼缘承插连接示意图

（3）对立柱预埋的施工水平要求较高。因为支架的下立柱需要直接预埋进基础内，对桩基孔位的精确度和预埋立柱各个方向的垂直度都有更高要求，而且跟预埋螺栓相比下立柱的重量更大，预埋立柱大部分露在混凝土外部，需要用支撑固定，所以在应用承插式光伏支架插入式柱脚时，必须严格控制立柱的预埋质量。

3 承插式光伏支架插接部位的选择

承插式光伏支架上下立柱插接部位根据受力情况可以设置在抱箍以上或抱箍以下，当支架安装倾角大，风压和雪压也较大时，支架内力一般也比较大，插接部位设置在抱箍以上更安全可靠，而当支架安装倾角小，内力较小或者插接部位螺栓承载力足够抵抗支架内力时，插接部位也可设置在抱箍以下。

从图7 可以看出，承插式光伏支架插接部位的选择直接关系到上下立柱的长度，也决定了施工和安装难度。当插接部位设置在抱箍以上时（图7a），下立柱更长，施工时预埋下立柱的难度也更大，因为长度越大，立柱预埋的垂直度越难保证，而且插接部位离地高度1.8~2.2 m，安装上立柱时操作也更困难。而当插接部位设置在抱箍以下时（图7b），下立柱全长只有1.45 m，埋入混凝土0.45 m，立柱预埋的质量更容易保证，插接部位离地高度也在1.5 m 以下，更方便安装操作。所以在选择承插式光伏支架插接部位时，既要考虑施工操作简便，又要保证插接部位受力安全可靠。

图7 光伏支架立面图

4 承插式光伏支架插接部位的受力分析

以图7 相对应的两个案例对承插式光伏支架的插接部位进行受力分析。

（1）图7 对应案例的设计参数

材料：Q690 高强耐候钢；风压：0.31 kN/m²，雪压0.31 kN/m²；组件安装倾角：27°；组件规格2278×1134×35,32.3 kg；风 振 系 数：1.2；风 压 高度变化系数：1.0；风荷载体型系数：正风0.955，负风-1.21。

山地修正系数1.3；可变荷载分项系数1.5，恒荷载分项系数1.3；荷载作用控制组合：1.0 G-1.5 W。采用同磊结构设计3D3S DesignV2022 进行计算分析，支架内力见图8~图10。

图8 光伏支架弯矩图1

图9 光伏支架轴力图1

图10 光伏支架剪力图1

图7 a 中上下立柱插接部位通过腹板、两侧翼缘各3 个M14 的4.8 级螺栓连接，立柱钢材牌号为Q690 高强耐候钢，根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》及JGJ/T 483-2020《高强钢结构设计标准》，计算上下立柱插接部位的螺栓承载力如下：

立柱腹板和两侧翼缘各3 个M14 的4.8 级螺 栓 抗 剪 承 载 力：Nv=nvAfv=3×154×140×10-3=64.68 kN；3 个M14 螺 栓 承 压 承 载 力：Nc=∑tdfc=3.5×14×3×970 ×10-3=142.59 kN；3 个M14 螺栓的承载力：Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN；1 个M14 螺栓的承载力：Nvt1=21.56 kN；1 个M14 螺栓的抗拉承载力：Nt=Afy=115×170 ×10-3=19.55 kN。

根据图7a 案例的内力图，提取位置1 的轴力N1=12.97 kN，剪力V1=7.46 kN,弯矩M1=-14.60 kN·m，位置2 的轴力N2=3.87 kN，剪力V2=7.04 kN，弯矩M2=-9.63 kN·m。根据螺栓的受力形式，将立柱的内力转化为对应方向的力，位置1 的立柱轴力N1=12.97 kN，为拉力，对螺栓属于剪力，假设立柱的轴拉力由腹板、两侧翼缘的全部螺栓均匀分担，每个M14 螺栓分担的力为：12.97 kN/9=1.44 kN，小于Nvt1=21.56 kN，满足。剪力V1=7.46 kN 对于两侧翼缘螺栓是拉力，对于腹板螺栓是剪力。单个M14 螺栓的抗拉和抗剪承载力均大于7.46 kN，满足。因腹板连接螺栓在腹板的中点，位于立柱截面的中性轴，所以不考虑腹板螺栓对抵抗弯矩的贡献，而弯矩M1=-14.60 kN·m，立柱截面高度H=170 mm,按立柱两侧翼缘一侧受压另一侧受拉简化，立柱单侧的拉/压力为14.60 kN·m/0.17 m=85.88 kN，两侧翼缘的拉压力对于立柱翼缘的螺栓属于剪力，单侧翼缘螺栓需要抵抗的剪力为85.88+1.443×3=90.20 kN，根据立柱插接部位的螺栓承载力计算，单侧翼缘3 个M14 螺 栓 的 承 载 力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，小于90.20 kN，不满足。因此，上下立柱如果在此部位插接需要加大螺栓直径或数量，但考虑此部位受力较大，为了安全起见，将上下立柱的插接部位向上移至位置2，位置2 的轴力和剪力较小，可以不验算，而弯矩M2=-9.63 kN·m，同样的方法将弯矩转化成翼缘单侧拉/ 压力9.63 kN·m/0.17 m=56.65 kN，单侧翼缘螺栓需要抵抗的剪力为56.65+3.87/3=57.94 kN，而单侧翼缘3 个M14 螺栓的承载力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，大于57.94 kN，满足。

（2）图7b 对应案例的设计参数

材料：Q690 高强耐候钢；风压：0.3 kN/m²,雪压：0 kN/m²；组 件 规 格2 278×1 134×35，32.6 kg；组件安装倾角：19°；风振系数:1.2；风压高度变化系数:1.0；风荷载体型系数：正风0.84，负风-0.990；山地修正系数1.3；可变荷载分项系数1.5，恒荷载分项系数1.3；荷载作用控制组合：1.0 G -1.5 W。采用同磊结构设计3D3S DesignV2022 进行计算分析，支架内力如图11~图13。

图11 光伏支架弯矩图2

图12 光伏支架轴力图2

图13 光伏支架剪力图2

图7 b 中上下立柱插接部位通过腹板、两侧翼缘各3 个M14 的4.8 级螺栓连接，立柱钢材牌号为Q690 高强耐候钢，根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》 及JGJ/T 483-2020《高强钢结构设计标准》，计算上下立柱插接部位的螺栓承载力如下：

立柱腹板和两侧翼缘各3 个M14 的4.8级 螺 栓 抗 剪 承 载 力：Nv=nvAfv=3×154×140×10-3=64.68 kN；3 个M14 螺 栓 承 压 承 载 力：Nc=∑tdfc=3.5×14×3×970 ×10-3=142.59 kN；3 个M14 螺栓的承载力：Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN；1 个M14 螺栓的承载力：Nvt1=21.56 kN；1 个M14 螺栓的抗拉承载力：Nt=Afy=115×170 ×10-3=19.55 kN。

根据图7b 案例的内力图，提取位置1 的轴力N1=11.53 kN，剪力V1=5.12 kN，弯矩M1=-8.40 kN ·m。

同样的方法，将立柱的内力转化为螺栓对应方向的力，位置1 的立柱轴力N1=11.53 kN，为拉力，对螺栓属于剪力，假设立柱的轴拉力由腹板、两侧翼缘的全部螺栓均匀分担，每个M14 螺栓分担的力 为：11.53 kN/9=1.28 kN，小 于Nvt1=21.56 kN，满足。剪力V1=5.12 kN 较小，可以不做验算。弯矩M1=-8.40 kN·m，立柱截面高度H=150 mm，按同样的方法将弯矩转化成单侧拉/压力为8.40 kN ·m/0.15 m=56.00 kN，立柱两侧翼缘的拉压力对于翼缘的螺栓是剪力，受拉一侧翼缘螺栓需要抵抗的剪力为56.00+1.28×3=59.84 kN，而单侧翼缘3 个M14 螺栓的承载力Nvt=min（Nv，Nc）=64.68 kN，大于59.84 kN，满足。

5 结论

承插式光伏支架是一种可以节约材料、方便调节，有较好的环境适应能力的光伏支架。承插式光伏支架采用插入式柱脚，既能保证结构安全，又能节约钢材用量，减小桩帽尺寸，降低投资成本，达到更好的经济效果；承插式光伏支架上下立柱的插接设计使支架高度的调节更加方便快捷，更能适应高低起伏的地面环境；同时对于光伏支架基础施工水平的要求也更高；当采用这种支架时，对承插部位的选择和设计是保证支架安全的关键。在选择支架形式时应综合考虑使用环境、经济性、安全性、适用性等因素，做出最合理的选择。