光伏支架型式试验加载装置的计算分析

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

为研究真实环境下光伏支架的力学性能，在光伏支架阵列中选取1 个组串单元进行型式试验，在设计载荷作用下观察光伏支架关键位置的挠度和应变。在光伏支架型式试验中，载荷包括恒载荷、风载荷和雪载荷。光伏支架结构轻盈，由风载荷起控制作用，风载荷垂直于板面,分为正向风压力作用和逆向风吸力作用，采用沙袋堆载的加载方式难以实现模拟风荷载的效果，因此亟需一种能对光伏支架施加垂直于光伏板面压力和吸力的加载装置，以达到观察光伏支架在真实环境下受力和变形的目的，同时为保证在加载状态下加载装置的安全可靠，需对加载装置进行计算分析。

1 光伏支架型式试验加载装置概述

光伏支架型式试验加载装置包含反力装置和传力装置两部分，反力装置由前立柱、后立柱、上斜梁、下斜梁、连系梁、千斤顶组成；上、下斜梁与立柱之间采用高强螺栓连接形成门式反力结构，前、后立柱的柱脚底板采用地脚螺栓与基础连接，反力装置适用于4 榀支架的组串单元试验，共由3 个门式反力结构构成，3 榀门式反力结构之间通过连系梁连接成整体。传力装置由一级传力梁、二级传力梁、光伏板边框模拟梁组成。一级传力梁与二级传力梁、二级传力梁与光伏板边框模拟梁垂直正交焊接连接，光伏板边框模拟梁与光伏支架的檩条垂直正交螺栓连接。工作时通过千斤顶将集中荷载施加于一级传力梁的中点，通过3 根一级传力梁两端将荷载传递到二级传力梁，二级传力梁再将荷载传递到光伏板边框模拟梁，最后传递给光伏支架。整个装置构造简单，工作效率高，能用于4 榀、3 榀、2 榀支架的加载试验。

图1 光伏支架型式试验加载装置平面布置图

图2 光伏支架型式试验加载装置侧视图（压力加载）

图3 光伏支架型式试验加载装置侧视图（吸力加载）

2 光伏支架型式试验反力装置的计算分析

2.1 检验反力装置安全性的方法

结构构件的强度计算基本原则：仅限于对有关屈服极限的核算，不考虑材料在塑性状态下的承载能力；在规定的荷载工况及载荷组合下，计算最不利的状况；强度计算根据结构件的受力状态，分别计算各结构件在承载状态下的受拉、受压、受弯或受扭的应力，计算出的应力值应小于规定的材料抗拉、抗压、抗弯强度设计值，即构件的计算应力值与材料抗力的比值<1.0。

2.2 反力装置的建模及计算分析

2.2.1 支架试验荷载取值

（1）恒荷载：0.14 kN/m2

（2）正风荷载：0.31×0.97×1.2×1.28=0.46 kN/m2

（3）逆风荷载：0.31×(-1.24)×1.2×1.28=-0.59 kN/m2

（4）雪荷载：0.31 kN/m2

因为加载装置主要用于施加垂直于光伏板的荷载，所以将恒荷载和雪荷载分解为垂直于光伏板和平行于光伏板两个方向的分力，垂直于光伏板面的荷载与风荷载叠加施加在光伏支架上，验算试验荷载作用下加载装置的变形和应力情况。

2.2.2 荷载组合

（1）正常使用极限状态

1）1.0 恒+1.0 雪+1.0 正风=cos28×（1.0×0.14+1.0×0.31）+1.0×0.46=0.86 kN/m2

2）1.0 恒+1.0 逆 风=cos28×1.0×0.14+ 1.0×（-0.59）=-0.47 kN/m2

（2）承载能力极限状态

1）1.3恒+1.5×0.7雪+1.5正风=cos28×（1.3×0.14+1.5×0.7×0.31）+1.5×0.46=1.14 kN/m2

2）1.0 恒+1.5 逆 风=cos28×1.0×0.14+1.5×（-0.59）=-0.76 kN/m2

最大荷载为1.14 kPa，0.9

（3）正向和反向施加最大荷载

Q=1.2×2.278×1.134×26=80.59 kN（验算荷载等级Ⅱ级时的应力）

正向：需扣除传力装置自重22 kN,故施加荷载总值为80.59-22=58.59 kN，分别由3 个千斤顶施加，单个千斤顶施加荷载为58.59÷3=19.53 kN，（模型输入按分力输入Pz=cos28×19.53=17.24 kN，Py=sin28×19.53=9.17 kN）

反向：需先抵消传力装置自重22 kN,故施加荷载总值为80.59+22=102.59 kN，分别由3 个千斤顶施加，单个千斤顶施加荷载为102.59÷3=34.19 kN，（模型输入按分力输入Pz=cos28×34.19 =30.19 kN，Py=sin28×34.19=16.05 kN）

2.2.3 采用3D3S 软件建模分析

建模分析图见图4~图9。

图4 门架正向加载时模型荷载及约束示意图

图5 正向加载门架位移图

图6 正向加载门架应力比云图

图7 门架反向加载时模型荷载及约束示意图

图8 反向加载门架位移图

图9 反向加载门架应力比云图

通过对门架正向和反向加载两种工况做检验，当门架正向加载时，门架整体最大应力比为0.302，小于1.0，承载力满足要求；竖向位移为5.714 mm，小于L/400（4836/400=12.09 mm）,位移满足要求。当门架反向加载时，门架整体最大应力比为0.329，小于1.0，承载力满足要求；竖向位移为-6.296 mm，绝对值小于L/400（4836/400=12.09 mm）,位移也满足要求。而且正向和反向加载两种工况下，应力比均远小于1.0，因此门架的安全储备足够大，能够保证光伏支架型式试验加载顺利进行。

3 光伏支架型式试验传力装置的计算分析

传力装置主要用于传递反力装置施加给光伏支架的荷载，为保证传力装置不发生过大变形，而且能把荷载有效传递到支架上，采用3D3S 软件进行建模分析，因传力装置传递的荷载最终到支架的檩条上，所以将檩条作为传力装置的支座，而光伏板边框模拟梁与檩条是螺栓铰接连接，所以定义支座为铰接支座，3D3S 模型及内力分析见图10~图17。

图10 传力装置正向加载时模型荷载及约束示意（侧视图）

图11 正向加载传力装置位移图

图12 正向加载传力装置应力比云图

图13 正向加载支座反力局部图

图14 传力装置反向加载时模型荷载及约束示意（侧视图）

图15 反向加载传力装置位移图

图16 反向加载传力装置应力比云图

通过以上对传力装置正向和反向加载两种工况做检验，当传力装置正向加载时，传力装置整体最大应力比为0.556,小于1.0，承载力满足要求，竖向最大位移出现在一级传力梁集中荷载作用位置，为-2.254 mm, 绝对值小于L/400（2 538/400=6.34 mm）,位移满足要求。当传力装置反向加载时，传力装置整体最大应力比为0.672，小于1.0，承载力满足要求；竖向最大位移为3.031 mm，小于L/400（2 538/400=6.34 mm）,位移也满足要求。而且正向和反向加载两种工况下，支座反力基本接近，平均值接近0.6 kN,支座总数为208 个，反算出支座反力总值为208×0.6=124.8 kN,根据上述荷载取值计算，加载荷载为80.59 kN，加上构件自重22 kN,总荷载为80.59+22=102.59 kN。支座反力总值与施加总荷载接近，说明施加荷载能有效传递到光伏支架，而支座反力总值略大，可能是由于加载装置变形引起的。

4 结论

该光伏支架型式试验加载装置是一种可以施加垂直于光伏板荷载的装置，它的特点在于能够模拟在光伏支架受力计算中起控制作用的正风和逆风荷载。通过3D3S 软件对反力装置和传力装置分别进行受力分析，结果显示：该加载装置安全可靠，而且能够将荷载有效传递给光伏支架，是一个安全可靠、简单适用的加载装置，在光伏支架试验领域可以推广使用。