柔性光伏支架锚具预制性装配的研究与应用

詹永和，黄 莉

（江西恒能电力工程有限公司，南昌 330001）

0 引言

随着中国提出碳达峰、碳中和的目标，以及国家从政策方面对新能源发展做出的支持，中国光伏产业得到了进一步推广。为应对光伏发电项目激增的情况，各种场地类型、规格的光伏发电项目应运而生。停车场作为开发利用前景巨大的光伏发电场景，具有极大的开发价值。随着光伏发电进入平价上网时代，原先停车场光伏发电项目的光伏支架结构形式、制造成本已无法满足如今停车场光伏发电项目的建设需求。传统的停车场光伏发电项目的结构形式是采用固定光伏支架和一般停车场结构相结合，但该结构形式的高度、跨度都存在时代的局限性，立柱较多、基础开挖量大、仅能停放小型车辆等因素都制约了停车场光伏发电项目这一巨大市场的开发。因此，应运用创新思维，根据不同类别应用场景，探索合理的光伏支架结构设计形式和安装方式，从而降低光伏发电项目的建设成本。

与固定光伏支架的结构不同，柔性光伏支架采用索结构作为光伏组件的支撑系统，通过锚具与主体结构相连。基于此，本文以河北省长安区某停车场光伏发电项目为例，提出该项目采用柔性光伏支架方案，对其索结构进行分析，通过对方案设计中技术方案、建设成本等要点及计算结果进行分析，提出柔性光伏支架锚具预制性装配应用的新思路，可为今后相似工程设计提供参考。

1 方案概述

本文以河北省长安区某12 MW 停车场光伏发电项目为例，对其结构件进行分析。对该项目采用的柔性光伏支架的紧固件、主材等进行归纳整理，结合输变电线路金具的可靠性，提出柔性光伏支架紧固件与输变电线路部分金具进行等价代换的方式，即利用市场上成熟的输变电线路金具，从而可以减少物资采购、工厂生产的时间，同时可以提高安装效率，极大缩短项目的施工周期。

针对该停车场光伏发电项目进行建模，并对柔性光伏支架锚具的预制性装配应用进行计算。根据停车场所在区域的气象资料，结合收集到的停车场高度、跨度、净空等基本参数要求，在CAD 软件中构建停车场光伏发电项目中某光伏方阵模型的初始框架。定义完成后，将该框架导入到SAP2000 有限元分析软件中，本方案柔性光伏支架系统采用索结构，在SAP2000 软件中定义完成索单元后，采用等效降温法模拟预应力的施加，叠加光伏组件和索的自重、雪荷载、风荷载，通过非线性分析后得出索结构的最大拉力，从而确定锚具的选型。

选取该停车场光伏发电项目中某光伏方阵进行计算。1 个标准光伏方阵设计安装336 块光伏组件，设计覆盖26 个车位。标准光伏方阵的光伏组件平面布置如图1 所示。

图1 标准光伏方阵的光伏组件平面布置图(单位：mm)Fig.1 Layout of PV modules for standard PV array (Unit：mm)

停车场光伏发电项目柔性光伏支架系统的前视示意图如图2 所示，侧视示意图如图3 所示。

图2 停车场光伏发电项目柔性光伏支架系统的前视示意图Fig.2 Schematic diagram of forward looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

图3 停车场光伏发电项目柔性光伏支架系统的侧视示意图Fig.3 Schematic diagram of side-looking of flexible PV bracket system for parking lot PV power generation project

2 计算模型

2.1 主要材料截面

选择1 个三跨柔性光伏支架进行研究，该停车场光伏发电项目的场地为平地，因此可不考虑场地坡度对索结构的影响。光伏阵列东西向跨度为20.1 m，光伏组件安装倾角采用15°；索结构净空为6.0 m；南北向中间榀的跨度为6.6 m，南北向边缘榀的跨度为3.3 m，边缘榀增加支撑；所有光伏支架立柱与地面固接，主索与稳定索通过锚具连接于主梁或立柱上，每跨内间隔4.4 m设置一道三角锥，三角锥与三角锥之间通过圆钢连接；设计基本风压为0.40 kN/m2、基本雪压为0.30 kN/m2，结构安全等级为二级；设计使用年限为25 年，地面粗糙度类别为B 类；设计抗震设防烈度为6 度，基本地震加速度值为0.05g，地震分组为第3 组。

主索与稳定索均采用Φ15.2 mm 的预应力热镀锌钢绞线；主梁采用规格为150 mm×250 mm×10 mm 的口型钢，边跨立柱采用规格为150 mm×150 mm×8 mm×6 mm 的H 型钢，中立柱采用规格为120 mm×4.5 mm 的口型钢，边立柱柱间支撑采用规格为Φ114 mm×3 mm 的型钢，三角锥采用规格为Φ40 mm×2.5 mm 的型钢，边立柱侧边支撑采用规格为160 mm×4 mm 的口型钢。所有型材均采用Q345B。

2.2 主要设计参数

由于光伏行业通常采用的相关设计规范未对柔性光伏支架进行相关描述，因此本停车场光伏发电项目按照JGJ 257—2012《索结构技术规程》[1]中的相关规定进行设计。JGJ 257—2012 中规定，索网、双层索系及横向加劲索系屋盖的最大挠度与跨度之比自初始预应力状态之后不宜大于L/250(L为跨度)；考虑到索结构挠度过大会给光伏组件造成隐裂等危害，需严格按照该规范要求控制索结构的挠度。该停车场光伏发电项目中柔性光伏支架的主要设计参数汇总如表1所示。

3 结构分析

3.1 建立结构分析模型

采用SAP2000 软件进行结构分析，该软件中有两种方法可模拟索结构建模，分别为修改刚度法和直接绘制索法。本项目的柔性光伏支架系统的索结构建模采用直接绘制索法，即通过在软件中直接绘制索的方法来绘制整个结构分析模型。

由于光伏组件存在15°的安装倾角，索与主梁连接的位置无法完全重合，因此建模时在该位置设置节点约束，通过指定节点约束，添加“WELD”和“WELD2”两个节点约束，约束类型为“BODY”。其中，“WELD”为索与边跨主梁的连接节点约束，此约束限制X、Y、Z这3 个方向的平动和转动，并且规定拼接容差，将同一根索与主梁连接的3 个节点归并为1 组；“WELD2”为索与中间跨主梁的连接节点约束，此约束仅限制X、Z两个方向的平动，并且规定拼接容差，将同一根索与主梁连接的3 个节点归并为1 组。立柱底部采用固接。

SAP2000 软件中可采用等效降温法模拟预应力的施加。该方法中，所需的变化温度ΔT的计算式可表示为：

式中：F为单根索所需达到的预拉力。

根据式(1)可计算得到，本项目中，主索的预拉力为80 kN，稳定索的预拉力为20 kN。

3.2 荷载组合

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》[2]中的条文说明，对于地面用光伏组件的光伏支架，当设计抗震设防烈度小于8 度时，可以不进行抗震验算。本项目的设计抗震设防烈度为6 度，所以地震荷载不参与柔性光伏支架的荷载组合，在最不利荷载中不需要考虑地震荷载。

根据GB 50797—2012 中的要求，无地震作用效应组合时，荷载效应组合的设计值S应按式(2)进行计算，即：

式中：γG为永久荷载分项系数，对结构有利时取1.0，反之取1.3；γw、γs、γt分别为风荷载、雪荷载和温度作用的分项系数，本文均取1.5；ψw、ψs、ψt分别为风荷载、雪荷载和温度作用的组合值系数；SGk为永久荷载标准值；Swk为风荷载标准值；Ssk为雪荷载标准值；Stk为温度作用标准值。

本项目承载能力极限状态下的荷载基本组合分别定义如下：

1)“COMB1”：1.3SGK+ 1.5Swk1+ 1.05Ssk。

2)“COMB2”：1.3SGK+ 0.9Swk+ 1.5Ssk。

3)“COMB3”：1.0SGK+ 1.5Swk2。

式中：Swk1为风荷载标准值(迎风)；Swk2为风荷载标准值(背风)。

正常使用极限状态下的荷载标准组合分别定义如下：

1)“COMB4”：1.0SGK+ 1.0Swk1+ 0.7Ssk。

2)“COMB5”：1.0SGK+ 0.6Swk+ 1.0Ssk。

3)“COMB6”：1.0SGK+ 1.0Swk2。

在SAP2000 软件中，先定义温度作用工况为初始工况，模拟初始预应力情况。分析类型选择“非线性”选项，并选择“几何非线性参数”下的“P-Δ 和大位移”选项。索结构的安装采用先张法，张拉完成后再铺设光伏组件。在SAP2000 软件中，用“DEAD”模拟光伏组件荷载，“接力非线性工况”选择“温度作用”。同理，雪荷载施加在光伏组件安装完成后，即“接力非线性工况”选择“DEAD”；风荷载添加与雪荷载添加原理相同。

在添加完荷载工况后，直接在荷载工况菜单栏下添加荷载组合，即分别添加“COMB1”“COMB2”“COMB3”“COMB4”“COMB5”“COMB6”，“接力非线性工况”选择“温度作用”。完成后，在定义荷载组合的菜单下，直接添加已在荷载工况菜单栏中添加的荷载组合“COMB1”～“COMB6”，完成荷载组合的定义。

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3.3 模型分析

采用等效降温法模拟预应力的施加。在“荷载模式”中选择“温度”选项，主索施加的温度为-242 ℃，稳定索施加的温度为-120 ℃，模拟结果如图4 所示。

图4 等效降温法得到的预应力模拟结果Fig.4 Simulated results of prestress obtained by equivalent cooling method

在正常使用极限状态的荷载标准组合作用下，主索、稳定索的结构变形图分别如图5、图6 所示。图中：“Pt Obj”表示单位；“Pt Elm”表示节点编号；U1、U2、U3分别代表沿节点局部轴X、Y、Z向的平动位移；R1、R2、R3分别代表绕节点局部轴X、Y、Z向的转动位移。

图5 在正常使用极限状态的荷载标准组合作用下主索的结构变形图Fig.5 Diagram of structural deformation of main cable under action of load standard combinations in normal service limit state

图6 在正常使用极限状态的荷载标准组合作用下稳定索的结构变形图Fig.6 Diagram of structural deformation of stable cable under action of load standard combinations in normal service limit state

从图5、图6 可以看出：在正常使用极限状态的荷载标准组合作用下，主索的最大位移(即最大竖向挠度)为78.69 mm；稳定索的最大位移(即最大竖向挠度)为74.32 mm。

经计算分析，主索、稳定索均采用Φ15.2 mm 钢绞线，可满足使用要求，即主索的初始预应力为80 kN，稳定索的初始预应力为20 kN。

在承载能力极限状态的荷载基本组合作用下，主索的最大内力(即最大拉力)为116.955 kN。根据JGJ 257—2012[1]的要求，索的抗拉力设计值F1需按式(3)计算，即：

式中：Ftk为索的极限抗拉力标准值；γR为索的抗拉力分项系数，本文取2.0。

Φ15.2 mm 钢绞线的极限抗拉力标准值为260.400 kN，根据式(3)可计算得到，其抗拉力设计值为130.200 kN。而主索的最大拉力为116.955 kN，小于索的抗拉力设计值。

表2 索结构的预应力计算结果Table 2 Calculation results of prestressing force in cable structures

4 锚具的选择

4.1 锚具类型的选择

锚具类型需要按照JGJ 257—2012[1]和JGJ 85—2010《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》[3]中的要求进行选择。

JGJ 257—2012[1]中第4.3 章关于锚具的具体规定为：索的常用锚具及连接的构造形式应满足安装和调节的需要；钢丝束、钢丝绳索体采用热铸锚具或冷铸锚具；钢绞线索体可采用夹片锚具，也可采用挤压锚具或压接锚具；承载低应力或动荷载的夹片锚具应有防松装置。

JGJ 85—2010[3]中关于锚具的具体规定如表3 所示。

表3 JGJ 85—2010 中关于锚具的具体规定Table 3 Specific regulations for anchors in JGJ 85—2010

根据上述2 个规范要求，本方案创新性地采用输电线路金具(挤压锚具)替换柔性光伏支架系统索结构的锚具是满足规范要求的。

4.2 输电线路金具的受力分析

根据SAP2000 软件输出的计算结果，本方案柔性光伏支架系统索结构的主索及稳定索均采用Φ15.2 mm 钢绞线；配套锚具采用输电线路金具(即楔形线夹)。不同型号楔形线夹的主要参数如表4 所示。

表4 不同型号楔形线夹的主要参数Table 4 Main parameters of different types of wedge clamps

从表4 可以看出：根据厂家提供的资料，型号为NX-3 的楔形线夹的破坏荷载为143 kN，型号为NX-4 的楔形线夹的破坏荷载为164 kN，均可满足使用要求。

5 大跨度柔性光伏支架锚具预制性装配的应用前景

在当前的应用市场上，柔性光伏支架多应用于建在停车场、污水处理厂，以及复杂山地场景的光伏发电项目中。本文以停车场光伏发电项目为应用场景，在索结构安装的部分提出锚具预制性装配应用这一新思路。经过实际计算后发现，采用输电线路金具可以充当索结构的锚具，并且输电线路金具在国家电网几十年的发展中已经趋于完善，拥有完整的设计、生产、施工的优质产业链。以往采用柔性光伏支架的项目中，设计院的设计方案完成后，需寻求锚具厂家针对项目所用锚具进行开模，而此过程通常需要15～30 天的周期；若直接通过设计计算后选择相应的输电线路金具，厂家无需开模，可直接供应产品，将极大地缩短产品的生产周期，从而缩短了光伏发电项目的施工周期，并可降低光伏发电项目的建设成本。

6 结论

本文以河北省长安区某停车场光伏发电项目为例，该项目采用柔性光伏支架方案，通过建立模型对其索结构的预应力进行计算分析，提出锚具预制性装配应用的新思路，并对通常采用的索结构锚具与输电线路金具(挤压锚具)进行了对比。研究结果表明：经过实际计算后发现，采用输电线路金具可以充当索结构的锚具，从而减少了产品的生产时间，缩短了光伏发电项目的施工周期，并降低了项目的建设成本。

在过去十几年的时间内，中国光伏电站蓬勃发展，为助力光伏行业的持续发展，各种形式的光伏支架层出不穷，柔性光伏支架在目前应用市场的热度也在持续增高，不少传统光伏支架的生产企业已转入柔性光伏支架的研发与改进中，而索结构锚具的预制性装配应用将使缩短施工周期这一目标成为可能。