劉春雨 白 冰 李臘梅

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

太陽(yáng)能板支架體系等效靜力風(fēng)荷載響應(yīng)分析

劉春雨 白 冰 李臘梅

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載影響較大，而目前對(duì)風(fēng)載研究較少。以常見(jiàn)的展廳式太陽(yáng)能板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，將風(fēng)荷載作為等效靜力荷載，采用有限元法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模及風(fēng)載響應(yīng)分析，得出了在等效靜力風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)各處的位移和應(yīng)力值，將結(jié)構(gòu)在各工況下的位移和應(yīng)力相比較，得出風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，為太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

太陽(yáng)能板，風(fēng)載響應(yīng)，等效靜力風(fēng)荷載，有限元分析

太陽(yáng)能作為一種清潔能源，已成為學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點(diǎn)[1]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能支架系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，更多的是直接將支架體系作為一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[2-4]。將太陽(yáng)能板作為一種附加荷載，對(duì)支架體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，是一種比較成熟的分析方法，包括對(duì)各類(lèi)大跨度結(jié)構(gòu)、塔式結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等的研究，主要考慮的設(shè)計(jì)荷載為風(fēng)振荷載、地震荷載或者兩者的共同作用[5]。本文擬采取上述方式，對(duì)某展廳式太陽(yáng)能板支架體系進(jìn)行風(fēng)荷載研究分析。分析中忽略了風(fēng)荷載對(duì)板的影響，直接將板作為已知荷載均攤到結(jié)構(gòu)上，利用ANSYS建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力分析[6]。

1 等效靜力風(fēng)荷載

靜風(fēng)荷載的模擬主要是根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出的計(jì)算公式，考慮不同風(fēng)速、結(jié)構(gòu)高度、體型變化、地面粗糙度等，賦予不同的參考數(shù)值及系數(shù)。其理論意義是：用一組靜力荷載施加在結(jié)構(gòu)上，該靜力荷載要滿(mǎn)足產(chǎn)生的響應(yīng)與按照隨機(jī)振動(dòng)理論方法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)各處的響應(yīng)相等或基本相等，并可以把這組靜力荷載作為等效靜力風(fēng)荷載來(lái)使用，進(jìn)而簡(jiǎn)化工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。下面簡(jiǎn)單介紹兩種：陣風(fēng)荷載因子法和慣性力法。

1.1陣風(fēng)荷載因子法

(1)

(2)

1.2慣性力法

慣性力法是從結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程出發(fā)，用結(jié)構(gòu)的一階振型慣性力來(lái)表示等效靜風(fēng)荷載。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的理論，脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程可表示為：

(3)

式(3)右端為廣義外荷載，用{Peq}表示。那么結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)可看作是在廣義外荷載作用下的靜力響應(yīng)：

[K]{x(t)}={Peq}

(4)

可以看出，廣義外荷載就相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力。利用振型分解法，式(4)可進(jìn)一步表示為：

(5)

其中，{φ}j為第j振型向量；qj(t)為第j振型廣義坐標(biāo)。

已知結(jié)構(gòu)的特征值方程為：

(6)

其中，ωj為結(jié)構(gòu)的第j振型圓頻率。

將式(6)代入式(5)得：

(7)

從式(7)可看出，廣義外荷載代表了各振型慣性力的組合。當(dāng)僅考慮第一階振型的影響時(shí)，廣義外荷載可表示為：

(8)

其中,g為峰值因子；σ1為第一階振型廣義坐標(biāo)q1的均方根。

則等效靜風(fēng)荷載可表示為：

(9)

式(9)也可進(jìn)一步表示為：

(10)

其中，Gp為風(fēng)振系數(shù)，其表達(dá)式為：

(11)

雖然上述兩種方法得到的計(jì)算式式(2)和式(11)結(jié)構(gòu)上很相似，但是它們是有本質(zhì)的區(qū)別的。首先，風(fēng)振系數(shù)Gp與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和動(dòng)力特性有關(guān)，其沿高度是變化的，而陣風(fēng)荷載因子Gx由于僅與結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的響應(yīng)有關(guān)，因此是一個(gè)定值；其次，由慣性力法所得的等效靜風(fēng)荷載是平均風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)振型慣性力的疊加，其分布顯然與平均風(fēng)荷載不同。相比陣風(fēng)荷載因子法來(lái)說(shuō)，慣性力法更好的反映了結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下動(dòng)力響應(yīng)放大的物理本質(zhì)，而且其推導(dǎo)過(guò)程更為嚴(yán)密。但當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大，以背景響應(yīng)為主時(shí)，根據(jù)慣性力法所得出的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)的荷載分布會(huì)存在一定的偏差。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

本文所選擇的結(jié)構(gòu)為一種常見(jiàn)展廳的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，幾何外形如圖1,圖2所示。主體為受壓柱和承受拉力為主的鋼繩索。太陽(yáng)能板布置在屋頂。在結(jié)構(gòu)分析中，太陽(yáng)能板以外荷載的形式附加在結(jié)構(gòu)骨架上。本文選擇的計(jì)算外環(huán)境為：鄭州市B類(lèi)地貌。

結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，跨度為36 m，高度36 m，型鋼環(huán)距頂部5 m，玻璃鋼環(huán)距地面高程為22.25 m。中心柱采用1.5 m直徑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；三叉支撐采用0.7 m直徑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；上纜繩采用直徑7/15 cm的鋼管，下纜繩由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為增大其剛度，選取與上纜繩不同的截面鋼管，即10 cm/20 cm；玻璃鋼管直徑0.7 m、內(nèi)徑0.6 m。材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

材料類(lèi)型密度/kg·m-3彈性模量/Pa泊松比鋼筋混凝土25003.0e100.18鋼絞線78002.5e110.1型鋼80002.1e110.3玻璃鋼21002.1e100.3

2.2荷載工況

荷載工況分為5類(lèi)。重點(diǎn)觀察各工況下節(jié)點(diǎn)的X向位移以及各工況下單元的應(yīng)力，按照加載順序分別為：

工況一：結(jié)構(gòu)自重。

工況二：結(jié)構(gòu)自重+屋頂活荷載。

工況三：結(jié)構(gòu)自重+屋頂活荷載+風(fēng)荷載。

工況四：結(jié)構(gòu)自重+屋頂活荷載+水重。

工況五：結(jié)構(gòu)自重+屋頂活荷載+風(fēng)荷載+水重。

注：屋頂活荷載取0.5 kN/m2；水重是玻璃鋼管中充滿(mǎn)水時(shí)的重量。

2.3結(jié)果及分析

取4個(gè)典型節(jié)點(diǎn)：鋼纜繩中間節(jié)點(diǎn)476、三叉撐中間撐上部節(jié)點(diǎn)4333、型鋼環(huán)中間節(jié)點(diǎn)14以及中心柱上端節(jié)點(diǎn)6110，對(duì)其X方向位移作重點(diǎn)分析。4個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的位移隨工況變化的情況如圖3所示。

由圖3可以看出：1)在各工況作用下，上鋼纜繩及三叉撐發(fā)生的水平向位移較其他構(gòu)件都大，最大的X向位移為5.05 cm，發(fā)生在三叉撐上部節(jié)點(diǎn)，最大值在結(jié)構(gòu)的承受范圍內(nèi)；2)對(duì)比工況二和工況四、工況三和工況五，風(fēng)荷載的施加對(duì)X水平向的位移產(chǎn)生比較大的影響；3)對(duì)比工況四和工況五發(fā)現(xiàn)，豎向的作用力會(huì)對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平向位移有微小的影響，且影響是正向的；4)對(duì)于各構(gòu)件的水平位移主要是由于風(fēng)荷載的作用引起的。

原因分析：1)鋼纜繩的柔度相對(duì)較其他構(gòu)件大，對(duì)于荷載引起的變形也相對(duì)較其他構(gòu)件大；2)風(fēng)荷載的施加是引起構(gòu)件水平位移的主要原因；3)對(duì)各構(gòu)件的水平位移影響最大的荷載是水平向風(fēng)荷載。

再選擇6個(gè)典型單元：型鋼環(huán)中間單元10、上纜繩上部及下部單元229和709、下纜繩中間單元1640、玻璃鋼管跨中單元3481和中心柱下部單元25177，對(duì)其應(yīng)力作重點(diǎn)分析。6個(gè)典型單元的應(yīng)力隨工況變化的規(guī)律如圖4所示。

圖4中，前5個(gè)單元的應(yīng)力結(jié)果為第一主應(yīng)力，而最后一個(gè)單元的應(yīng)力結(jié)果為Z向應(yīng)力。

由圖4可以看出：1)在各工況下，型鋼環(huán)的最大應(yīng)力為7.79 MPa，在型鋼環(huán)的承載能力范圍內(nèi)；2)各工況在鋼筋混凝土中心柱上產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大值為5.88 MPa，在鋼筋混凝土的承載能力范圍；3)上纜繩在各工況下產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為79.34 MPa，在鋼纜繩的承載能力范圍內(nèi)；4)隨著荷載的施加，構(gòu)件的應(yīng)力逐漸增大，其中，對(duì)型鋼環(huán)應(yīng)力影響最大的是水平向的風(fēng)荷載，對(duì)鋼筋混凝土柱應(yīng)力影響最大的是豎直向的屋面活荷載。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述分析計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

1)風(fēng)荷載對(duì)柔度較大的構(gòu)件產(chǎn)生的影響較大。X,Z向位移變形最大的位置分別在三叉撐上部節(jié)點(diǎn)和上纜繩跨中節(jié)點(diǎn)上，由于其柔度大，在水平和豎直方向受力時(shí)，產(chǎn)生的位移較大。2)對(duì)比工況二和工況四、工況三和工況五，風(fēng)荷載的施加對(duì)X水平向的位移產(chǎn)生比較大的影響。3)對(duì)比工況四和工況五發(fā)現(xiàn)，豎向的作用力會(huì)對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平向位移有微小的影響，且影響是正向的。這給對(duì)風(fēng)重耦合的效應(yīng)研究提供了參考。

[1] 王藝璇.巴黎氣候大會(huì)成果初顯[J].經(jīng)濟(jì)全球，2016(1):47-49.

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Responseanalysisofequivalentstaticwindloadofsolarpanelsupportsystem

LiuChunyuBaiBingLiLamei

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The solar energy structure is affected by wind load, but there is little research on wind load. In this paper, a common solar panel structure is taken as the object of study. Wind load is taken as an equivalent static load, and the structure model and wind load response analysis are carried out by the finite element method. The displacement and stress values of the structure under the static wind load are obtained. The displacement and stress of the structure under different working conditions are compared, and the influence of wind load on the structure is obtained. It provides reference for the design of solar energy structure.

solar panel, wind load response, equivalent static wind load, finite element analysis

TU312.1

A

1009-6825(2017)27-0045-03

2017-07-15

劉春雨(1991- )，男，在讀碩士