■ 蔚博琛 張廣平 苗廣威 李玉潤 郭航

（1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室；2. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院； 3. 中國能源建設(shè)集團甘肅省電力設(shè)計院有限公司）

0 引言

隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，在濕陷性黃土、新填土、軟弱土地基上建設(shè)的光伏電站越來越多。但該類地基土較易發(fā)生沉陷，且在許多情況下會因經(jīng)濟原因而較難完全解決沉陷問題，尤其是支座沉降往往會增大支架、光伏組件損壞的風(fēng)險[1]，進而影響發(fā)電情況和電力安全。

光伏支架從結(jié)構(gòu)形式上可分為跟蹤式和固定式兩類。跟蹤式支架雖然可以提高光伏電站的發(fā)電量，但造價和維護成本高；而固定式光伏支架結(jié)構(gòu)簡單、造價低，并且后期維護費用少。因此，大型光伏電站以固定式光伏支架居多[2]。

目前，對于支架的結(jié)構(gòu)形式已有大量研究[3-6]，取得了較多的成果，并已在光伏支架中得到了應(yīng)用，但業(yè)界對支座沉降時支架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究卻很少。雖然對于濕陷性黃土、新填土、軟弱土地基上支座沉降的研究較多，但主要集中在框架、網(wǎng)架等建筑結(jié)構(gòu)方向[7-8]，對光伏支架力學(xué)性能影響的研究卻很少。大部分文獻中，在研究不均勻沉降時，通常將柱腳與基礎(chǔ)的連接物定義為支座，并使某支座發(fā)生沉降，以此模擬不均勻沉降的產(chǎn)生。

因此，本文將光伏支架的前、后立柱與基礎(chǔ)的連接物定義為支座，并采用有限元軟件ABAQUS，分析采用獨立基礎(chǔ)的固定式光伏支架發(fā)生支座沉降時的力學(xué)性能，以期得到可信的結(jié)論，供濕陷性黃土、新填土、軟弱土地基上的光伏電站建設(shè)時參考。

1 光伏支架概況

本文分析的固定式光伏支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)形式在大、中型光伏電站中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 光伏支架結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖1 中各構(gòu)件的排布尺寸主要由光伏組件的大小決定。前立柱、后立柱、斜梁和斜撐組成光伏支架的檁條支撐結(jié)構(gòu)，整個光伏支架由等間距布置的8榀檁條支撐結(jié)構(gòu)和其上連續(xù)通長布置的4根檁條構(gòu)成。從經(jīng)濟性的角度考慮，光伏電站的檁條跨度一般在3 m左右，故本文分析的檁條支撐結(jié)構(gòu)采用3.1 m的間距布置。為增加結(jié)構(gòu)平面外剛度，通常在結(jié)構(gòu)兩側(cè)布置如圖1所示的2組支撐。

光伏支架側(cè)立面如圖2所示，支架前、后立柱下端分別與獨立基礎(chǔ)相連，上端分別與斜梁鉸接。為減小斜梁的跨中彎矩，在斜梁中部設(shè)置斜撐，該斜撐一端同斜梁鉸接，另一端與后立柱下端鉸接。斜梁上布置有4根檁條，每2根檁條為1組，其上豎向布置長、寬分別為1650 mm和992 mm的光伏組件。

圖2 光伏支架側(cè)立面結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

光伏支架除2組支撐采用直徑為10.7 mm的圓形截面外，其他主要桿件均采用圖2中所示的寬、高、厚分別為41 mm、52 mm和2 mm的U形截面；獨立基礎(chǔ)采用長、寬、高分別為250 mm、250 mm和600 mm的矩形截面棱柱體。為節(jié)省造價，除檁條為Q345鋼外，其他所有構(gòu)件均采用Q235鋼。

2 有限元分析

2.1 分析模型

本文采用有限元軟件ABAQUS建立光伏支架的三維分析模型。2組圓形截面支撐選用B31梁單元，該單元可用于模擬剪切變形不大的細長構(gòu)件；此外，模型中所有U形截面桿件均選用Timoshenko梁單元B31OS，該單元能夠考慮開口薄壁截面翹曲的影響。分析中將鋼材視為均勻的理想彈塑性材料，Q235鋼、Q345鋼的屈服強度分別為235 MPa和345 MPa，彈性模量均為210 GPa，泊松比均為0.3。

2.2 邊界條件

分析時不考慮風(fēng)荷載，并假設(shè)整個光伏支架只有1個支座發(fā)生沉降。假設(shè)光伏支架為圖3所示的連續(xù)梁，由于左、右側(cè)結(jié)構(gòu)具有對稱性，故只需分析一半結(jié)構(gòu)即可。支座未發(fā)生沉降(彈簧鋼度K=∞)時，光伏支架上僅承受如圖3a所示的支架結(jié)構(gòu)和組件自重的恒載。假設(shè)端部支座發(fā)生沉降，則支架將產(chǎn)生變形和內(nèi)力，同時，附近支座也將產(chǎn)生反力，如圖3b所示。為模擬支座沉降，本文減小了擬發(fā)生沉降的支座的彈簧剛度。以不發(fā)生沉降時支座處的位置為位移原點，支座位移和反力正方向均為垂直向下。

圖3 支架結(jié)構(gòu)分析示意圖

光伏支架的支座編號如圖4所示，將左側(cè)第一榀檁條支撐結(jié)構(gòu)命名為1，編號由左向右依次遞增；各榀檁條支撐結(jié)構(gòu)的前、后支座分別命名為A、B。

圖4 支座編號示意圖

光伏組件自重為0.2 kN/m2，分析時將其轉(zhuǎn)化為線荷載施加在檁條上；桿件自重通過施加重力加速度來分析；獨立基礎(chǔ)的自重通過在支座處施加集中力來分析。分析分為兩步：1)先鎖定所有支座的全部自由度，施加光伏組件自重、桿件自重和獨立基礎(chǔ)自重，并設(shè)沉降支座下部的彈簧剛度K=∞，以模擬正常使用狀況；2)保持其他支座的約束條件不變，將擬發(fā)生沉降的某一支座下部的彈簧剛度K逐漸減小到零(基礎(chǔ)與地基完全脫開)來考慮支座沉降對光伏支架的影響。

3 計算結(jié)果及分析

光伏支架在某一支座發(fā)生沉降時產(chǎn)生了變形和次內(nèi)力，且發(fā)生沉降的支座和附近支座均產(chǎn)生了反力。下文對發(fā)生沉降時光伏支架支座的反力-位移曲線和剛度-位移曲線，以及支座沉降后的變形與應(yīng)力云圖進行了分析。

3.1 發(fā)生沉降時支座的反力-位移曲線

支座發(fā)生沉降時的位移即為支座沉降量。在支座發(fā)生沉降時，光伏支架會對支座產(chǎn)生約束，而支座將產(chǎn)生反力。因此，發(fā)生沉降的支座的反力-位移曲線反映了支座沉降量與施加給支架結(jié)構(gòu)的反力之間的關(guān)系。

支座剛開始發(fā)生沉降時(沉降量為0 mm)，支架只受垂直向下恒載的作用，因此此時支座反力向上；由于支座反力以垂直向下為正，則發(fā)生沉降的支座的初始反力為負值，如圖5所示。內(nèi)部(2A～4A、2B～4B)支座發(fā)生沉降時的初始反力基本相同，而外側(cè)1A、1B支座的初始反力明顯偏小。這主要是由于該榀檁條支撐結(jié)構(gòu)位于端部，檁條傳來的恒載較少引起的。

圖5 發(fā)生沉降時支座的反力-位移曲線

由圖5可知，1A支座沉降完成(K=0)時，該支座處光伏支架的位移最大，1B支座次之，其余支座的最大位移基本相等，即外部荷載在1A支座處導(dǎo)致的沉降位移最大。這表明光伏支架在1A支座處抵抗下拉荷載(基礎(chǔ)自重等)的能力最低，結(jié)構(gòu)容易在此處發(fā)生破壞。

3.2 發(fā)生沉降時支座的剛度-位移曲線

支座沉降量較小時，光伏支架總體處于彈性階段，剛度未發(fā)生明顯變化。隨著沉降量的增加，部分桿件開始進入塑性階段，結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)緩慢下降。當(dāng)部分桿件全截面進入塑性階段時，支架結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生顯著降低。隨著沉降量的進一步增加，結(jié)構(gòu)剛度緩慢下降并趨于零，結(jié)構(gòu)完全喪失進一步承載的能力。如圖6所示，當(dāng)支座沉降完成(K=0)時，1A支座處于結(jié)構(gòu)完全喪失承載能力階段；2A、3A、4A支座處于結(jié)構(gòu)剛度顯著降低階段；而1B、2B、3B、4B支座則處于彈性階段。

圖6 發(fā)生沉降時支座剛度-位移曲線

由圖6可知，前支座中，光伏支架的初始剛度由外到內(nèi)呈增加趨勢，在3A、4A支座處光伏支架的初始剛度基本達到最大值。后支座中，1B支座處光伏支架的初始剛度最小，而由于支撐的存在，2B支座處光伏支架的初始剛度大于3B、4B支座處；3B、4B支座處光伏支架的初始剛度基本相同。對比圖6a和圖6b可知，發(fā)生沉降時，1A、1B支座處光伏支架的初始剛度不到其他支座處光伏支架初始剛度的50%，這表明最外側(cè)結(jié)構(gòu)(軸1結(jié)構(gòu))的初始剛度明顯小于內(nèi)側(cè)，最外側(cè)結(jié)構(gòu)的整體性差。支撐并未顯著提升最外側(cè)結(jié)構(gòu)的剛度，即支撐對最外側(cè)結(jié)構(gòu)剛度的增大作用并不明顯。

光伏支架發(fā)生過大的變形會使其上安裝的光伏組件松脫或損壞。為保證結(jié)構(gòu)的安全，將光伏支架剛度開始發(fā)生顯著降低的特征點作為結(jié)構(gòu)的屈服點。對各支座沉降時支架結(jié)構(gòu)的屈服荷載和屈服位移進行統(tǒng)計，如表1所示。由表1可知，前支座沉降時光伏支架均發(fā)生了屈服，后支座沉降時光伏支架均未發(fā)生屈服。

表1 光伏支架的屈服位移和屈服荷載

光伏支架前支座處的屈服位移相差不大，但1A、2A支座處的屈服荷載明顯小于3A、4A支座處，這表明在外荷載作用下1A、2A支座沉降時光伏支架更易發(fā)生破壞，1A、2A支座沉降時光伏支架具有產(chǎn)生較大變形的趨勢，進一步的沉降可能引起光伏支架的顯著損壞。

光伏支架后支座處的屈服荷載明顯大于前支座處，這表明前支座沉降可能導(dǎo)致的危險性更大。設(shè)計時應(yīng)考慮對前部結(jié)構(gòu)進行加強，或?qū)η爸ё幍某两盗窟M行完全消除，以避免對支架結(jié)構(gòu)的損壞。

3.3 支座的變形及應(yīng)力云圖

圖7為支座沉降完成(K=0)時的變形圖和部分截面點的Mises應(yīng)力云圖。由于軸3、軸4支座沉降時應(yīng)力云圖基本相同，故只給出軸1～軸3支座沉降時的Mises應(yīng)力云圖。由圖7可以看出，支座的沉降使光伏支架產(chǎn)生了顯著的變形，并在光伏支架中產(chǎn)生了較大內(nèi)力。最外側(cè)支座的沉降將引起軸2結(jié)構(gòu)上檁條應(yīng)力的顯著增大。內(nèi)側(cè)支座的沉降將使本榀檁條支撐結(jié)構(gòu)上的檁條及相鄰榀檁條支撐結(jié)構(gòu)上的檁條應(yīng)力顯著增大，其余位置后檁條應(yīng)力變化不大。

圖7 光伏支架變形圖及Mises應(yīng)力云圖(Avg：75%)

前支座的沉降將引起后立柱與斜撐相交處桿件的屈服，而交叉布置的支撐的應(yīng)力較小，作用不明顯。后部支座的沉降主要引起檁條應(yīng)力的顯著增大。

綜上所述，某支座的沉降將導(dǎo)致臨近光伏支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形，并引起該榀及相鄰榀檁條及檁條支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的內(nèi)力；所有桿件中，檁條和后立柱最容易發(fā)生損壞。

4 結(jié)論

本文通過采用有限元軟件ABAQUS對單一支座沉降時光伏支架的力學(xué)性能進行分析，得出以下結(jié)論：

1)若端部前支座發(fā)生沉降時，光伏支架抵抗下拉荷載(基礎(chǔ)自重等)的能力較低，光伏支架容易在該處發(fā)生破壞。

2)光伏支架的前部結(jié)構(gòu)對沉降更為敏感，設(shè)計時應(yīng)考慮對前部結(jié)構(gòu)進行加強，或?qū)η爸ё幍某两盗窟M行完全消除。

3)某一支座的沉降將導(dǎo)致附近光伏支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形，并引起該榀及相鄰榀檁條及檁條支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的內(nèi)力，其中檁條和后立柱最容易發(fā)生損壞。