趙 鵬，呂全偉

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

太陽能作為新能源發(fā)展的主要形式之一，具有污染可控、能耗低、發(fā)電期間不會產(chǎn)生有害物質(zhì)等優(yōu)勢[1]。光伏支架作為太陽能光伏組件的支撐結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行及成本控制有著重要的影響[2]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 地質(zhì)概括

遼寧省營口市境內(nèi)，初擬場址區(qū)總體呈不規(guī)則多邊形；場區(qū)西側(cè)地形起伏較小，海拔高程為1～60 m，總體屬海積、沖積平原地貌；場區(qū)東側(cè)地形起伏較大，海拔高程為15～430 m，呈總體屬剝蝕、侵蝕低山丘陵地貌。場區(qū)覆蓋層分布廣泛，為海相沉積、沖洪積和坡洪積層，地表多為耕地、經(jīng)濟(jì)作物果林及魚塘。區(qū)內(nèi)地表植被發(fā)育良好，主要為灌木林及農(nóng)作物。

場區(qū)出露地層由新至老依次為：新生界第4系，主要分布在營口市西北側(cè)、西側(cè)沿海區(qū)域，場區(qū)中部區(qū)域，由北向南展布，場區(qū)中西部河谷區(qū)域和場區(qū)西側(cè)坡腳區(qū)域；侏羅紀(jì)侵入巖，主要分布場區(qū)南側(cè)；中下元古界前震旦系，主要分布場區(qū)東部高屯鎮(zhèn)南側(cè)和東北部區(qū)域。

1.2 房屋現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場踏勘及問詢，房屋多為農(nóng)村自建房，已使用30、40年，屬于年份久遠(yuǎn)的老舊危房。且民房均為當(dāng)?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗(yàn)自行砌筑，沒有經(jīng)正規(guī)設(shè)計單位設(shè)計，缺少設(shè)計圖紙，存在建筑材料性能、施工質(zhì)量不穩(wěn)定、建筑結(jié)構(gòu)可靠度較低等問題。

在條件允許的情況下，盡可能不在農(nóng)戶自建房上設(shè)置光伏板，若在屋頂布置光伏板，建議選取房屋建筑使用年限不超過25年的現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面。并委托有資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，然后再進(jìn)行計算復(fù)核，滿足規(guī)范要求方可進(jìn)行屋面鋪設(shè)光伏板，同時在施工過程中編制施工組織，減少施工荷載，避免出現(xiàn)施工堆載的情況，并根據(jù)施工組織合理合規(guī)地進(jìn)行光伏板鋪設(shè)。

2 分布式光伏支架方案對比分析

2.1 主要設(shè)計參數(shù)

抗震設(shè)防烈度：8度；

電池組件規(guī)格：2 094 mm×1 038 mm×35 mm；電池組件重量：24.5 kg；

固定支架傾角：38°（地面）、20°（混凝土平屋面）；

50年基本風(fēng)壓：0.65 kN/m2；50年基本雪壓：0.40 kN/m2；25 年基本風(fēng)壓：0.54 kN/m2；25 年基本雪壓：0.36 kN/m2[3]。

2.2 主要材料

鋼材采用冷彎薄壁型鋼，鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件主要采用鍍鎂鋁鋅防腐處理，鍍鎂鋁鋅防腐涂層平均厚度滿足雙面275 g/m2，其余構(gòu)件采用熱鍍鋅防腐，鍍鋅層厚度小于65 μm。

2.3 荷載組合

由于電池組件支架及基礎(chǔ)自重較小，支架設(shè)計時風(fēng)荷載起控制作用，因此影響支架系統(tǒng)整體穩(wěn)定的主要荷載為風(fēng)荷載。

2.4 支架結(jié)構(gòu)形式

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，本項(xiàng)目支架結(jié)構(gòu)形式主要包含多立柱支架結(jié)構(gòu)、單立柱支架結(jié)構(gòu)、鋼支架屋蓋3 種[4,5]。

（1）多立柱支架結(jié)構(gòu)。多立柱光伏支撐結(jié)構(gòu)由主梁、次梁、前立柱、中立柱、后立柱、斜支撐和立柱基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件組成。多立柱光伏支撐結(jié)構(gòu)由多個立柱以及斜支撐支起主、次梁，由主、次梁托起光伏電池板。多立柱與基礎(chǔ)之間的連接通過焊接、預(yù)埋螺栓、預(yù)埋鋼管連接來實(shí)現(xiàn)。

本項(xiàng)目混凝土屋面均為當(dāng)?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗(yàn)自行砌筑，沒有經(jīng)過正規(guī)設(shè)計單位設(shè)計，缺少設(shè)計圖紙，其承載力無法通過計算進(jìn)行評估，為確保混凝土屋面結(jié)構(gòu)安全，上部支架應(yīng)采用多立柱支架結(jié)構(gòu)形式，通過多個立柱將上部荷載更加均勻地傳遞到混凝土屋面，同時為降低風(fēng)荷載效應(yīng)，通過降低固定支架傾角的方式實(shí)現(xiàn)，屋頂光伏傾角調(diào)整為20°。組件布置根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用1×N、2×N、3×N這3種布置形式，如圖1所示。

圖1 屋面多立柱支架結(jié)構(gòu)典型布置（單位：mm）

本項(xiàng)目地面組件布置根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用1×N、2×N、3×N這3種布置形式，支架傾角為38°，如圖2。

圖2 地面多立柱支架結(jié)構(gòu)典型布置（單位：mm）

（2）單立柱支架結(jié)構(gòu)。單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)主要由主梁、次梁、前支撐、后支撐、鋼柱、抱箍和單立柱基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件組成。單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)采用2個斜支撐支起主、次梁，從而托起光伏電池板，鋼斜撐與單柱之間連接通過抱箍實(shí)現(xiàn)，具有簡潔、高效的特點(diǎn)。

本項(xiàng)目混凝土屋面均為當(dāng)?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗(yàn)自行砌筑，沒有經(jīng)過正規(guī)設(shè)計單位設(shè)計，缺少設(shè)計圖紙，其承載力無法通過計算進(jìn)行評估，為確保房屋安全且滿足現(xiàn)場安裝容量要求，在房屋房前和屋后布置單立柱高支架形式，組件采用2×12進(jìn)行布置。立柱中心距離房屋外墻2 m，東西方向跨度3.7 m，支架傾角38°，如圖3所示。

圖3 單立柱支架結(jié)構(gòu)典型布置（單位：mm）

（3）鋼支架屋蓋。鋼支架屋蓋結(jié)構(gòu)主要主梁、次梁、立柱、柱間支撐、系桿和立柱基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件組成。此結(jié)構(gòu)由于跨度大、立柱高度大、主梁長，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

本項(xiàng)目混凝土屋面均為當(dāng)?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗(yàn)自行砌筑，沒有經(jīng)過正規(guī)設(shè)計單位設(shè)計，缺少設(shè)計圖紙，其承載力無法通過計算進(jìn)行評估，為確保房屋安全且滿足現(xiàn)場安裝容量要求，通過利用房屋上部空間實(shí)現(xiàn)土地的高效利用，立柱中心距離房屋外墻2 m，東西方向跨度5.2 m，支架傾角38°，如圖4所示。

圖4 鋼支架屋蓋結(jié)構(gòu)典型布置（單位：mm）

（4）對比分析。單樁支架與雙樁支架對比如表1所示。

從表1可以看出，多立柱地面支架及單立柱地面支架用鋼量小、對房屋安全性影響小且施工難易程度小，但房屋上部空間利用率低；多立柱屋面支架用鋼量小、房屋上部空間利用率大且施工難易程度小，但對房屋的安全性影響大；單立柱高支架及鋼支架屋蓋用鋼量多、對房屋安全有一定影響，施工難度大；鋼支架屋蓋施工困難，用鋼量多。結(jié)合房屋安全性、工程經(jīng)濟(jì)性、施工難度以及場區(qū)容量要求，綜合考量，對于房屋條件較好的鋼筋混凝土現(xiàn)澆屋面推薦采用多立柱屋面支架，后續(xù)房屋安全性評估應(yīng)委托專業(yè)的第三方檢測單位進(jìn)行評估；對于房屋條件差的區(qū)域采用多立柱地面支架或單立柱地面支架在庭院內(nèi)安裝。

表1 單樁支架與雙樁支架對比

2.5 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

電池組件采用單晶硅組件，組件規(guī)格為2 094 mm×1 038 mm×35 mm，由于每戶地面及屋面面積不統(tǒng)一，為滿足現(xiàn)場施工安裝要求，組件布置分為1×N、2×N、3×N這3種布置方式。支架東西方向跨度不大于2.4 m，檁條懸挑長度不大于0.7 m。支架結(jié)構(gòu)平面布置如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 支架結(jié)構(gòu)平面布置（1×N）（單位：mm）

圖6 支架結(jié)構(gòu)平面布置（2×N）（單位：mm）

圖7 支架結(jié)構(gòu)平面布置（3×N）（單位：mm）

電池組件固定支架采用縱向檁條，橫向支架布置方案。支架由立柱、橫梁及斜撐（或拉梁）組成。

支架設(shè)計用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，用分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算。支架設(shè)計主要控制參數(shù)如下：受壓構(gòu)件容許長細(xì)比為180；受拉構(gòu)件容許長細(xì)比 350；柱頂位移與柱高度比為1/60；梁的撓度為L/250。

2.6 支架防腐設(shè)計

結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件采用鍍鎂鋁鋅防腐處理，鍍鎂鋁鋅防腐涂層平均厚度滿足雙面275 g/m2，其余構(gòu)件采用熱鍍鋅防腐，鍍鋅層厚度小于65 μm。防腐前需對鋼結(jié)構(gòu)除銹處理，除銹等級應(yīng)達(dá)到Sa2.5的質(zhì)量要求。

3 結(jié) 論

各方案設(shè)計時對比了U型鋼、C型鋼、H型鋼及圓型鋼材用量，經(jīng)過比較采用U型和圓型鋼材，此文不做詳細(xì)介紹。在結(jié)合農(nóng)村實(shí)際施工的情況下，通過多個方案設(shè)計對比分析，在高效利用土地的基礎(chǔ)上，確定安全性、可實(shí)施性且經(jīng)濟(jì)性的方案，有效節(jié)約了業(yè)主投資成本。