朱德志

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

新型壓重式光伏支架的荷載分析與應(yīng)用

朱德志

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

砼屋面?zhèn)鹘y(tǒng)光伏支架施工時采用支架基礎(chǔ)鋼筋與屋面結(jié)構(gòu)鋼筋焊接的方案或者傳統(tǒng)壓重的方案。這兩種方案都會使砼屋面外防水層遭到破壞而導(dǎo)致漏水，同時光伏支架基礎(chǔ)與屋面接觸方式會導(dǎo)致荷載分布不均勻。新型壓重式光伏支架較輕且荷載分布均勻，同時又不破壞屋面防水層。

新型壓重式光伏支架；恒荷載；風(fēng)荷載

砼屋面的建筑物防水層主要有兩類施工方法，即將防水層直接鋪設(shè)在屋面外層(如圖1所示)或鋪設(shè)在保護層內(nèi)部(如圖2所示)。無論哪種方法，屋面防水層都鋪設(shè)在屋面砼結(jié)構(gòu)的上部。

圖1 防水層直接鋪設(shè)在屋面外層作品示意圖

圖2 防水層外加保護層屋面防水作品示意圖

為了使光伏支架固定牢固，砼屋面光伏支架多采用支架基礎(chǔ)鋼筋與屋頂結(jié)構(gòu)鋼筋焊接的方案(如圖3所示)。這種施工方法需要破壞安裝光伏支架基礎(chǔ)區(qū)域的屋面防水層，暴露屋面結(jié)構(gòu)鋼筋，然后和光伏支架基礎(chǔ)中的預(yù)埋件螺栓焊接在一起[1]。由于光伏支架基礎(chǔ)與屋面是點接觸，因此受力集中但不均勻，對屋面不利。

另外一種實施方案是采用傳統(tǒng)壓重式光伏支架(如圖4所示)，即把重型砼壓塊作為光伏支架基礎(chǔ)直接放置在屋面上。這樣，雖然不破壞屋面，但質(zhì)量較大的重物直接壓在防水層上，時間長了，會使屋面防水層損壞，同時較大地削減了屋面荷載的安全余量，光伏支架基礎(chǔ)與屋面依然是點接觸，受力不均勻，對屋面不利。

圖3 光伏支架基礎(chǔ)與屋頂結(jié)構(gòu)鋼筋焊接的方案示意圖

1 新型壓重式光伏支架結(jié)構(gòu)

新型壓重式光伏支架采用的是負重支架結(jié)構(gòu)方案。利用桁架結(jié)構(gòu)把光伏支架連接到屋面女兒墻和負重水泥塊上，使光伏支架牢牢固定在屋面上。

受力結(jié)構(gòu)的改變大大減少了負重塊的質(zhì)量，同時水泥墊板的使用增加了光伏支架與屋頂?shù)慕佑|面積，也使得荷載均勻分布，可以有效提高建筑物的安全性。

1.1 新型壓重式光伏支架簡介

新型壓重式光伏支架安裝效果圖如圖5所示。首先，在屋面上制作桁架，在女兒墻距離屋面45 cm高處制作角鋼連接件，將連接件與桁架基礎(chǔ)連接。然后，連接光伏支架與桁架基礎(chǔ)，利用女兒墻對光伏方陣產(chǎn)生一種拉力。這樣，可以減少負重塊的質(zhì)量，從而減少屋面的荷載。女兒墻與地面桁架的連接則采用角鋼連接，角鋼上端直接開孔，用M8膨脹螺栓固定在女兒墻上，下端與桁架直接焊接。

圖5 新型壓重式光伏支架安裝效果圖

1.2 新型壓重式光伏支架優(yōu)點

新型壓重式光伏支架是可供砼屋面光伏電站選用的一種理想方案。采用新型壓重式光伏支架有以下幾方面的好處：

1) 不破壞原有屋面的防水層，無需二次防水處理。

2) 采用桁架連接女兒墻和砼壓重塊，雙重受力使光伏支架更加穩(wěn)定。

3) 水泥墊板的使用，不僅使屋面荷載分布更加均勻，同時減少了鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量，優(yōu)化了安裝工藝。

2 新型壓重式光伏支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

設(shè)計新型壓重式光伏支架時，其計算依據(jù)為GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]和GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]。根據(jù)《實用建筑結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計算手冊》[4]進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

2.1 設(shè)計方案

新型壓重式光伏支架保持穩(wěn)定，除了依靠四周與女兒墻連接的桁架外，還依靠負重支架。負重支架的負重體為水泥壓塊，為避免它對屋面防水層的壓力破壞，在它的下方鋪墊30 mm厚的水泥板，增加太陽能光伏支架與屋面的接觸面積，減少支架系統(tǒng)對屋面的壓強。鋪墊水泥板不僅便于支架安裝，也便于進一步保護屋頂。光伏支架的負重部分結(jié)構(gòu)效果圖如圖6所示。

圖6 新型壓重式光伏支架負重部分安裝結(jié)構(gòu)效果圖

2.2 每跨支架荷載的計算

新型壓重式光伏支架安裝結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 新型壓重式光伏支架安裝結(jié)構(gòu)圖

圖5中,每塊組件自重17 Kg,組件的尺寸為1.58 m×0.808 m,每跨組件數(shù)量為

2.5 m÷0.808 m≈3(塊)；

每跨支架立柱橫向間距l(xiāng)1=2.5 m;支架縱向間距l(xiāng)2=2.4 m,每塊支架墊板尺寸為2.55 m×1.0 m×0.03 m,每跨1塊;負重水泥塊尺寸為400 mm×400 mm×200 mm,每跨2塊。

每跨支架的總質(zhì)量G為每跨的光伏組件、光伏支架、負重水泥塊、水泥墊板質(zhì)量之和，即

G=G1+G2+G3+G4=

51 kg+20 kg+114 kg+15 kg=200 kg,

其中,G1為每跨光伏組件質(zhì)量,G2為每跨光伏支架質(zhì)量,G3為每跨負重水泥塊質(zhì)量,G4為每跨水泥墊板質(zhì)量,且

G1=17 kg×3=51 kg,

G2=20 kg,

G3=57 kg×2=114 kg,

G4=15 kg,

則每跨光伏支架對屋面的壓力

P架=200 kg×9.8=1.96 kN(1 Kg=9.8 N)。

2.3 每跨風(fēng)荷載的計算

結(jié)合《光伏組件安全鑒定(IEC 61730)》[5]中對光伏組件能夠承受的風(fēng)速要求,按照瞬時風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速的換算關(guān)系可計算得到極大風(fēng)荷載值[6]。查閱鎮(zhèn)江地區(qū)氣象資料,經(jīng)計算得到鎮(zhèn)江地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓w0為0.4 kN/m2,根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，高度z處的風(fēng)振系數(shù)βz取1.0,風(fēng)荷載體型系數(shù)μs為0.6。

工程所在地為鎮(zhèn)江新區(qū),地面粗糙度按B類考慮,工程涉及建筑物高度最大值為20 m,按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，查表風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取1.25，則風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

wk=βzμsμzw0=

1.0×0.6×1.25×0.4 kN/m2=0.3 kN/m2。

每跨光伏組件面積

S=2.5 m×1.58 m=3.95 m2,

則單跨光伏組件風(fēng)荷載

P風(fēng)=wk·S=

0.3 kN/m2×3.95 m2=1.185 kN。

2.4 每跨雪荷載的計算

鎮(zhèn)江地區(qū)基本雪壓S0為0.4 kN/m2,依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》查得屋面積雪分布系數(shù)μr為1.0,則雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值

Sk=μrS0=1.0×0.4 kN/m2=0.4 kN/m2。

每跨光伏組件面積

S=2.5 m×1.58 m=3.95 m2,

單跨光伏組件上作用的雪載荷

P雪=Sk·S=0.4 kN/m2×3.95 m2=1.58 kN。

2.5 每跨恒荷載的計算

新型壓重式光伏支架每跨恒荷載

P總=P架+P風(fēng)+P雪=

1.96 kN+1.185 kN+1.58 kN=4.725 kN。

2.6 屋面荷載分析

鎮(zhèn)江新區(qū)平昌新城幼兒園屋面為上人屋面,屋面設(shè)計荷載為2 kN/m2。

因為新型壓重式光伏支架每跨荷載依靠支架的水泥墊板均勻傳遞到樓板,所以屋面設(shè)計荷載按設(shè)計荷載均勻分布進行計算。

如圖5所示,l1=2.5 m,l2=2.4 m。每跨光伏支架對屋面的壓力面積為

2.5 m×2.4 m=6 m2。

每跨支架所在屋面的設(shè)計荷載為

2 kN/m2×6 m2=12 kN。

光伏支架每跨恒荷載4.725 kN<每跨支架所在屋面的設(shè)計荷載12 kN,安全余量充裕,符合設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

筆者在鎮(zhèn)江新區(qū)平昌新城幼兒園光伏電站項目中運用了這種新型壓重式光伏支架，如圖8所示。

圖8 新型壓重式光伏支架安裝現(xiàn)場照片

這個項目的光伏支架系統(tǒng)于2012年2月份安裝完成并投入使用。安裝過程中，不僅沒有破壞屋外防水層，而且減少了光伏系統(tǒng)的質(zhì)量，提高了幼兒園的安全性，深得用戶好評。

4 結(jié)束語

本文以國家相關(guān)規(guī)范為指導(dǎo)，參考國外相關(guān)規(guī)范，探討了新型壓重式光伏支架的簡化荷載計算。

近幾年，國家光伏扶持政策不斷出臺，分布式光伏電站持續(xù)發(fā)展，新型壓重式光伏支架為光伏施工提供了一種新的選擇，且有利于光伏設(shè)施可靠性和安全性的進一步提高。

經(jīng)過實際項目的驗證，新型壓重式光伏支架系統(tǒng)在提高屋面安全性、免除屋面防水層受損、提高光伏電站安裝速度方面都有明顯的效果，非常值得推廣使用。

[1] 李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護[M].北京:人民郵電出版社,2010:126.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2012[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:26-63.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部和國家質(zhì)量檢驗檢疫總局.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50017-2003[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003:20.

[4] 國振喜,張樹義.實用建筑結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計算手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:32.

[5] 國際電工委員會.光伏組件安全鑒定(IEC61730) 第一部分：結(jié)構(gòu)要求：IEC 61730[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004: 30.

[6] 張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計算手冊[M].上海:同濟大學(xué)出版社,1990:22.

〔責(zé)任編輯： 盧 蕊〕

Analysis of load and application of new type high weight PV support

ZHU Dezhi

(School of Electron and Information Engineering, Zhenjiang College, Zhenjiang 212003, China)

Traditional photovoltaic support in concrete roof need reinforced welding of Photovoltaic support foundation and roof program, or to take the traditional high weight PV support program. These two programs will make the concrete roof waterproof layer damaged, resulting in water leakage. At the same time, the contact mode of the support foundation and roof will lead to uneven load. The weight of the new high weight photovoltaic support is light, and the load distribution is even, and the waterproof layer of the roof is not damaged.

new type high weight PV support; constant load; wind load

2016-10-13

朱德志(1974—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，主要從事電氣自動化和光伏系統(tǒng)研究。

TU312

B

1008-8148(2017)01-0054-03