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      螺旋地樁在日本光伏支架系統(tǒng)中的計(jì)算

      2021-09-27 07:49:36郭立算
      光源與照明 2021年2期
      關(guān)鍵詞:拉力彎矩螺旋

      郭立算

      廈門精騰達(dá)金屬科技有限公司,福建 廈門 361000

      0 引言

      光伏支架基礎(chǔ)按照材質(zhì)進(jìn)行區(qū)分大致可以分為水泥和鋼樁。近年來(lái),由于日本水泥基礎(chǔ)費(fèi)用高昂,以及環(huán)境污染等問(wèn)題,鋼樁已經(jīng)成為光伏支架的主流形式,尤其是螺旋地樁,以其施工便捷、整體費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),成為支架系統(tǒng)基礎(chǔ)的首選。由于日本JIS標(biāo)準(zhǔn)中沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)光伏支架基礎(chǔ)進(jìn)行規(guī)定,造成國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)螺旋地樁在日本光伏支架系統(tǒng)中的計(jì)算不夠清楚,部分技術(shù)人員引用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,導(dǎo)致項(xiàng)目通不過(guò)當(dāng)?shù)氐膶徍??;诖耍恼乱萌毡鞠嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺旋地樁進(jìn)行計(jì)算。

      1 螺旋地樁計(jì)算概述

      螺旋地樁基礎(chǔ)計(jì)算主要分成兩個(gè)部分。

      (1)螺旋地樁本身強(qiáng)度的計(jì)算。通過(guò)與螺旋地樁接觸的上部分支架結(jié)構(gòu),計(jì)算出螺旋地樁的水平彎矩、抗拉力、抗壓力3個(gè)方向的受力,然后利用基本的材料力學(xué)公式進(jìn)行強(qiáng)度校核。

      (2)螺旋地樁在土壤中容許壓力、容許拉力的計(jì)算。利用地勘報(bào)告所獲得的土壤信息,進(jìn)行地樁壓力和拉力的計(jì)算,將所得結(jié)果與利用地樁本身強(qiáng)度計(jì)算所得的壓力和拉力進(jìn)行對(duì)比,前者小于后者則代表該方法可行。

      2 螺旋地樁本身強(qiáng)度計(jì)算

      2.1 地樁上部受力分析

      根據(jù)地樁上面部分支架結(jié)構(gòu),利用仿真軟件(SAP2000、PKPM等)計(jì)算地樁3個(gè)方向的力,水平x軸上的彎矩Mx,水平y(tǒng)軸上的彎矩My,及其z軸上的力|F|。其中,z軸上的力又分為向下的壓力F1和向上的拉力F2。地樁受力圖如圖1所示。圖1中,H為地樁露出地面的距離。文章只計(jì)算地樁部分,不對(duì)地樁上面部分展開計(jì)算。

      圖1 地樁受力圖

      2.2 地樁容許彎曲應(yīng)力計(jì)算

      (1)地樁容許彎曲應(yīng)力fb計(jì)算。材料彎曲應(yīng)力與地樁的具體結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)系。當(dāng)λy≤85時(shí),

      其中:fb≤ft[1]。

      式中:F為材料的屈服強(qiáng)度;ft為材料的長(zhǎng)期彎曲應(yīng)力;λy為長(zhǎng)細(xì)比,;Lb為地樁計(jì)算長(zhǎng)度,是地樁露出長(zhǎng)度的2倍;i為回轉(zhuǎn)半徑;E為彈性模量;Cb為力矩系數(shù)。

      以最常見的螺旋地樁為例,其一般露出地面200 mm,規(guī)格為外徑76 mm、壁厚3 mm,材質(zhì)為Q235B,對(duì)應(yīng)日本標(biāo)號(hào)為SS400[2]。所對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)如下:F=235 N/mm2;ft=235÷1.5=156.67 N/mm2;E=205 000 N/mm2;Cb=1.75;Lb=2×200=400 mm;i=25.8;λy==400÷25.8=15.504;85=112.44。

      有λy≤85,則,且fb≤ft=156.67 N/mm2,最終可得fb=156.67 N/mm2。

      (2)地樁容許壓縮應(yīng)力fc計(jì)算。當(dāng)λ≤Λ時(shí),

      當(dāng)λ>Λ時(shí),

      式中:Λ為彈性極限細(xì)長(zhǎng)比,。

      以上述地樁為例,可得F=235 N/mm2;E=205 000 N/mm2;i=25.8;Lb=2×200=400 mm;λ==400/25.8=15.504 ≤;。

      2.3 地樁強(qiáng)度校核

      地樁校核公式為

      式中:Z為地樁抗彎截面系數(shù);A為螺旋地樁有效截面積;Mx為水平x軸上的彎矩;My為水平y(tǒng)軸上的彎矩;為z軸上的力,。

      3 螺旋地樁在土壤中的容許力計(jì)算

      3.1 地樁在土壤中容許壓力計(jì)算

      長(zhǎng)期荷載作用下的容許壓力[3]為

      短期荷載作用下的容許壓力為

      式中:Ra為地樁在土壤中的容許壓力;RU為地樁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)的極限壓力;qp為地樁端阻力,qp=50 N;N為土壤N值,由標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)獲得;Ap為地樁尖端有效截面積;RF為側(cè)摩擦阻力;NS為砂質(zhì)土N值,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)獲得;LS為地樁在砂質(zhì)土中的總長(zhǎng)度;qu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,qu=2C;C為黏性土內(nèi)聚力,C=6~10 N[4];Lc為地樁在黏性土中的總長(zhǎng)度;φ為地樁周長(zhǎng)。

      3.2地樁在土壤中容許拉力計(jì)算

      長(zhǎng)期荷載作用下的容許拉力[3]為

      短期荷載作用下的容許拉力[4]為

      式中:tRa為地樁在土壤中的容許拉力;tRU為地樁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)的極限拉力;RF為側(cè)摩擦阻力;Wp為地樁的有效自重。

      3.3 計(jì)算案例

      (1)利用現(xiàn)場(chǎng)地樁拉力測(cè)試數(shù)據(jù)。日本一個(gè)17 MW光伏項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地樁拉力測(cè)試報(bào)告的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

      表1 17 MW光伏現(xiàn)場(chǎng)拉力試驗(yàn)測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)

      由表1可得,tRU=24.34 kN;地樁自重Wp=14.5 kg= 0.142 kN。根據(jù)第3.2節(jié)的計(jì)算公式,可得容許拉力(長(zhǎng)期)為

      容許拉力(短期)為

      當(dāng)tRa≤F1時(shí),地樁抗拉力滿足要求(F1引用自第2.1節(jié))。

      (2)利用地勘報(bào)告數(shù)據(jù),地勘測(cè)試報(bào)告部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示,地樁如圖2所示。

      引用表2數(shù)據(jù),將圖2的地樁分成三段進(jìn)行計(jì)算。第一段為埋入地下部分的圓管部分,Lc1=0.70 m,此部分圓管周長(zhǎng)φ1=0.076π=0.239 m,根據(jù)地勘底下0.7 m的平均N值,N1=0.96。第二段為埋入地下的葉片部分,Lc2=0.74 m,此部分圓管周長(zhǎng)φ2=0.096π=0.302 m,根據(jù)地勘可得此段土壤的平均N值,N2=4.47。第三段為埋入地下的縮管部分,此部分呈梯形,因此長(zhǎng)度只能計(jì)算一半Lc3=0.36÷2=0.18 m,此部分圓管周長(zhǎng)φ3=0.096π=0.302 m,根據(jù)地勘可得此段土壤的平均N值,N2=6.125;地樁自重Wp=0.142 kN。

      圖2 地樁(單位:mm)

      表2 地勘測(cè)試報(bào)告部分?jǐn)?shù)據(jù)

      取C=10 N[5],根據(jù)第3.1節(jié)中的計(jì)算公式可得

      根據(jù)第3.2節(jié)中的計(jì)算公式,可得容許拉力(長(zhǎng)期)為

      容許拉力(短期)為

      當(dāng)tRa≤F1時(shí),地樁抗拉力滿足要求(F1引用自第2.1節(jié))。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      文章通過(guò)引用日本標(biāo)準(zhǔn),從以下兩個(gè)方面論述了螺旋地樁在日本光伏市場(chǎng)計(jì)算的方法:通過(guò)對(duì)地樁本身材料強(qiáng)度的驗(yàn)算,驗(yàn)證地樁是否滿足強(qiáng)度要求;通過(guò)地勘報(bào)告的運(yùn)用,對(duì)地樁在土壤中的拉力進(jìn)行計(jì)算,驗(yàn)證地樁是否滿足工程需求。該研究可以為從業(yè)者提供相關(guān)參考。

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