新型压重式光伏支架的荷载分析与应用

朱德志

(镇江高等专科学校 电气与信息工程学院，江苏 镇江 212003)

新型压重式光伏支架的荷载分析与应用

朱德志

(镇江高等专科学校 电气与信息工程学院，江苏 镇江 212003)

砼屋面传统光伏支架施工时采用支架基础钢筋与屋面结构钢筋焊接的方案或者传统压重的方案。这两种方案都会使砼屋面外防水层遭到破坏而导致漏水，同时光伏支架基础与屋面接触方式会导致荷载分布不均匀。新型压重式光伏支架较轻且荷载分布均匀，同时又不破坏屋面防水层。

新型压重式光伏支架；恒荷载；风荷载

砼屋面的建筑物防水层主要有两类施工方法，即将防水层直接铺设在屋面外层(如图1所示)或铺设在保护层内部(如图2所示)。无论哪种方法，屋面防水层都铺设在屋面砼结构的上部。

图1 防水层直接铺设在屋面外层作品示意图

图2 防水层外加保护层屋面防水作品示意图

为了使光伏支架固定牢固，砼屋面光伏支架多采用支架基础钢筋与屋顶结构钢筋焊接的方案(如图3所示)。这种施工方法需要破坏安装光伏支架基础区域的屋面防水层，暴露屋面结构钢筋，然后和光伏支架基础中的预埋件螺栓焊接在一起[1]。由于光伏支架基础与屋面是点接触，因此受力集中但不均匀，对屋面不利。

另外一种实施方案是采用传统压重式光伏支架(如图4所示)，即把重型砼压块作为光伏支架基础直接放置在屋面上。这样，虽然不破坏屋面，但质量较大的重物直接压在防水层上，时间长了，会使屋面防水层损坏，同时较大地削减了屋面荷载的安全余量，光伏支架基础与屋面依然是点接触，受力不均匀，对屋面不利。

图3 光伏支架基础与屋顶结构钢筋焊接的方案示意图

1 新型压重式光伏支架结构

新型压重式光伏支架采用的是负重支架结构方案。利用桁架结构把光伏支架连接到屋面女儿墙和负重水泥块上，使光伏支架牢牢固定在屋面上。

受力结构的改变大大减少了负重块的质量，同时水泥垫板的使用增加了光伏支架与屋顶的接触面积，也使得荷载均匀分布，可以有效提高建筑物的安全性。

1.1 新型压重式光伏支架简介

新型压重式光伏支架安装效果图如图5所示。首先，在屋面上制作桁架，在女儿墙距离屋面45 cm高处制作角钢连接件，将连接件与桁架基础连接。然后，连接光伏支架与桁架基础，利用女儿墙对光伏方阵产生一种拉力。这样，可以减少负重块的质量，从而减少屋面的荷载。女儿墙与地面桁架的连接则采用角钢连接，角钢上端直接开孔，用M8膨胀螺栓固定在女儿墙上，下端与桁架直接焊接。

图5 新型压重式光伏支架安装效果图

1.2 新型压重式光伏支架优点

新型压重式光伏支架是可供砼屋面光伏电站选用的一种理想方案。采用新型压重式光伏支架有以下几方面的好处：

1) 不破坏原有屋面的防水层，无需二次防水处理。

2) 采用桁架连接女儿墙和砼压重块，双重受力使光伏支架更加稳定。

3) 水泥垫板的使用，不仅使屋面荷载分布更加均匀，同时减少了钢结构的用钢量，优化了安装工艺。

2 新型压重式光伏支架结构的设计

设计新型压重式光伏支架时，其计算依据为GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]和GB 50017—2003《钢结构设计规范》[3]。根据《实用建筑结构静力学计算手册》[4]进行结构的优化设计。

2.1 设计方案

新型压重式光伏支架保持稳定，除了依靠四周与女儿墙连接的桁架外，还依靠负重支架。负重支架的负重体为水泥压块，为避免它对屋面防水层的压力破坏，在它的下方铺垫30 mm厚的水泥板，增加太阳能光伏支架与屋面的接触面积，减少支架系统对屋面的压强。铺垫水泥板不仅便于支架安装，也便于进一步保护屋顶。光伏支架的负重部分结构效果图如图6所示。

图6 新型压重式光伏支架负重部分安装结构效果图

2.2 每跨支架荷载的计算

新型压重式光伏支架安装结构图如图7所示。

图7 新型压重式光伏支架安装结构图

图5中,每块组件自重17 Kg,组件的尺寸为1.58 m×0.808 m,每跨组件数量为

2.5 m÷0.808 m≈3(块)；

每跨支架立柱横向间距l1=2.5 m;支架纵向间距l2=2.4 m,每块支架垫板尺寸为2.55 m×1.0 m×0.03 m,每跨1块;负重水泥块尺寸为400 mm×400 mm×200 mm,每跨2块。

每跨支架的总质量G为每跨的光伏组件、光伏支架、负重水泥块、水泥垫板质量之和，即

G=G1+G2+G3+G4=

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

其中,G1为每跨光伏组件质量,G2为每跨光伏支架质量,G3为每跨负重水泥块质量,G4为每跨水泥垫板质量,且

G1=17 kg×3=51 kg,

G2=20 kg,

G3=57 kg×2=114 kg,

G4=15 kg,

则每跨光伏支架对屋面的压力

P架=200 kg×9.8=1.96 kN(1 Kg=9.8 N)。

2.3 每跨风荷载的计算

结合《光伏组件安全鉴定(IEC 61730)》[5]中对光伏组件能够承受的风速要求,按照瞬时风速与10 min平均风速的换算关系可计算得到极大风荷载值[6]。查阅镇江地区气象资料,经计算得到镇江地区50年一遇的基本风压w0为0.4 kN/m2,根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，高度z处的风振系数βz取1.0,风荷载体型系数μs为0.6。

工程所在地为镇江新区,地面粗糙度按B类考虑,工程涉及建筑物高度最大值为20 m,按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，查表风压高度变化系数μz取1.25，则风荷载标准值

wk=βzμsμzw0=

1.0×0.6×1.25×0.4 kN/m2=0.3 kN/m2。

每跨光伏组件面积

S=2.5 m×1.58 m=3.95 m2,

则单跨光伏组件风荷载

P风=wk·S=

0.3 kN/m2×3.95 m2=1.185 kN。

2.4 每跨雪荷载的计算

镇江地区基本雪压S0为0.4 kN/m2,依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》查得屋面积雪分布系数μr为1.0,则雪荷载标准值

Sk=μrS0=1.0×0.4 kN/m2=0.4 kN/m2。

每跨光伏组件面积

S=2.5 m×1.58 m=3.95 m2,

单跨光伏组件上作用的雪载荷

P雪=Sk·S=0.4 kN/m2×3.95 m2=1.58 kN。

2.5 每跨恒荷载的计算

新型压重式光伏支架每跨恒荷载

P总=P架+P风+P雪=

1.96 kN+1.185 kN+1.58 kN=4.725 kN。

2.6 屋面荷载分析

镇江新区平昌新城幼儿园屋面为上人屋面,屋面设计荷载为2 kN/m2。

因为新型压重式光伏支架每跨荷载依靠支架的水泥垫板均匀传递到楼板,所以屋面设计荷载按设计荷载均匀分布进行计算。

如图5所示,l1=2.5 m,l2=2.4 m。每跨光伏支架对屋面的压力面积为

2.5 m×2.4 m=6 m2。

每跨支架所在屋面的设计荷载为

2 kN/m2×6 m2=12 kN。

光伏支架每跨恒荷载4.725 kN<每跨支架所在屋面的设计荷载12 kN,安全余量充裕,符合设计要求。

3 系统实现

笔者在镇江新区平昌新城幼儿园光伏电站项目中运用了这种新型压重式光伏支架，如图8所示。

图8 新型压重式光伏支架安装现场照片

这个项目的光伏支架系统于2012年2月份安装完成并投入使用。安装过程中，不仅没有破坏屋外防水层，而且减少了光伏系统的质量，提高了幼儿园的安全性，深得用户好评。

4 结束语

本文以国家相关规范为指导，参考国外相关规范，探讨了新型压重式光伏支架的简化荷载计算。

近几年，国家光伏扶持政策不断出台，分布式光伏电站持续发展，新型压重式光伏支架为光伏施工提供了一种新的选择，且有利于光伏设施可靠性和安全性的进一步提高。

经过实际项目的验证，新型压重式光伏支架系统在提高屋面安全性、免除屋面防水层受损、提高光伏电站安装速度方面都有明显的效果，非常值得推广使用。

[1] 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M].北京:人民邮电出版社,2010:126.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑结构荷载规范：GB 50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012:26-63.

[3] 中华人民共和国建设部和国家质量检验检疫总局.钢结构设计规范：GB 50017-2003[S].北京:中国标准出版社,2003:20.

[4] 国振喜,张树义.实用建筑结构静力学计算手册[M].北京:机械工业出版社,2009:32.

[5] 国际电工委员会.光伏组件安全鉴定(IEC61730) 第一部分：结构要求：IEC 61730[S].北京:中国标准出版社,2004: 30.

[6] 张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M].上海:同济大学出版社,1990:22.

〔责任编辑： 卢 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，江苏镇江人，高级工程师，主要从事电气自动化和光伏系统研究。

TU312

B

1008-8148(2017)01-0054-03