结构力学求解器在光伏支架强度计算中的应用

苏江灿

（清源科技（厦门）股份有限公司，福建厦门361101）

0 引言

光伏支架是光伏电站最主要的构筑物，如何确保光伏支架结构满足强度、稳定性和刚度要求，是光伏支架设计需要考虑的关键问题。传统的光伏支架结构强度计算方法是采用一些假设条件将实际结构简化为理想的计算模型，根据结构力学理论知识进行手工计算。手工计算只适用于简单的计算模型，对于复杂的计算模型手工计算变得非常困难，需要借助计算机进行计算。目前较先进的结构设计采用计算机辅助设计，常用结构分析软件有结构力学求解器、PKPM、SAP2000等。PKPM、SAP2000主要用于三维结构力学分析，操作相对复杂，用户需要经过专业培训才能掌握，软件大，运行较慢。结构力学求解器适合二维平面力学模型求解，它具有操作简单、程序小、运行快、分析结果精准直观等特点，非常适合初学者和经验丰富的技术人员使用。本文利用结构力学求解器分析光伏支架在多种荷载组合下的内力和位移，实现光伏支架强度计算。

1 结构力学求解器简介

结构力学求解器[1]（SMSolver）是一个面向学生、教师及工程技术人员的计算机辅助软件，它能够分析二维平面结构的几何组成、内力、位移、影响线、自由振动、弹性稳定和极限荷载等。利用结构力学求解器分析问题的步骤如下：输入各节点坐标，输入各单元连接方式，输入各支座约束方式，输入荷载条件，输入杆件材料性质，内力、位移求解。

2 光伏支架设计实例

2.1 工程概况

该项目位于山东省菏泽市某光伏园区，基本风压为0.4kN/m2，基本雪压为0.3kN/m2。支架安装倾角25°，竖放2行20列，组件规格1640mm×992mm×40mm，组件重20kg，支架结构尺寸如图1所示。支架构件材料选用Q235B，其抗拉、抗压和抗弯强度设计值为215MPa[2]。

图1 支架结构尺寸图

2.2 荷载计算

光伏支架主要承受永久荷载、风荷载、雪荷载作用，温度荷载和地震荷载忽略不计。

阵列面积A=65.075m2，阵列水平投影面积As=58.978m2。每块组件重20kg，组件自重荷载7840N，轨道米重2.777kg/m，轨道自重荷载2220.7N，支架永久荷载10060.7N。

雪荷载标准值：

式中，μr为屋面积雪分布系数，根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[3]表6.2.1取值，25°时取1.0；S0为基本雪压，本项目取0.3kN/m2。

支架雪荷载S=Sk×As=17693.4N。

风荷载标准值：

式中，βz为高度z处的风振系数，取1.0；μs为风荷载体型系数，根据GB50797—2012《光伏发电站设计规范》[4]取1.3；μz为风压高度变化系数，取1.0；W0为基本风压，本项目取0.4kN/m2。

支架风荷载W=Wk×A=33839N。

2.3 荷载组合

为便于比较和反映光伏支架在各种荷载组合下的荷载效应，本文考虑的荷载组合如表1所示。

表1 荷载组合

将各种荷载组合沿着轨道强轴和弱轴两个方向进行分解，如图2所示。求出各种荷载组合时轨道强轴分力和弱轴分力，轨道均布荷载，斜梁轴向分力和法向分力，如表2所示。

3 建模与强度分析

将光伏支架力学模型简化为轨道和支撑架两个平面模型进行强度分析。

3.1 轨道建模与强度分析

轨道截面为C型钢80×40×15×2.0，利用结构力学求解器建立轨道力学模型，荷载以组合1强轴均布荷载为例，如图3所示。

图2 轨道强轴、弱轴方向，纵梁法向、轴向

表2 轨道强轴分力和弱轴分力，轨道均布荷载，斜梁轴向分力和法向分力

图3 轨道力学模型

利用求解器进行轨道内力计算，求解出轨道弯矩，利用材料力学公式σ=M/W计算出轨道弯曲应力，如表3所示。利用求解器进行轨道位移计算，求解出轨道位移，如表4所示。

表3、表4分析结果表明轨道强度和刚度满足要求。

表3 轨道弯矩、弯曲应力计算

表4 轨道位移计算

3.2 支撑架建模与强度分析

纵梁截面为C型钢80×40×15×2.5，立柱截面为C型钢140×70×20×3，前支撑、后支撑为不等边角钢63×40×5，角钢连接件截面为不等边角钢63×40×6。

利用结构力学求解器建立支撑架力学模型，荷载以荷载组合1为例，如图4所示。

利用求解器进行支撑架内力计算，求解出支撑架各构件弯矩、轴力，如表5所示。利用材料力学公式σ=M/W和σ=F/A，求出支撑架各构件的应力，如表6所示。

表6分析结果表明支撑架强度满足要求。利用求解器进行位移计算，荷载组合4和荷载组合5作用时支撑架立柱顶部位移分别为7.58mm和4.6mm，均小于柱高/60[4]，刚度满足。

图4 支撑架力学模型

表5 支撑架各构件弯矩、轴力

表6 支撑架各构件应力

通过上述分析，轨道和支撑架的强度和刚度满足要求，光伏支架结构强度安全。

4 结语

本文利用结构力学求解器对光伏支架的结构设计进行验算，论述了一种光伏支架强度计算方法，旨在为类似工程提供参考。