支座沉降时固定式光伏支架的力学性能分析

■ 蔚博琛 张广平 苗广威 李玉润 郭航

（1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室；2. 兰州大学土木工程与力学学院； 3. 中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司）

0 引言

随着光伏发电产业的蓬勃发展，在湿陷性黄土、新填土、软弱土地基上建设的光伏电站越来越多。但该类地基土较易发生沉陷，且在许多情况下会因经济原因而较难完全解决沉陷问题，尤其是支座沉降往往会增大支架、光伏组件损坏的风险[1]，进而影响发电情况和电力安全。

光伏支架从结构形式上可分为跟踪式和固定式两类。跟踪式支架虽然可以提高光伏电站的发电量，但造价和维护成本高；而固定式光伏支架结构简单、造价低，并且后期维护费用少。因此，大型光伏电站以固定式光伏支架居多[2]。

目前，对于支架的结构形式已有大量研究[3-6]，取得了较多的成果，并已在光伏支架中得到了应用，但业界对支座沉降时支架结构力学性能的研究却很少。虽然对于湿陷性黄土、新填土、软弱土地基上支座沉降的研究较多，但主要集中在框架、网架等建筑结构方向[7-8]，对光伏支架力学性能影响的研究却很少。大部分文献中，在研究不均匀沉降时，通常将柱脚与基础的连接物定义为支座，并使某支座发生沉降，以此模拟不均匀沉降的产生。

因此，本文将光伏支架的前、后立柱与基础的连接物定义为支座，并采用有限元软件ABAQUS，分析采用独立基础的固定式光伏支架发生支座沉降时的力学性能，以期得到可信的结论，供湿陷性黄土、新填土、软弱土地基上的光伏电站建设时参考。

1 光伏支架概况

本文分析的固定式光伏支架结构示意图如图1所示，该结构形式在大、中型光伏电站中得到了广泛应用。

图1 光伏支架结构示意图(单位：mm)

图1 中各构件的排布尺寸主要由光伏组件的大小决定。前立柱、后立柱、斜梁和斜撑组成光伏支架的檩条支撑结构，整个光伏支架由等间距布置的8榀檩条支撑结构和其上连续通长布置的4根檩条构成。从经济性的角度考虑，光伏电站的檩条跨度一般在3 m左右，故本文分析的檩条支撑结构采用3.1 m的间距布置。为增加结构平面外刚度，通常在结构两侧布置如图1所示的2组支撑。

光伏支架侧立面如图2所示，支架前、后立柱下端分别与独立基础相连，上端分别与斜梁铰接。为减小斜梁的跨中弯矩，在斜梁中部设置斜撑，该斜撑一端同斜梁铰接，另一端与后立柱下端铰接。斜梁上布置有4根檩条，每2根檩条为1组，其上竖向布置长、宽分别为1650 mm和992 mm的光伏组件。

图2 光伏支架侧立面结构示意图(单位：mm)

光伏支架除2组支撑采用直径为10.7 mm的圆形截面外，其他主要杆件均采用图2中所示的宽、高、厚分别为41 mm、52 mm和2 mm的U形截面；独立基础采用长、宽、高分别为250 mm、250 mm和600 mm的矩形截面棱柱体。为节省造价，除檩条为Q345钢外，其他所有构件均采用Q235钢。

2 有限元分析

2.1 分析模型

本文采用有限元软件ABAQUS建立光伏支架的三维分析模型。2组圆形截面支撑选用B31梁单元，该单元可用于模拟剪切变形不大的细长构件；此外，模型中所有U形截面杆件均选用Timoshenko梁单元B31OS，该单元能够考虑开口薄壁截面翘曲的影响。分析中将钢材视为均匀的理想弹塑性材料，Q235钢、Q345钢的屈服强度分别为235 MPa和345 MPa，弹性模量均为210 GPa，泊松比均为0.3。

2.2 边界条件

分析时不考虑风荷载，并假设整个光伏支架只有1个支座发生沉降。假设光伏支架为图3所示的连续梁，由于左、右侧结构具有对称性，故只需分析一半结构即可。支座未发生沉降(弹簧钢度K=∞)时，光伏支架上仅承受如图3a所示的支架结构和组件自重的恒载。假设端部支座发生沉降，则支架将产生变形和内力，同时，附近支座也将产生反力，如图3b所示。为模拟支座沉降，本文减小了拟发生沉降的支座的弹簧刚度。以不发生沉降时支座处的位置为位移原点，支座位移和反力正方向均为垂直向下。

图3 支架结构分析示意图

光伏支架的支座编号如图4所示，将左侧第一榀檩条支撑结构命名为1，编号由左向右依次递增；各榀檩条支撑结构的前、后支座分别命名为A、B。

图4 支座编号示意图

光伏组件自重为0.2 kN/m2，分析时将其转化为线荷载施加在檩条上；杆件自重通过施加重力加速度来分析；独立基础的自重通过在支座处施加集中力来分析。分析分为两步：1)先锁定所有支座的全部自由度，施加光伏组件自重、杆件自重和独立基础自重，并设沉降支座下部的弹簧刚度K=∞，以模拟正常使用状况；2)保持其他支座的约束条件不变，将拟发生沉降的某一支座下部的弹簧刚度K逐渐减小到零(基础与地基完全脱开)来考虑支座沉降对光伏支架的影响。

3 计算结果及分析

光伏支架在某一支座发生沉降时产生了变形和次内力，且发生沉降的支座和附近支座均产生了反力。下文对发生沉降时光伏支架支座的反力-位移曲线和刚度-位移曲线，以及支座沉降后的变形与应力云图进行了分析。

3.1 发生沉降时支座的反力-位移曲线

支座发生沉降时的位移即为支座沉降量。在支座发生沉降时，光伏支架会对支座产生约束，而支座将产生反力。因此，发生沉降的支座的反力-位移曲线反映了支座沉降量与施加给支架结构的反力之间的关系。

支座刚开始发生沉降时(沉降量为0 mm)，支架只受垂直向下恒载的作用，因此此时支座反力向上；由于支座反力以垂直向下为正，则发生沉降的支座的初始反力为负值，如图5所示。内部(2A～4A、2B～4B)支座发生沉降时的初始反力基本相同，而外侧1A、1B支座的初始反力明显偏小。这主要是由于该榀檩条支撑结构位于端部，檩条传来的恒载较少引起的。

图5 发生沉降时支座的反力-位移曲线

由图5可知，1A支座沉降完成(K=0)时，该支座处光伏支架的位移最大，1B支座次之，其余支座的最大位移基本相等，即外部荷载在1A支座处导致的沉降位移最大。这表明光伏支架在1A支座处抵抗下拉荷载(基础自重等)的能力最低，结构容易在此处发生破坏。

3.2 发生沉降时支座的刚度-位移曲线

支座沉降量较小时，光伏支架总体处于弹性阶段，刚度未发生明显变化。随着沉降量的增加，部分杆件开始进入塑性阶段，结构刚度出现缓慢下降。当部分杆件全截面进入塑性阶段时，支架结构刚度发生显著降低。随着沉降量的进一步增加，结构刚度缓慢下降并趋于零，结构完全丧失进一步承载的能力。如图6所示，当支座沉降完成(K=0)时，1A支座处于结构完全丧失承载能力阶段；2A、3A、4A支座处于结构刚度显著降低阶段；而1B、2B、3B、4B支座则处于弹性阶段。

图6 发生沉降时支座刚度-位移曲线

由图6可知，前支座中，光伏支架的初始刚度由外到内呈增加趋势，在3A、4A支座处光伏支架的初始刚度基本达到最大值。后支座中，1B支座处光伏支架的初始刚度最小，而由于支撑的存在，2B支座处光伏支架的初始刚度大于3B、4B支座处；3B、4B支座处光伏支架的初始刚度基本相同。对比图6a和图6b可知，发生沉降时，1A、1B支座处光伏支架的初始刚度不到其他支座处光伏支架初始刚度的50%，这表明最外侧结构(轴1结构)的初始刚度明显小于内侧，最外侧结构的整体性差。支撑并未显著提升最外侧结构的刚度，即支撑对最外侧结构刚度的增大作用并不明显。

光伏支架发生过大的变形会使其上安装的光伏组件松脱或损坏。为保证结构的安全，将光伏支架刚度开始发生显著降低的特征点作为结构的屈服点。对各支座沉降时支架结构的屈服荷载和屈服位移进行统计，如表1所示。由表1可知，前支座沉降时光伏支架均发生了屈服，后支座沉降时光伏支架均未发生屈服。

表1 光伏支架的屈服位移和屈服荷载

光伏支架前支座处的屈服位移相差不大，但1A、2A支座处的屈服荷载明显小于3A、4A支座处，这表明在外荷载作用下1A、2A支座沉降时光伏支架更易发生破坏，1A、2A支座沉降时光伏支架具有产生较大变形的趋势，进一步的沉降可能引起光伏支架的显著损坏。

光伏支架后支座处的屈服荷载明显大于前支座处，这表明前支座沉降可能导致的危险性更大。设计时应考虑对前部结构进行加强，或对前支座处的沉降量进行完全消除，以避免对支架结构的损坏。

3.3 支座的变形及应力云图

图7为支座沉降完成(K=0)时的变形图和部分截面点的Mises应力云图。由于轴3、轴4支座沉降时应力云图基本相同，故只给出轴1～轴3支座沉降时的Mises应力云图。由图7可以看出，支座的沉降使光伏支架产生了显著的变形，并在光伏支架中产生了较大内力。最外侧支座的沉降将引起轴2结构上檩条应力的显著增大。内侧支座的沉降将使本榀檩条支撑结构上的檩条及相邻榀檩条支撑结构上的檩条应力显著增大，其余位置后檩条应力变化不大。

图7 光伏支架变形图及Mises应力云图(Avg：75%)

前支座的沉降将引起后立柱与斜撑相交处杆件的屈服，而交叉布置的支撑的应力较小，作用不明显。后部支座的沉降主要引起檩条应力的显著增大。

综上所述，某支座的沉降将导致临近光伏支架结构产生大变形，并引起该榀及相邻榀檩条及檩条支撑结构产生显著的内力；所有杆件中，檩条和后立柱最容易发生损坏。

4 结论

本文通过采用有限元软件ABAQUS对单一支座沉降时光伏支架的力学性能进行分析，得出以下结论：

1)若端部前支座发生沉降时，光伏支架抵抗下拉荷载(基础自重等)的能力较低，光伏支架容易在该处发生破坏。

2)光伏支架的前部结构对沉降更为敏感，设计时应考虑对前部结构进行加强，或对前支座处的沉降量进行完全消除。

3)某一支座的沉降将导致附近光伏支架结构产生大变形，并引起该榀及相邻榀檩条及檩条支撑结构产生显著的内力，其中檩条和后立柱最容易发生损坏。