螺旋地桩在日本光伏支架系统中的计算

郭立算

厦门精腾达金属科技有限公司，福建 厦门 361000

0 引言

光伏支架基础按照材质进行区分大致可以分为水泥和钢桩。近年来，由于日本水泥基础费用高昂，以及环境污染等问题，钢桩已经成为光伏支架的主流形式，尤其是螺旋地桩，以其施工便捷、整体费用低等优点，成为支架系统基础的首选。由于日本JIS标准中没有专门的标准针对光伏支架基础进行规定，造成国内技术人员对螺旋地桩在日本光伏支架系统中的计算不够清楚，部分技术人员引用国内标准进行计算，导致项目通不过当地的审核。基于此，文章引用日本相关标准对螺旋地桩进行计算。

1 螺旋地桩计算概述

螺旋地桩基础计算主要分成两个部分。

（1）螺旋地桩本身强度的计算。通过与螺旋地桩接触的上部分支架结构，计算出螺旋地桩的水平弯矩、抗拉力、抗压力3个方向的受力，然后利用基本的材料力学公式进行强度校核。

（2）螺旋地桩在土壤中容许压力、容许拉力的计算。利用地勘报告所获得的土壤信息，进行地桩压力和拉力的计算，将所得结果与利用地桩本身强度计算所得的压力和拉力进行对比，前者小于后者则代表该方法可行。

2 螺旋地桩本身强度计算

2.1 地桩上部受力分析

根据地桩上面部分支架结构，利用仿真软件（SAP2000、PKPM等）计算地桩3个方向的力，水平x轴上的弯矩Mx，水平y轴上的弯矩My，及其z轴上的力|F|。其中，z轴上的力又分为向下的压力F1和向上的拉力F2。地桩受力图如图1所示。图1中，H为地桩露出地面的距离。文章只计算地桩部分，不对地桩上面部分展开计算。

图1 地桩受力图

2.2 地桩容许弯曲应力计算

（1）地桩容许弯曲应力fb计算。材料弯曲应力与地桩的具体结构形状有关系。当λy≤85时，

其中：fb≤ft[1]。

式中：F为材料的屈服强度；ft为材料的长期弯曲应力；λy为长细比，；Lb为地桩计算长度，是地桩露出长度的2倍；i为回转半径；E为弹性模量；Cb为力矩系数。

以最常见的螺旋地桩为例，其一般露出地面200 mm，规格为外径76 mm、壁厚3 mm，材质为Q235B，对应日本标号为SS400[2]。所对应的各个参数如下：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，则，且fb≤ft=156.67 N/mm2，最终可得fb=156.67 N/mm2。

（2）地桩容许压缩应力fc计算。当λ≤Λ时，

当λ＞Λ时，

式中：Λ为弹性极限细长比，。

以上述地桩为例，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 地桩强度校核

地桩校核公式为

式中：Z为地桩抗弯截面系数；A为螺旋地桩有效截面积；Mx为水平x轴上的弯矩；My为水平y轴上的弯矩；为z轴上的力，。

3 螺旋地桩在土壤中的容许力计算

3.1 地桩在土壤中容许压力计算

长期荷载作用下的容许压力[3]为

短期荷载作用下的容许压力为

式中：Ra为地桩在土壤中的容许压力；RU为地桩现场荷载试验的极限压力；qp为地桩端阻力，qp=50 N；N为土壤N值，由标准贯入试验获得；Ap为地桩尖端有效截面积；RF为侧摩擦阻力；NS为砂质土N值，标准贯入试验获得；LS为地桩在砂质土中的总长度；qu为无侧限抗压强度，qu=2C；C为黏性土内聚力，C=6～10 N[4]；Lc为地桩在黏性土中的总长度；φ为地桩周长。

3.2地桩在土壤中容许拉力计算

长期荷载作用下的容许拉力[3]为

短期荷载作用下的容许拉力[4]为

式中：tRa为地桩在土壤中的容许拉力；tRU为地桩现场荷载试验的极限拉力；RF为侧摩擦阻力；Wp为地桩的有效自重。

3.3 计算案例

（1）利用现场地桩拉力测试数据。日本一个17 MW光伏项目现场地桩拉力测试报告的部分数据如表1所示。

表1 17 MW光伏现场拉力试验测试报告数据

由表1可得，tRU=24.34 kN；地桩自重Wp=14.5 kg= 0.142 kN。根据第3.2节的计算公式，可得容许拉力（长期）为

容许拉力（短期）为

当tRa≤F1时，地桩抗拉力满足要求（F1引用自第2.1节）。

（2）利用地勘报告数据，地勘测试报告部分数据如表2所示，地桩如图2所示。

引用表2数据，将图2的地桩分成三段进行计算。第一段为埋入地下部分的圆管部分，Lc1=0.70 m，此部分圆管周长φ1=0.076π=0.239 m，根据地勘底下0.7 m的平均N值，N1=0.96。第二段为埋入地下的叶片部分，Lc2=0.74 m，此部分圆管周长φ2=0.096π=0.302 m，根据地勘可得此段土壤的平均N值，N2=4.47。第三段为埋入地下的缩管部分，此部分呈梯形，因此长度只能计算一半Lc3=0.36÷2=0.18 m，此部分圆管周长φ3=0.096π=0.302 m，根据地勘可得此段土壤的平均N值，N2=6.125；地桩自重Wp=0.142 kN。

图2 地桩（单位：mm）

表2 地勘测试报告部分数据

取C=10 N[5]，根据第3.1节中的计算公式可得

根据第3.2节中的计算公式，可得容许拉力（长期）为

容许拉力（短期）为

当tRa≤F1时，地桩抗拉力满足要求（F1引用自第2.1节）。

4 结束语

文章通过引用日本标准，从以下两个方面论述了螺旋地桩在日本光伏市场计算的方法：通过对地桩本身材料强度的验算，验证地桩是否满足强度要求；通过地勘报告的运用，对地桩在土壤中的拉力进行计算，验证地桩是否满足工程需求。该研究可以为从业者提供相关参考。