杨 光，左得奇，钟 飞，侯克让，郑 中，张和平

（中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

在土地资源紧张的情况下，要大规模发展光伏电站，就要利用一切可利用的土地资源，如湖泊、鱼塘、地势复杂的山地等，采用渔光互补、农光互补、林光互补等形式，以使土地资源利用最大化[1-4]。

而传统固定式支架受限于其安装方式，在滩涂、鱼塘及复杂山地区域难以运用，因此，能够适应复杂地理环境的柔性光伏支架应运而生[5-6]。柔性光伏支架采用预应力钢索承托光伏面板，通过端部的水平支撑构件平衡拉索水平力，并通过设置中部支架减小拉索跨度。

王雨[7]介绍了部分柔性光伏支架技术方案，提出了柔性支架技术方案、荷载计算及预应力张拉顺序等方面的建议。牛斌[8]从单层和双层悬索结构的基本受力特点出发，分析了柔性支架在光伏发电工程中的应用，提出预应力的建立是索桁架获得结构刚度和形状稳定性的必要措施。周杰[9]对山区地形下柔性支架预应力索进行了设计分析，并提供了一种计算主索与稳定索的预张力范围的方法。唐俊福[10]对比了三种水平力承载构件结构形式的受力特点，并研究了水平力承载构件与地面倾角的变化对结构力学行为的影响。

以上研究主要针对于预应力索、水平支撑等柔性支架结构构件[11-14]，对于柔性光伏支架完整系统整体性研究，尤其是系统整体关键参数、可靠性与经济性相适应等研究尚处空白。本文鉴于现有柔性支架研究现状，对包括索布置、梁布置、柱布置以及其他支撑布置的各类柔性支架布置形式进行归类整理，同时对比分析各类柔性支架布置形式以及跨度和跨数的合理性及经济性，提出建议取值方案。

1 柔性光伏支架结构布置形式

1.1 柔性光伏支架系统

柔性光伏支架结构体系分为2个部分 ：柔性系统和支架系统。柔性系统由预应力主索、稳定索、防风索、组件固定夹具、三角锥或四角锥、光伏组件等构成；支架系统由基础(包括独立基础、桩基础、锚杆基础)、钢立柱、钢梁、支撑体系(包括斜拉索、斜支撑)等构成，如图1所示。

图1 柔性支架构件图

当柔性支架跨度较大或承受的荷载增大时，主索跨中位移以及挠度也会相应增大，若只提高索的预拉力来消除位移及挠度增大的影响，当预拉力增大到一定值时，将会超过索的承载力，在此类情况下，应设置稳定索以及防风索，有条件时可利用钢桁架替代防风索。

1.2 索—梁形式

索—梁形式即将索与梁直接相连，梁通长布置，此种布置形式的力传导方式为索拉力→钢横梁→钢立柱→支撑。

1.2.1 小跨度柔性支架索—梁形式

当柔性支架跨度较小(通常L≤30 m)时，设置2道主索即可满足强度、挠度等设计要求，此种布置方式中，横梁在跨距内承担了多道索的拉力，而单根索的拉力可达到100 kN左右，故横梁的耗钢量在整个支架结构中占据较大的比例。由于柱间支撑和斜支撑的布置，索的水平力主要由支撑构件承担，钢立柱几乎不受水平力作用，但是柱底、斜支撑底部将会有较大的反力，在一些地质条件不良的区域，基础设计可能存在较大的困难。

柔性光伏支架一般有四种端部支撑形式[10]，分别为斜拉杆、钢斜柱、八字形钢斜柱以及斜拉索。其中，斜拉杆与斜拉索为受拉构件，钢斜柱为受压构件，八字形钢斜柱的两斜柱内力等大反向，在数值上等于斜拉杆、斜拉索或钢斜柱的一半，应根据场地地质特点选用合适的水平支撑体系。

连续多跨支架分为端榀支架与中榀支架如图2所示，通过设置中榀支架减小预应力拉索拉力。

图2 小跨度连续多跨索—梁形式

中榀钢横梁对索的支承方式通常为滑动支承，即索在中间支座时不断开，而是一整条索连续搭接过去，使钢横梁不承担索轴向拉力荷载作用。在此条件下，钢梁的受力包括构件重量、风载及雪载，这些荷载相对于索拉力很小，较小的型钢尺寸即可满足工程需要，故中榀支架的钢材耗量会较端部显著下降。

1.2.2 大跨度柔性支架索—梁形式

当柔性支架跨度L≥30 m时，设置2道主索难以满足跨中挠度要求，如果增大预紧力以满足挠度需要，则会超过索力设计值；同时，由于索结构较柔，跨度较大时，风致振动作用较为显著，需要设置防风体系。

大跨度索—梁形式柔性支架如图3所示，图3(a)中在支架的横向单排设置2道主索、1道稳定索以及三角锥，稳定索的设置可以减小索跨中挠度并可分担部分主索拉力；在支架纵向设置防风索以减小风振作用，防风索端部可锚入地基亦可牵拉至两端端柱，但牵拉至端柱时需要增大端柱截面。图3(b)中以钢桁架替代防风索，钢桁架所用杆件为刚性杆，安装完毕后不必进行牵拉。图3(c)为大跨度索—梁形式连续多跨支架。

图3 大跨度单跨索—梁形式

在大跨度柔性支架体系中，需要施加预紧力的索有主索以及稳定索，根据实际工程，施加预紧力顺序为：①先初步张拉主索，在主索上铺设光伏组件，安装完成后调整主索拉力达到预张力设计值；②进行稳定索的张拉，以调整结构的整体挠度[9]。纵向防风体系不再进行张拉。

1.3 索—柱形式

索—柱形式即将索与柱直接或间接相连，多柱少梁，此种布置形式的力传导方式为索拉力→钢立柱→支撑或索拉力→支撑→钢立柱。

1.3.1 小跨度柔性支架索—柱形式

小跨度单跨支架的索—柱形式如图4所示，此种布置方式相较于索—梁形式，取消了钢横梁，增大了钢柱的密度，同时减小了柱底与支撑底的反力，但是增加了基础个数。索—柱形式的端部支撑形式主要为3种：斜拉索、钢斜柱以及八字形钢斜柱。

图4 小跨度柔性支架索—梁形式

索—柱形式柔性支架中榀的支架形式类似于固定式单柱光伏支架，如图5所示，构件包括钢斜梁、斜撑杆、钢立柱、支撑杆、拉杆(索)，斜撑杆通过抱箍或焊接与钢立柱相连，通过螺栓或焊接与钢斜梁相连，钢斜梁支承于钢立柱与斜撑上，索支承于钢斜梁上，每一排2根主索对应于一根钢立柱。中榀支架对索的支承方式同样为滑动支承，索在中间支座时不断开，而采用连续搭接的方式，使支架不受预应力索轴向拉力作用。为减小钢横梁用量，应将支撑杆的作用点尽量靠近索与横梁的交点。

1.3.2 大跨度柔性支架索—柱形式

与索—梁形式相同，通常当柔性支架跨度L≥30 m时，需要设置防风体系。大跨度索—柱形式柔性支架如图6所示，索—柱形式大跨度支架端部支撑形式与小跨度相同，共3种，分别为钢斜柱、八字形钢斜柱以及斜拉索。

图6 大跨度索—柱形式

在实际工程中，也可采用索—梁形式与索—柱形式相结合的布置方式，例如端榀采用索—梁形式，中榀采用索—柱形式，亦可端榀采用索—柱形式，中榀采用索—梁形式，支架的最终布置方式需根据场地条件、业主需要、经济性及安全性等因素综合考虑。

2 两种形式经济性比较分析

在实际工程中，应根据工程实际需要选择相应的布置形式。但是当一个工程项目有多种结构布置选择时，应根据结构形式的经济性进行比选。

2.1 结构布置形式比较

柔性支架的索—梁形式和索—柱形式由于结构布置形式不同，耗钢量会有一定差异，本节针对一个具体案例对这两种布置形式进行工程量比较。案例设计资料如下：

场地面积：80 m×125 m；框架设计高度：3 m；基本风压w0：0.5 kPa；光伏面板尺寸：2 383 mm×1 303 mm，单板额定功率650 W，34.4 kg/块；设计光伏面板倾角：20°；风载体型系数：根据标准《光伏支架结构设计规程》取值，倾角20°时，风载整体体型系数μs1(风压)为0.85，μs2(风吸)为-1.0；风振系数：偏保守取为2.0；结构安全等级：三级，结构重要性系数取1.0。

对比方案主要为3个：索—梁布置形式、索—柱布置形式、索—梁与索—柱联合布置形式，如图7所示，计算软件为sap2000。光伏板均横向方式，每跨放置10块，每排光伏板中心线间距为2.5 m，每横排间距2.5 m，组件采用两主索支承形式，在满足挠度要求情况下不设置稳定索和防风索。预应力取值：索预应力取值不应过大或过小。取值过大，则可能超过索容许应力或增大基顶反力导致基础量过大，取值过小，则可能不满足最大容许挠度要求。故设计时建议根据允许跨中挠度计算索预应力取值，此处根据计算取为20 kN。

图7 75 m×120 m柔性支架设计方案

计算模型中，为正确模拟索构件的变形与受力，考虑了构件几何非线性，并将索构件定义为只拉单元；在中间跨定义连接单元以模拟中榀支架对索的滑动支撑效果；每根主索承受荷载均换算为线荷载的形式施加；为准确施加索预紧力，利用程序中目标力在索的两端进行施加。

索—梁布置形式恒载与风压作用下的位移云图，如图8所示。单跨跨中最大位移为-0.65 m，满足规范[15]L/20跨中垂度要求，此时主索轴力达到87 kN，选用φ15钢绞线，极限破断力为189 kN(抗拉强度1 570 MPa)[16]，索力设计值为94.5 kN。在其他两个方案中，由于荷载、主索跨度与主索截面大小均相同，结构最大位移与索—梁布置形式相差不大。在进行结构设计时，将各构件的最大应力比控制在0.8～0.9，避免各构件截面过大或过小。

图8 恒载与风压作用下位移云图(索—梁布置形式)

以上3个方案的计算用钢量见表1(序号1、2、3)所列，索—梁布置形式用钢量最大，为64.47 t，其中钢横梁耗量占比达50%以上；索—梁与索—柱联合布置形式次之，为39.26 t；索—柱布置形式最小，为26.28 t。方阵总装机容量为650×10×3×49=955 500 W。故换算为每兆瓦用钢量时，方案一工程量为67.47 t/MW，方案二工程量为41.09 t/MW，方案三工程量为27.50 t/MW。经比较，在条件允许的情况下，建议采用索—柱形式进行设计。

表1 各布置方案设计用钢量

2.2 跨度影响性分析

在大小相同的荷载作用下，当柔性支架跨度增大时，预应力索的跨中挠度相应增大，当跨度增大到一定值时，跨中垂度将会超过规范限值(L/15～L/20)[15]，故需要设置稳定索及防风索。虽增加了稳定索及防风索，但跨度的增大会减少中榀支架的数量，故大跨度与小跨度柔性支架经济性不便直接比较。本节基于总长75 m的柔性支架，对比3种跨度的工程量，以评估柔性支架经济跨度。

对比方案为：75 m五跨支架方案、75 m三跨支架方案、75 m两跨支架方案，如图9所示，计算软件为sap2000，结构布置形式均为索—柱形式。由于75 m两跨支架方案在不设置防风体系时的位移较大，索拉力超过了规范限值，故需要增大索截面或增设防风体系，此处设置了稳定索及防风索，根据实际施工情况，主索预紧力F应大于稳定索预紧力f，现取f=F/2，F取为20 kN。

图9 跨度比较模型

图10为75 m两跨支架方案的位移云图，由于稳定索的布置，索跨中挠度减小为0.985 m，满足挠度要求；主索、稳定索的最大拉力分别为90 kN、82 kN，均小于φ15钢绞线拉力设计值189/2 kN。

图10 75 m两跨模型位移云图

支架构件经过截面设计，工程量见表1(序号4、5、6)所列。从以上3个跨度方案来看，75 m五跨方案耗钢量为1.16 t，75 m三跨方案耗钢量为1.07 t，75 m两跨方案耗钢量为1.61 t。在不设置稳定索和防风索的情况下，支架耗钢量随着跨度的增大而少量减少，当跨度继续增大到需要设置稳定索和稳定索时，支架耗钢量显著增加，柔性支架的最优经济跨度应为需要设置稳定索及防风索的临界跨度。在工程设计时，若没有跨度限值，可先计算出临界跨度L0，实际设计跨度L可在L0基础上偏安全地乘以缩减系数。

3 结论

1)相同设计条件下，索—柱形式布置在经济上要优于索—梁形式，因为不仅要除考虑梁受力强度外还需考虑索的连接，所以梁截面高度不会太小，梁的耗钢量往往超过总耗量的50%以上。

2)当布置为小跨度时，只设置2道主索，无需设置稳定索和抗风索即能满足应力和变形的要求，此时结构简单、施加的预应力小、施工周期短而且经济性好；当跨度较大时则需要设置稳定索和抗风索，钢构件增多，耗钢量增加，但柱和基础数量相应减少，经济性根据场地条件差异较大。

3)连续多跨布置较单跨经济性优，中间支架设计成摇摆柱，索在中间支柱处连续，索外侧设置斜拉索以平衡索拉力，以减少支架工程量。