柔性光伏支架索结构在复杂荷载作用下的挠度响应与优化

柔性光伏支架索结构在复杂荷载作用下的挠度响应与优化

王超雷

中电建宁夏工程有限公司  宁夏 银川 750000

摘要：本文深度剖析柔性光伏支架索结构在复杂荷载环境下的挠度响应规律，并提出具有针对性的优化策略。通过系统分析不同类型荷载，构建力学模型，结合陕西榆林靖边光伏电站和河北张北光伏电站等实际工程数据，详尽阐释索结构挠度的计算方式。运用优化算法对索结构参数加以调整，致力于降低挠度、增强结构稳定性，为柔性光伏支架的设计与应用给予坚实的理论依据和切实的实践指导。

关键词：柔性光伏支架；索结构；复杂荷载；挠度响应；优化

1.柔性光伏支架索结构概述

柔性光伏支架索结构主要由索、支撑结构和光伏组件构成。索作为核心受力部件，承担着光伏组件的重量以及外部荷载。支撑结构用于固定索并调整索的张力，以确保索结构的稳定性。与传统刚性支架相比，柔性光伏支架索结构柔韧性更好，能更好地适应不同地形与环境条件。

在实际工程中，索材料的选择十分关键。以河北雄安新区某大型光伏电站为例，该电站选用公称直径为 15mm、破断拉力为 120kN 的高强度镀锌钢索。这种钢索强度高、耐腐蚀性好，可满足光伏支架在复杂户外环境下长期稳定工作的需求。

2.索结构的力学模型

为精确解析柔性光伏支架索结构在复杂荷载下的力学性能，需构建合理的力学模型。通常采用有限元方法，将索结构离散为多个单元，通过求解单元平衡方程获取整个结构的响应。

假设索的长度为 L ，线密度为，张力为T，在横向荷载q(x)作用下，索的挠度y(x)满足微分方程：

+  （1）

其中 g 为重力加速度。对于两端固定的索，边界条件为 y(0)=y(L)=0。通过数值方法求解该方程，可得到索在不同荷载作用下的挠度分布，为后续结构分析和优化提供数据支持。

工况下的挠度分布情况，为后续的结构分析和设计优化提供重要的数据支持。

3.复杂荷载作用分析

柔性光伏支架索结构所承受的荷载类型多样，总体可划分为恒荷载和活荷载两大类别。恒荷载主要涵盖结构自身的重量以及光伏组件的重量，这部分荷载在结构整个使用周期内保持相对稳定。活荷载则包括具有较强不确定性的风荷载、雪荷载以及可能发生的地震作用等。

3.1 风荷载

风荷载是柔性光伏支架索结构设计过程中必须重点考量的关键荷载之一。依据我国现行的《建筑结构荷载规范》（GB 50009 - 2012），风荷载标准值 可通过以下公式进行计算：

  （2）

其中，表示高度 z 处的风振系数，该系数反映了风的脉动特性对结构的影响；为风荷载体型系数，其数值取决于结构的外形和体型，体现了结构表面风压分布的特性；是风压高度变化系数，与地面粗糙度以及离地面高度相关，用于修正不同高度处的风压值；为基本风压，是根据当地空旷平坦地面上 10m 高度处 10min 平均的年最大风速观测数据，经概率统计得出的 50 年一遇的最大风压值。

以海南文昌某光伏电站为例，该地区依据长期气象观测数据，基本风压 0.9kN/m2。该光伏支架的安装高度为 12m，根据规范中对于风压高度变化系数的规定，结合当地地面粗糙度类别（假设为 B 类），通过查阅相关表格或公式计算可得 = 1.3 。该光伏支架的风荷载体型系数 = 1.4，考虑到当地风的脉动特性以及结构的自振特性，经专业计算确定风振系数= 1.6。将这些参数代入上述风荷载计算公式，可得出该光伏支架所承受的风荷载标准值为：

.41.3 0.9= 2.6208kN/m2

3.2 雪荷载

雪荷载同样是影响柔性光伏支架索结构稳定性的重要因素。雪荷载标准值 可按照以下公式进行计算：

   （3）

其中，为屋面积雪分布系数，该系数与屋面的坡度、朝向以及建筑物所处地区的气候条件等因素有关；为基本雪压，是根据当地空旷平坦地面上的积雪资料，经统计分析得出的 50 年一遇的最大雪压值。

以黑龙江漠河某光伏电站为例，该地区冬季寒冷多雪，根据长期气象记录和相关统计分析，基本雪压 = 0.5kN/m2 。该光伏支架所在区域的屋面积雪分布系数 = 1.2 （考虑到当地的屋面形式和冬季风向等因素）。将这些数据代入雪荷载计算公式，可得该光伏支架所承受的雪荷载标准值为：

3.3 荷载组合

在实际的结构设计过程中，需要综合考虑多种荷载同时作用时的组合效应。常见的荷载组合方式主要有基本组合和标准组合等。以基本组合为例，其数学表达式为：

1+  （4）

其中，表示荷载效应组合的设计值，是结构设计时用于验算结构安全性的重要参数；为永久荷载分项系数，一般情况下取值为 1.2，用于考虑永久荷载对结构的不利影响；为第i个可变荷载分项系数，通常取值为 1.4，反映可变荷载的不确定性和对结构的不利作用程度；为永久荷载效应标准值，即由结构自重和光伏组件重量等永久荷载产生的效应值；为第i个可变荷载效应标准值，例如风荷载效应标准值、雪荷载效应标准值等。

表 1：不同荷载组合下柔性光伏支架索结构的荷载效应值

4.挠度响应计算

确定荷载组合后，依据力学模型可计算柔性光伏支架索结构的挠度响应。以青海德令哈某跨度为 35m 的柔性光伏支架索结构项目为例，用有限元软件 ANSYS 模拟分析。

仅考虑恒荷载时，索结构最大挠度为  ymax1 = 0.18m。单独施加风荷载时，最大挠度为 ymax2 = 0.35m。雪荷载单独作用时，最大挠度为 ymax3 = 0.12m。考虑恒荷载、风荷载和雪荷载基本组合时，索结构最大挠度为 ymax = 0.45m。这些结果直观反映了索结构在不同荷载工况下的变形情况，为优化措施制定提供关键数据参考。

5.优化措施

为降低柔性光伏支架索结构在复杂荷载作用下的挠度，提升结构稳定性，可采取以下优化措施：

5.1 调整索的张力

增加索的初始张力能提高索结构刚度，减小挠度。实际工程中可通过安装张紧装置调整索的张力。如江苏盐城某光伏电站，建设初期索的初始张力为 90kN，风荷载大时挠度明显。安装张紧装置将初始张力提高到 110kN 后，在相同荷载组合下，索结构最大挠度从 0.4m 降至 0.32m，结构受力性能和变形情况得到有效改善。

5.2 优化索的布置

合理设计索的布置可改善索结构受力状态，减小挠度。例如，斜拉索布置方式比传统平行索布置增加了结构冗余度，使力的传递路径更多样化，提高了结构稳定性。运用结构分析软件对不同索布置方案从结构受力合理性、挠度大小、材料用量等维度模拟对比，可筛选出最优方案。

5.3 增加支撑结构

在索结构中增设支撑结构可减小索的跨度，降低挠度。在索中间设一个支撑点，可使索的跨度减半，根据力学原理，索的挠度与跨度平方成正比，跨度减小能显著降低挠度。通过有限元分析软件对比增设支撑点前后索结构，结果显示相同荷载作用下，增设支撑点后索结构最大挠度降低约 40%，证明该措施有效。

结语：

综上，柔性光伏支架索结构在复杂荷载作用下的挠度响应问题，是影响其性能和使用寿命的核心因素。通过构建科学合理的力学模型，精准分析各类荷载的作用机制，并采取切实有效的优化措施，能够显著降低索结构的挠度，提升结构的稳定性和可靠性。在实际的光伏电站工程建设中，应紧密结合具体的工程地质条件、气象环境以及项目成本等多方面因素，综合考量并选择最为适宜的索结构形式和优化方案，以保障柔性光伏支架能够安全、稳定、高效地运行，为实现清洁能源的可持续发展贡献力量。

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作者简介： 王超雷，1994年11月19日，男，汉族，甘肃省陇南市礼县人，大学本科，土木工程专业，一级注册结构工程师，从事工程设计管理工作。