柔性光伏支架结构选型研究与静力性能分析

摘 要：现阶段，随着光伏新能源产业的迅速发展，柔性光伏支架因跨度大且灵活可调等优点，逐渐在农业、林业中广泛应用，其结构选型与静力性能分析对于保证系统安全、稳定和高效运行具有重要作用。本文围绕柔性光伏支架的结构选型及其静力性能展开深入研究，提出了多种柔性光伏支架的结构形式，并对柔性光伏支架抗风设计问题进行了详细分析，以期为相关工程应用提供借鉴与参考。

关键词：柔性光伏支架；结构选型；静力性能

一、引言

在“双碳”战略背景下，光伏能源产业因绿色可持续发展的特点愈发受到人们的青睐。近年来，光伏发电项目数量逐年增长，其投资价值日益凸显。传统光伏支架因占地面积大、场地平整度要求高、土地无法二次利用等不足，建设发展受到限制；而柔性光伏支架在上述方面要求较低[1]，其应用不仅有利于提高单位面积太阳能利用率，更能推动多产业深入融合，经济效益较高。因而，对柔性光伏支架的结构选型与静力性能进行深入研究，具有重要的理论意义和实用价值。

二、柔性光伏支架结构的选型

（一）单层悬索结构

单层悬索结构主要由主钢架（含梁柱）、斜拉索以及平行拉索元件构成。在这一结构中，两道平行于结构平面的拉索替代了传统的受拉元件。这些拉索在完成对组件的支撑张拉后，利用钢梁末端的锚定装置进行固定，并通过张拉机制赋予支承索以应力刚度，从而支撑起整个结构。此外，依托斜拉索的作用，整个体系实现了自我平衡。

单层悬索结构的优势主要包括结构形式简洁明了、受力模式单一、对地形条件具有较强的适应性以及施工效率高等。但因其全柔性设计，结构的整体刚度相对较低，因此在风荷载作用下极易产生较大的形变，限制了其实现更大跨度的能力。因此，单层悬索结构更适合应用于沙漠、鱼塘、农业大棚、停车场等较平坦的地带，以及地形陡峭的山地等场景。

（二）双层悬索结构

双层悬索结构由主钢架（梁柱构成）、斜拉构件、索体以及连接索体的刚性支撑杆件共同组成，索体设计包含两条平行的上弦索与一条向上弯曲的下弦索。相较于单层悬索结构，双层悬索结构增设了承重索与刚性支撑杆，通过索体的张拉处理获得必要的应力刚度，以此构建自稳定系统。

双层悬索结构的优势表现为结构布局简单、受力模式明确，并具备良好的结构刚度和稳固性。其适用跨度范围为20～30米，能承受不超过0.5kN/m²的基本风压。该结构广泛应用于河流、鱼塘、停车场等平坦区域，以及坡度较为和缓、地势起伏较大的山地环境中。

（三）三层索桁架结构

三层索桁架结构的构建主要包括梁柱组成的主钢架、斜拉元件、索体及索体间的刚性支撑杆。相较于双层索桁架，此结构在索件中增设了稳定索，形成了上下弦索相反曲率的结构。稳定索的设计旨在应对风吸力效应，而承重索则承担了竖向荷载，结构内的面内与面外刚度皆源于预拉力，展现出卓越的刚性和形态稳定性。

三层索桁架结构的优点是，虽然其结构配置较为复杂，却提供了出色的刚度和稳定性，特别适用于跨度范围为20～60米、能耐受广泛基本风压的环境[2]。其应用场景广泛，包括污水处理厂、水库、滩涂等开阔地带，以及坡度平缓、地形起伏大、大跨度的山地。由于三层索桁架结构的设计相对复杂，需对所有三层索施加预拉力，这使张拉作业的复杂性增强，对施工流程和质量控制也提出了更高要求。

（四）张弦结构

张弦结构由梁柱构成的主钢架、斜拉构件、刚性上弦、索体及刚性撑杆组成。相较于三层索桁架，该结构未设稳定索，仅保留承重索作为下弦。上弦部分采用刚性结构设计，下弦配置柔性拉索。由于预应力作用，撑杆对上弦部分具有弹性支撑作用，优化了上部结构的受力状态，进而构建出自稳定系统。

张弦结构的优势体现在，其通过撑杆连接上部的压弯构件与下部的受拉构件，并施加预拉力，使上部结构产生反挠度，从而增强了其承载能力和抗变形性能。与其他柔性结构相比，张弦结构在整体钢材使用量上偏高，且主要作为平面受力结构，存在面外失稳的风险。该结构适用于跨度超过30米的环境，并能承受广泛的基本风压，其应用场景包括污水处理厂、工业厂房、矿坑等平地等。

三、柔性光伏支架静力性能分析

柔性光伏支架的静力学性能，主要关注的是其在静荷载作用下的形变及受力状态。这类静荷载包括结构自身的重量、光伏板的重量、风力及雪压等。对柔性光伏支架进行静力性能分析可以深入理解其受力特性及形变规律，为结构的合理设计与优化奠定理论基础。

（一）竖向挠度分析

竖向挠度是柔性光伏支架在静荷载作用下的一种主要形变表现，它直接关系到光伏组件的受光范围及发电效能。因此，对柔性光伏支架的竖向挠度进行研究显得尤为重要。竖向挠度的程度受拉索预应力、索力分布情况及结构布局等多重因素影响。通过科学配置拉索、适度提升预应力以及优化结构布局等手段，可以有效控制竖向挠度，扩大光伏板的受光范围，提升发电效率。

（二）预应力索索力分析

预应力索索力在柔性光伏支架设计中具有重要作用，直接关系到结构的刚度与负载能力。深入探究预应力索索力，有助于把握结构的受力情况与安全性能。预应力索索力受拉索横截面积、材质强度及结构形态等多重因素影响。通过精确设定预应力索索力的大小与方向，可保证结构在静荷载下的稳固与安全。

（三）截面应力评估

截面应力是柔性光伏支架中各部件在受力时的应力分布。截面应力的大小对构件的承载能力和耐久性有直接影响。对截面应力进行深入分析，可以了解构件的受力特点和强度要求。柔性光伏支架的截面应力与构件的截面形状、规格以及材料性质等因素有关。通过合理设计构件的截面形状和规格以及选用高强度材料等措施，可以有效提高构件的承载能力和耐久性。

四、柔性光伏支架抗风设计

（一）风荷载计算

风荷载的计算是柔性光伏支架抗风设计的基石。进行风荷载计算时，必须全面考虑风速、风向变化、风压分布规律以及结构自身的风振系数等关键因素。由于柔性光伏支架结构的独特性，其风载计算过程会更为繁琐，所以采用精确的风洞测试或先进的数值模拟技术，是获取可靠风荷载数据的有效途径[3]。

（二）结构优化

优化结构是提升柔性光伏支架抗风性能的有效手段。比如，增加拉索数量并优化其布局密度可有效增强结构的整体稳固性，增设稳定索能明显提升结构抵御风吸力的能力，采用变截面或变刚度构件设计能进一步优化结构的受力性能。

（三）预应力调整

预应力在柔性光伏支架设计中是一项极为重要的参数。通过精确调控预应力的大小与方向，可以灵活调整结构的刚度、形状及受力模式，进而强化其抗风性能。在抗风设计实践中合理设定预应力参数，可有效保证结构在风荷载条件下保持稳定与安全。

（四）防风设施设置

在柔性光伏支架周边或顶部设置挡风板、挡风网或挡风墙等防风设施，能够有效降低风荷载对架构的不利影响。这些设施能够削弱风力，减轻风荷载对结构的直接冲击，进而提升结构的抗风能力。

参考文献

[1]苟华.柔性支架施工技术在光伏发电项目的应用[J].中华建设，2024，（09）：139-141.

[2]张东栋，范信凌，张斌，等.山地柔性光伏支架设计方案与施工工艺[J].中国建筑金属结构，2023，22（10）：22-24.