光伏支架结构施工图深化设计技术分析报告

一、引言

随着全球能源结构转型与“双碳”目标推进，光伏发电作为清洁能源的核心载体，其建设规模持续扩大。然而，光伏场区常面临复杂地质条件（如塌陷、空腔、溶洞、陡坡陡坎等），导致传统支架结构设计难以满足安全性与经济性要求。施工图深化设计作为连接方案设计与施工实施的关键环节，需通过结构优化、荷载验算与细节处理，确保支架系统在复杂环境下的稳定运行。

本报告以牟月牧场光伏发电项目为案例，系统分析其基础处理方案（如钢护筒加固、柔性支架应用等），结合结构力学原理与施工规范，提出施工图深化设计的技术要点与优化策略，旨在为复杂地质条件下的光伏支架结构设计提供可复制的技术方案。

二、光伏支架结构类型与适用性分析

2.1 固定式支架结构

固定式支架以刚性连接为主，适用于地形坡度小于45 度、地质稳定的区域。其结构由立柱、横梁及檩条组成，通过螺栓或焊接固定，具有造价低、施工简便的优势。然而，在有较厚的覆土层、塌陷或陡坡陡坎地形中，固定式支架易因基础不均匀沉降、基础孔塌陷、基础高差太大基础刚性不稳等导致结构变形，甚至引发组件损坏。例如，牟月牧场项目中1#、2#方阵因基础成孔时基坑空鼓塌陷导致支架基础不能成孔超过 30% ，需通过对基础加固或改变支架形式来解决。

2.2 柔性支架结构

柔性支架采用钢绞线或预应力索作为主要承重构件，通过两端锚固实现大跨度布置，适用于地形起伏大、地质条件复杂的区域。其优势包括：

地形适应性：可跨越陡坡、沟壑等障碍，减少土方开挖量；

抗风性能：钢绞线弹性变形可分散风荷载，降低结构应力集中；

经济性：材料用量较固定式支架减少 15%-20% ，施工周期缩短 10% 以上。

在牟月牧场项目中，针对9#、10#方阵的陡坡地形，采用柔性支架方案后，支架高度差调整范围扩大至4 米，组件安装密度提升 15% ，且基础混凝土用量减少 15% 。

2.3 跟踪式支架结构

跟踪式支架通过电动或液压系统调整组件角度，以最大化光照接收量。其结构复杂、造价较高，适用于光照资源丰富但地形平坦的区域。在牟月牧场项目中，因地形起伏大且存在塌陷风险，跟踪式支架未被采用。

三、基础处理方案优化与结构安全性验算

3.1 塌陷与空腔地基处理方案

根据牟月牧场项目地质报告，1#-5#方阵存在塌陷风险，需采用钢护筒加固方案。深化设计时需重点验算以下内容：

钢护筒承载力：按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）验算护筒壁厚（ 1=4mm 或 5mm ）与嵌入稳定土层深度 Φ≈1.0m ）是否满足竖向荷载（含组件、支架自重）与水平荷载（风荷载、地震作用）组合要求。例如，方案 1 中钢护筒直径375mm、壁厚 4mm 时，其轴向承载力设计值为 120kN，实际荷载组合（恒载1.2+风载1.0）下安全系数为2.1，满足规范要求。

注浆充填效果：孔壁与钢护筒间空隙采用水泥基注浆料充填时，需通过试验确定注浆压力（0.5-1.0MPa）与配合比（水灰比0.4-0.5），确保充填密实度 ≈95% 。

3.2 陡坡陡坎地形支架基础设计

针对9#、10#方阵的陡坡地形（高差 >2m ），深化设计需解决以下问题：

基础抗倾覆：采用加高桩出地面高度 (⩾2m ）时，需验算桩底弯矩与抗倾覆稳定性。按《钢结构设计标准》（GB 50017-2017），桩顶水平位移限值取H/100（H 为桩高），实际计算位移为 12mm ，小于限值 20mm 。

支架柔性连接：柔性支架与基础连接处采用铰接节点，释放水平位移约束，避免因地基不均匀沉降导致结构内力激增。

3.3 结构安全性验算方法

施工图深化设计需通过有限元分析（FEA）验证结构安全性，重点包括：

静力分析：计算支架在恒载、活载（雪荷载、风荷载）组合下的应力与变形。例如，柔性支架绞线最大应力为820MPa，小于抗拉强度设计值 1570MPa；组件最大挠度为L/150（L 为跨度），满足规范要求。

动力分析：对沿海或高风速区域，需验算支架在脉动风作用下的振动特性，确保固有频率避开风振频率范围。

四、施工图深化设计要点

4.1 节点设计精细化

钢护筒与基础连接：采用法兰盘螺栓连接，螺栓规格为M24×100，预紧力矩控制在300-350N•m，确保连接可靠性。

柔性支架锚固节点：锚索与基础预埋件采用热镀锌钢制夹具固定，夹具抗滑移系数 ⩾0.45 ，并通过拉拔试验验证。

4.2 构件标准化与模块化

主梁与次梁选型：优先选用标准型材（如 C60×40×20×2.5mm 槽钢），减少非标构件加工量，降低制造成本。

支架单元预制：将支架分解为立柱、横梁、檩条等模块，在工厂预制后运输至现场组装，提高施工效率与质量。

4.3 施工可行性验证

通过BIM 模型模拟施工过程，验证以下内容：

构件吊装顺序：避免大跨度构件（如柔性支架横梁）在吊装过程中发生变形；

空间碰撞检测：确保钢护筒、电缆桥架等构件与既有设施无冲突；

施工误差控制：立柱垂直度偏差≤H/1000（H 为立柱高度），组件安装平面度偏差 ⩽5mm

五、施工过程控制与质量保障

5.1 基础施工质量控制

钢护筒沉入精度：采用全站仪定位，护筒中心偏移量≤50mm，垂直度偏差 ⩽1% ；

注浆密实度检测：通过钻孔取芯法验证注浆体强度（ ⩾20MPa ）与密实度，不合格区域需补注。

5.2 支架安装误差控制

柔性支架张拉力校准：采用液压千斤顶对钢绞线进行分级张拉，每级张拉力误差 ⩽±5% ，最终张拉力符合设计值（如120kN）；

组件安装平整度：通过激光水平仪检测组件四角高差，确保 ⩽3mm ，避免因安装不平导致热斑效应。

5.3 验收标准与检测方法

静载试验：对支架施加1.5 倍设计荷载，持续24 小时，检测结构变形与连接节点稳定性；

动载试验：模拟风振作用，检测支架振动频率与振幅，确保满足《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012）要求。

六、结论与展望

6.1 结论

本报告通过牟月牧场光伏发电项目案例分析，验证了以下技术路径的可行性：

结构选型优化：柔性支架在复杂地形中具有显著优势，可降低基础造价 15%-20% ；

基础处理精细化：钢护筒加固与注浆充填技术可有效解决塌陷地基问题，承载力提升 1.5 倍以上；施工图深化设计：通过BIM 模拟与有限元分析，可提前发现设计缺陷，减少施工返工率 30%lλ

上。

6.2 展望

未来光伏支架结构施工图深化设计可进一步探索以下方向：

智能化设计工具：开发基于AI 的支架结构优化算法，实现参数化设计与自动验算；

新材料应用：研究高强度合金钢、纤维增强复合材料（FRP）在支架中的轻量化应用；

全生命周期管理：结合物联网技术，建立支架结构健康监测系统，实现实时预警与维护决策支

通过技术创新与实践积累，光伏支架结构施工图深化设计将向更高效、更安全、更经济的方向发展，为全球能源转型提供坚实的技术支撑。