不规则拱形钢网架屋面光伏支架系统的设计与应用

0 背景

本文背景项目为海南省儋州市海花岛上一个并网型屋顶光伏发电工程，工程建设规划容量为2.666MW。 本期工程共4 个可以利用于光伏发电的建筑屋面，所有光伏屋顶均为钢桁架结构，屋面均为钢骨架膨石轻型板，钢骨架膨石轻型板上已预留焊接钢板，光伏支架通过与预留的焊接钢板进行连接固定。

1 难点分析

（1）布置固定，灵活性差

由于本工程屋面为钢骨架膨石轻型板，承重能力较差，光伏支架系统的立柱需设置在屋面已预留的钢板上。因为光伏支架系统的立柱只能按照预留钢板的位置进行布置，横梁跨度及檩条跨度相对固定，可调节度不大。且现场预留钢板施工质量较差，位置存在偏差，设计时需考虑初始偏差的影响。

（2）屋面形状不规则

本工程屋面为拱形钢结构屋面，立面整体存在高差，屋脊与屋檐高差约 3m 其中部分屋面为扇形布置，且左右不对称。平面形式不规则，导致支架系统布置难度增大，立柱间横梁跨度无法统一。

（3）靠近海边，基本风压大

本工程位于海南省儋州市海花岛，与海边直线距离约 200 米，最大风速36.0m/s ，基本风压取值 0.85kN/m² 。建设单位要求光伏支架系统能承受 12 级台风的冲击，因此，结构设计时应充分考虑现场环境的不利因素，保证结构的可靠性。

（4）外观形象要求高

本工程为形象工程，建设单位对建筑外立面及屋面外观形象要求较高，建设单位要求光伏屋面中央预留位置用于安装屋面装饰铝单板。光伏支架系统设计时应考虑于周边环境协调统一，相互辉映。

2 支架设计

2.1 设计方案

本工程光伏支架系统主要由立柱、横梁、檩条组成。立柱底部与屋面预留钢板采用焊接连接，立柱与拱形屋面的切线方向垂直，横梁和立柱之间通过耳板连接，两个立柱之间的横梁为直线梁，同一轴线上的单跨梁为与拱形屋面相切的折线梁。檩条与横梁之间通过檩条连接，光伏组件与檩条通过螺栓安装。

2.2 结构模型

本文采用 YJK 结构计算软件 YJKS4.3.0 对本项目中扇形屋面的光伏支架系统进行结构建模，以其中一个扇形屋面光伏支架系统的局部结构模型为例进行分析。光伏支架各构件材质采用 Q355B，钢柱采用 HM200×150×6×9 ，横梁采用H150×100×3.2×4.5 ，边梁采用 C120×50×20×1.8 ，檩条采用 Z160×50×15×2.0 ，梁柱连接采用铰接。

2.3 结构分析

整体结构受力分析结果图 2-1～图 2-2 所示，从结构受力及结构位移结果可知，结构应力比最大值为0.85，结构位移最大值为 1.69mm. 。结构满足承载力及受弯构件挠度容许值 L/250mm 的要求。

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根据现场施工环境，光伏支架安装屋面为拱形钢网架屋面，光伏支架立柱需安装在屋面预留的钢板上。现场预留钢板施工质量较差，位置与前期图纸有一定偏差。在保证梁柱连接可靠性的同时，考虑施工现场初始偏差及施工误差的影响，梁柱连接应设有一定的调节裕度，能适应拱形屋面的高差，施工时能根据现场环境调整安装。

本项目梁柱连接采用双螺栓耳板连接，可通过在立柱耳板及横梁端部设置两个水平和竖直方向的长圆孔，在安装时有一定的调节裕度，此连接方式施工较便利，安装快捷。

3.2 檩条连接

根据现场施工环境，光伏支架安装屋面平面形状不规则，檩条与横梁之间并不正交，存在一定夹角。若采用固定檩托，需在横梁和檩托出厂前考虑安装时两构件安装的夹角，加工制作复杂，且容易产生加工误差。因此考虑现场施工安装的便利性及可调节性，施工安装时可根据现场环境调节安装位置。

本项目采用活动钢板檩托，采用钢板切割焊接成型，工厂预制成型，现场与横梁采用螺栓安装，可根据施工现场环境调节安装位置。

4 成果应用

本光伏支架系统通过采用立柱与横梁双螺栓耳板连接、以及活动钢板檩托，增加了支架系统的可调节性。在满足本工程设计条件的前提下，施工安装更加便捷，减少了因现场环境及构件制作加工误差引起的返工，缩短了施工工期。本工程已竣工并网送电，现场安装照片如图4-1 所示。

5 结论

工程的实际应用表明，本光伏支架系统能良好地适应不规则拱形钢网架屋面的现场环境，可调节性较强。同时，本光伏支架系统主要由立柱、横梁，檩条组成，结构体系简单，传力路径清晰，尽量减少不必要的冗余结构，达到简洁美观的效果，同时减少用钢量。本工程光伏组件实际安装容量为 2.479MW，光伏支架用钢量为171.5t，折合单兆瓦用钢量为 69.18t/MW 。建设单位前期初步方案的光伏支架单兆瓦用钢量为 100t/Ω MW，本方案相比前期方案节省用钢量约 30t/ MW，提高了工程经济性，得到了建设单位的认可。

参考文献：

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