張弦梁結(jié)構(gòu)體系在光伏項(xiàng)目中的應(yīng)用分析

劉 丹

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021)

張弦梁是一種穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力自平衡體系，即施加在結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)本體內(nèi)得到平衡，而不會(huì)傳遞到支座或者基礎(chǔ)上。同一般索結(jié)構(gòu)相比，張弦梁結(jié)構(gòu)的剛度要大很多，在不規(guī)則風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性更優(yōu)[1-2]。張弦梁結(jié)構(gòu)體系主要由上弦鋼梁、撐桿、下弦索體等部分組成，通過(guò)張拉下弦索體，使撐桿對(duì)鋼梁產(chǎn)生向上的集中力，這樣，在豎向荷載作用下，鋼梁的受力特征從類似簡(jiǎn)支梁變化為多跨連續(xù)梁(同時(shí)受壓)，截面利用效率更高，經(jīng)濟(jì)性更好。但是對(duì)于輕型屋面結(jié)構(gòu)，如果風(fēng)吸力大于屋面自重，風(fēng)吸力工況作用下，鋼梁向上彎曲，這時(shí)撐桿對(duì)鋼梁產(chǎn)生的向上集中力反而成為了不利荷載，故張弦梁結(jié)構(gòu)一般適用于重型屋面結(jié)構(gòu)[3]。光伏組件、支架等組成的光伏系統(tǒng)自重較小(一般小于0.15 kN/m2)，屬于輕型屋面，將張弦梁結(jié)構(gòu)體系運(yùn)用到光伏支架中，需要布置攬風(fēng)索，減小風(fēng)吸力作用下鋼梁向上彎曲，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求。本文介紹了一種帶攬風(fēng)索的張弦梁光伏支架體系，并建立了三維計(jì)算模型，分析了主索施加不同張拉力時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振特性，鋼梁、攬風(fēng)索以及柱腳處的內(nèi)力變化規(guī)律，鋼梁的變形規(guī)律。

1 張弦梁光伏支架方案概述

本文提出的張弦梁光伏支架體系采用較大跨度的結(jié)構(gòu)布置方案，可利用平整性較差的光伏場(chǎng)地，可跨越較大溝壑、河道，可用于復(fù)合型(農(nóng)光互補(bǔ)、林光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等)光伏電站。結(jié)構(gòu)體系主要由鋼梁、立柱、撐桿、主索、攬風(fēng)索、光伏組件、檁條、水平支撐、系桿、水平滑動(dòng)支座、鉸接支座等組成，張弦梁跨度為20.4 m，跨中3等分點(diǎn)處設(shè)置2道撐桿，撐桿高度均為2 m，鋼梁兩端支撐在立柱上，一端設(shè)置水平滑動(dòng)支座，一端設(shè)置鉸接支座，撐桿與鋼梁連接點(diǎn)處，設(shè)置攬風(fēng)索，攬風(fēng)索向2側(cè)斜拉，固定于立柱上。張弦梁縱向間距為6 m，2榀張弦梁之間布置檁條，檁條上鋪設(shè)光伏組件，光伏組件起坡至10°。張弦梁對(duì)應(yīng)支座和撐桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置通長(zhǎng)系桿，結(jié)構(gòu)四周縱、橫向設(shè)置水平支撐。每2榀張弦梁之間共鋪設(shè)6排(每排5塊)光伏組件，結(jié)構(gòu)方案如圖1，圖2所示。實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)縱向跨數(shù)根據(jù)場(chǎng)地情況調(diào)整。本文建立了張弦梁光伏支架體系的三維分析模型，研究模型中，各類荷載以線荷載形式作用于檁條。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算模型

2.1 構(gòu)件信息

本文張弦梁結(jié)構(gòu)方案中，柔性構(gòu)件(主索、攬風(fēng)索等)采用Φ15 mm鋼絞線，鋼梁采用Q355方鋼管，撐桿采用Q355圓鋼管。

2.2 荷載取值

分析模型恒荷載按0.15 kN/m2考慮，雪荷載、風(fēng)荷載按25 a重現(xiàn)期取值[4]，雪荷載按0.25 kN/m2考慮，風(fēng)荷載按0.45 kN/m2考慮，考慮風(fēng)振系數(shù)。主索張拉荷載作為變量輸入計(jì)算模型。

2.3 計(jì)算軟件

本文采用SAP2000進(jìn)行分析計(jì)算。SAP2000是國(guó)際上通用的一款計(jì)算、分析軟件，它幾乎囊括了所有結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)分析功能，多年的發(fā)展，SAP2000積累了豐富的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析經(jīng)驗(yàn)，從靜力動(dòng)力計(jì)算，到非線性分析，其均能得到可靠的分析結(jié)果[5]。

2.4 模型信息

根據(jù)主索張拉荷載的不同，本文建立了7個(gè)三維對(duì)比分析模型：M1-5，M1-10，M1-15，M1-20，M1-25，M1-30，M1-35，各模型主索預(yù)拉力分別為5 kN,10 kN,15 kN,20 kN,25 kN,30 kN,35 kN。

各計(jì)算模型考慮了施工階段影響，在張弦梁主索張拉完成之后布置屋面恒荷載，然后再布置攬風(fēng)索(即攬風(fēng)索在主索預(yù)拉力荷載、恒荷載施加完成之后的結(jié)構(gòu)形態(tài)上施加)，之后施加雪荷載、風(fēng)荷載；同時(shí)，采用靜力非線性方法計(jì)算分析，考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性影響[6]。

3 主索張拉力對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響

3.1 結(jié)構(gòu)自振周期

三維分析模型的前3階自振周期見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

由表1可知，主索施加不同的預(yù)拉力，結(jié)構(gòu)的前3階自振周期無(wú)顯著變化，這也說(shuō)明，張弦梁結(jié)構(gòu)主索施加不同的預(yù)拉力對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度無(wú)顯著影響。

3.2 結(jié)構(gòu)振型狀態(tài)

三維分析模型M1-15的前3階振型特征見(jiàn)圖3。

由圖3可知，結(jié)構(gòu)第1階振型以X向(縱向)平動(dòng)為主，張弦梁跨中振幅較大，支座處振幅較??；結(jié)構(gòu)第2階振型以Y向(橫向)平動(dòng)為主，張弦梁在平面內(nèi)呈波浪形振動(dòng)；結(jié)構(gòu)第3階振型為扭轉(zhuǎn)振型。以上振型狀態(tài)說(shuō)明：張弦梁結(jié)構(gòu)平面外剛度較弱，上弦鋼梁和下弦主索均需要設(shè)置可靠的平面外支撐體系，避免結(jié)構(gòu)在平面外失穩(wěn)。

4 主索張拉力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響

主索施加不同的預(yù)拉力時(shí)，在風(fēng)壓力和風(fēng)吸力控制工況下，鋼梁(中間榀，下同)的最大變形量如表2,圖4所示。

表2 結(jié)構(gòu)最大變形量

由表2，圖4可知，在風(fēng)壓力控制工況下，主索施加不同的張拉力，結(jié)構(gòu)向下位移量并沒(méi)有顯著變化；在風(fēng)吸力控制工況下，隨著主索施加的張拉力增大，結(jié)構(gòu)位移由向下逐漸變?yōu)橄蛏?，?shù)值逐漸增大。以上結(jié)構(gòu)位移變化特征說(shuō)明：改變主索張拉力，張弦梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度沒(méi)有顯著變化；由于攬風(fēng)索的作用，風(fēng)吸力工況下，增加主索張拉力，鋼梁跨中變形發(fā)生變化。

5 主索張拉力對(duì)主要構(gòu)件內(nèi)力的影響

5.1 主索張拉力對(duì)鋼梁、攬風(fēng)索內(nèi)力的影響

表3及圖5～圖7反映了風(fēng)荷載控制工況下，主索施加不同的預(yù)拉力，結(jié)構(gòu)鋼梁和攬風(fēng)索的內(nèi)力及其變化規(guī)律。

表3 鋼梁與攬風(fēng)索內(nèi)力

由表3及圖5，圖6可知：風(fēng)壓力工況下，隨著主索張拉力變大，鋼梁正彎矩(使鋼梁下翼緣受拉的彎矩為正)在逐漸減小；風(fēng)吸力工況下，隨著主索張拉力變大，鋼梁負(fù)彎矩(使鋼梁上翼緣受拉的彎矩為負(fù))在逐漸增大。這是因?yàn)橹魉鲝埨υ黾?，撐桿對(duì)鋼梁施加的向上反力增加，使鋼梁負(fù)彎矩增加，這對(duì)風(fēng)壓力工況有利，對(duì)風(fēng)吸力工況不利。

隨著主索張拉力變大，風(fēng)吸力工況下，攬風(fēng)索最大拉力在逐漸減小，這說(shuō)明主索張拉力增大，不改變攬風(fēng)索張拉力的情況下，攬風(fēng)索的攬風(fēng)作用在逐漸減弱。

圖7反映了主索張拉力變化時(shí)，鋼梁彎矩的變化趨勢(shì)。

風(fēng)壓力控制工況下，當(dāng)主索張拉力較小時(shí)，鋼梁為全段正彎矩，隨著主索張拉力增加，鋼梁跨中彎矩逐漸減小，最后跨中彎矩變?yōu)樨?fù)彎矩；風(fēng)吸力控制工況下，當(dāng)主索張拉力較小時(shí)，鋼梁彎矩分為三段，撐桿處為正彎矩，其余位置為負(fù)彎矩，隨著主索張拉力增加，跨中負(fù)彎矩逐漸增加，最后鋼梁全段為負(fù)彎矩；通過(guò)彎矩圖變化趨勢(shì)可以看出，隨著主索張拉力增加，攬風(fēng)索起到的作用逐漸變小。

鋼梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮風(fēng)壓力、風(fēng)吸力工況下的內(nèi)力，當(dāng)風(fēng)壓力工況下梁的正負(fù)彎矩和風(fēng)吸力工況下梁的正負(fù)彎矩相等時(shí)，鋼梁的抗彎承載能力利用最充分，由圖5可知，本文所述張弦梁光伏支架，當(dāng)主索張拉力控制在18 kN左右時(shí)，風(fēng)荷載作用下，梁的正負(fù)彎矩相近。

5.2 主索張拉力對(duì)立柱柱底反力的影響

表4，表5及圖8～圖11反映了風(fēng)吸力控制工況下，主索施加不同預(yù)拉力時(shí)，右柱和左柱的柱底反力及其變化規(guī)律。

表4 右柱柱底反力

表5 左柱柱底反力

由表4及圖9～圖11可知：風(fēng)壓力工況下，左柱和右柱的柱底反力與主索張拉力大小無(wú)關(guān)，這是因?yàn)閺埾伊菏穷A(yù)應(yīng)力自平衡體系，所施加的預(yù)應(yīng)力在體系內(nèi)部平衡，并不傳遞到支座，并且在風(fēng)壓力工況下，攬風(fēng)索基本處于松弛狀態(tài)，不發(fā)揮作用，也不會(huì)傳遞內(nèi)力到立柱，故風(fēng)壓力工況下，左柱和右柱的柱底反力固定不變。風(fēng)吸力工況下，左柱和右柱的柱底軸力與主索張拉力大小無(wú)關(guān)；左柱和右柱的柱底剪力、彎矩隨著主索張拉力的增大而減小。這是因?yàn)?，攬風(fēng)索隨著主索張拉力變大，其發(fā)揮的攬風(fēng)作用在減小，其傳遞至立柱的反力也在減小。因此，在主索張拉力較大時(shí)，為了保證攬風(fēng)索起到足夠的作用，需要對(duì)攬風(fēng)索施加一定的預(yù)拉力。

6 結(jié)論

張弦梁結(jié)構(gòu)一般適用于重型屋面，光伏系統(tǒng)自重較小，屬于輕型屋面，將張弦梁結(jié)構(gòu)體系運(yùn)用到光伏支架中，需要布置攬風(fēng)索，減小風(fēng)吸力作用下鋼梁向上彎曲變形，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求。本文介紹了一種帶攬風(fēng)索的張弦梁光伏支架體系，通過(guò)對(duì)主索施加不同的張拉力，建立對(duì)比分析模型，分析了結(jié)構(gòu)自振特性與主索張拉力的關(guān)系，以及風(fēng)壓力和風(fēng)吸力工況下，結(jié)構(gòu)變形與主索張拉力的關(guān)系，鋼梁、攬風(fēng)索內(nèi)力和柱腳反力與主索張拉力的關(guān)系。結(jié)論如下：

1)主索施加不同的預(yù)拉力，對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度無(wú)顯著影響，結(jié)構(gòu)的振型特征無(wú)明顯變化；張弦梁結(jié)構(gòu)平面外剛度較弱，上弦鋼梁和下弦主索均需要設(shè)置可靠的平面外支撐體系，避免結(jié)構(gòu)在平面外失穩(wěn)。2)改變主索張拉力，張弦梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度沒(méi)有顯著變化，風(fēng)壓力控制工況下結(jié)構(gòu)豎向位移基本沒(méi)有變化；風(fēng)吸力控制工況下，由于攬風(fēng)索的作用，增加主索張拉力，鋼梁豎向變形發(fā)生變化。3)風(fēng)壓力工況下，隨著主索張拉力增大，鋼梁正彎矩在逐漸減小；風(fēng)吸力工況下，隨著主索張拉力增大，鋼梁負(fù)彎矩在逐漸增大，因此，鋼梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮風(fēng)壓力、風(fēng)吸力工況下的內(nèi)力，當(dāng)風(fēng)壓力工況下梁的正負(fù)彎矩和風(fēng)吸力工況下梁的正負(fù)彎矩相等時(shí)，鋼梁的抗彎承載能力利用最充分，本文所述張弦梁光伏支架，當(dāng)主索張拉力控制在18 kN左右時(shí)，風(fēng)荷載作用下梁的正負(fù)彎矩相近。4)風(fēng)吸力工況下，隨著主索張拉力增大，攬風(fēng)索最大拉力在逐漸減小，這說(shuō)明主索張拉力增大，不改變攬風(fēng)索張拉力的情況下，攬風(fēng)索的攬風(fēng)作用在逐漸減弱，因此，在主索張拉力較大時(shí)，為了保證攬風(fēng)索起到足夠的作用，需要對(duì)攬風(fēng)索施加一定的預(yù)拉力。5)風(fēng)壓力工況下，柱底反力與主索張拉力大小無(wú)關(guān)；風(fēng)吸力工況下，柱底軸力與主索張拉力大小無(wú)關(guān)；柱底剪力、彎矩隨著主索張拉力的增大而減小。