分布式光伏支架的结构型式简析

分布式光伏支架的结构型式简析

练国荣

一、常见的分布式光伏类型

分布式光伏是指小型的光伏发电站，主要基于建筑表面或建筑附近的小型空地进行光伏结构的建设，由于其投资成本小、建设快、因地制宜、就近利用等优点，正逐步成为光伏发电的主要型式。出于建设周期、造价、自重等技术与政策方面原因，基本都是采用钢结构作为支架。本文将对分布式光伏支架常用的几种钢结构型式进行简单比较分析，为类似项目的设计提供参考。

1）混凝土结构屋面光伏支架安装于混凝土结构建筑的屋面，主要通过在混凝土支墩上修建小型钢结构支架作为光伏板的安装支架，目前技术已较为成熟，结构型式比较简单，而且有标准设计图集，本文不对这种类型进行详述。

2）既有钢结构顶部光伏支架

安装于单层钢结构厂房、大型养殖场（通常为简易钢棚建筑）的屋面，主要有两种修建型式。对于结构状况较好的厂房，可对原结构进行适当的加固后，直接在屋面进行光伏板的安装；对于状况较差的厂房以及简易钢棚养殖场，若直接在原钢结构屋面安装光伏板，对原结构的加固代价较高，可通过跨越原结构新建钢结构支架，在新建的钢结构屋面进行光伏板的安装。

 

    3）空地新建光伏支架

安装于建筑周边的小型空地或厂（场）区空地，通常业主对于安装光伏板的空地都会有一定的使用功能要求，除了顶部发电外下部可利用来用于仓储、养殖等，因此一般通过新建一定跨度及净高的钢结构支架来进行光伏板的安装。

二、新建钢结构支架的结构型式

如前文所述，新建钢结构支架或是需要跨越原有建筑，或是需要满足一定使用功能需求，因此往往需要满足一定的跨度要求，如何在满足跨度要求的同时尽量控制钢结构的建设成本及施工周期，是一个较为重要的问题。

（1）上部结构型式

常用的支架结构型式有平面桁架和门式钢架两种，主要特点如下：

1）平面桁架：用钢量小，但焊接节点较多，现场施工繁琐，不利于缩减工期，通常在较大跨度的情况下才能体现其优势。跨度较大时可桁架靠近支座部位钢柱增设斜支撑。

2）门式钢架：用钢量较平面桁架大，但节点少，安装更便捷，工期短，跨度不超过15米时采用门式钢架更优。经过部分项目的计算分析，在钢柱顶部设置斜支撑杆，可以有效减小钢梁和钢柱的应力比，从而较少钢架的用钢量。

 

3）两种型式的适用范围

结构型式		适用跨度（m）	常用檩条
纵向柱距（4.5m）	平面桁架	≥15	矩管100×50×2.0 C型钢160×60×20×2.0
	门式钢架	≤18
纵向柱距（6.0m）	平面桁架	≥12	矩管120×60×2.0 C型钢180×70×20×2.0
	门式钢架	≤15

（2）基础型式

由于光伏支架大多没有围护结构，属于敞开式结构，受风吸力影响，支架基础不仅需要具有足够的抗压承载力，还需要有一定的抗拉拔承载力，桩基础可满足这一需求。当现场地质成桩有难度时，为降低基础施工成本，也可采用独立基础，利用基础的自重来抵抗风吸力。

三、原有钢结构的加固

由于安装光伏板后屋面荷载增大，通常会导致钢梁或钢柱应力比超限，需要对其进行加固。

（1）钢梁加固方式

1）通过柱顶增加斜支撑来减小梁跨度，是代价较小的加固方式，但边柱处单侧增加斜支撑会导致钢柱应力比增大。

2）通过粘贴钢板或增大截面直接对钢梁进行加固，但该方法加固程度有限，钢梁应力比超限过多是不适用。

 

4）当钢梁应力比超限较多时，可将钢梁作为上弦杆，把钢梁加固为桁架，该方法能同时降低钢梁和钢柱的应力比，加固效果较好，但加固费用较高，当不得不采用该方法进行加固时，更建议放弃对原有结构进行加固，通过新建钢结构跨越原结构。

（2）钢柱加固

当需要对钢柱进行加固时，也可以类似钢梁加固那样采用粘贴钢板或增大截面法直接对钢柱截面进行加固，或是将铰接柱脚加固为刚接柱脚，但两种加固法可能导致增大截面后基础尺寸不够或基础承载力不足，进而需要对基础进行加固，基础开挖代价较大，因此应尽量避免对钢柱进行加固。

（3）光伏板的安装

对原有钢结构进行加固时，为减小加固量，可将原有彩钢板屋面拆除，直接将光伏板作为屋面板安装于屋面檩条上，光伏板拼缝可采取封胶、加排水槽等防水措施，但防水性能有限，不适用于防水要求较高的建筑。

当原建筑防水要求较高，或是由于其他原因无法对屋面进行拆除时，可根据屋面彩钢板类型采用对应型式的夹具把光伏板夹在屋面彩钢板上，该方法的优点是原屋面板可作为光伏板安装时的作业面，无需另外搭建临时平台，对檐口高度较高的建筑，能有效降低施工措施费。

 

四、结论

      1）由于不同项目场地条件不同，业主需求不同，可灵活采用新建钢结构跨越原结构或对原结构进行加固改造的光伏支架方案与结构型式。

    2）经过数十项工程实践的对比分析，钢结构光伏支架纵向柱距可采用4.5m或6.0m。常规情况下，横向可采用跨度12m、15m或18m的门式刚架，经济指标较好，施工便捷；如果对跨度要求更大或者对用钢量指标要求更高，横向也可采用跨度15m以上的平面桁架。结构进深较大时可设置多跨，两侧可设置1/5跨度的悬臂段。

3）光伏支架宜采用预制管桩、微型桩、螺旋桩等形式减少基础开挖工作量，降低基础成本。但地基条件或施工条件受限时，也可采用传统的独立基础。

4）由于光伏支架较多采用开敞式顶棚，风吸力是必须引起重视的荷载，支架顶部结构及基础均需对风吸力工况进行必要的验算。