宁波博普智能科技有限公司 生产技术副总 杜永宁  

  光伏支架系统的设计主要是对强度，稳定性和变形的验算。很多实际项目中，构件的截面尺寸由面内或面外的稳定应力控制，强度应力比较低，从经济性方面看并非是最优的方案。原因有如下两条：

  1.由于普遍采用的C型卷边型钢是单轴对称的开口截面，在双力矩的影响下，作为支架斜梁时稳定性较差。相比之下，矩形方管型钢作为双轴对称的闭口截面就有明显优势；

  2.以前只有热浸锌工艺可以耐受住长达30多年户外环境，但同时热浸锌工艺特点要求工件必须是开口截面，且厚度不能太薄。现在镀锌铝镁等先进的表面防腐蚀工艺很成熟，工件可以做成闭口方管截面。

  基于以上两点缘故，我司使用方管型材对光伏支架系统进行优化，在满足设计合理的前提下实现经济性最大化。

  PKPM软件是行业内应用最为广泛的结构设计软件，有很方便的截面自定义功能，有专业的光伏支架系统设计验算模块，能很好的满足我们的需求；并且软件界面简洁明快，功能区间划分完全按工作流程推进。下面我们以一个实际的项目案例，展示在pkpm软件里如何使用方管型材进行光伏支架设计，包括参数化建模、录入环境荷载信息、出具计算书的完整过程。

 项目信息介绍如下：

图1 项目信息

以PKPM V1.5.1.1版本为例，设计步骤如下：

1、打开pkpm软件用光伏支架设计模块创建项目文件目录和项目文件名。

图2 光伏支架设计模块入口

2、根据对项目的分析，初步构思支架系统采用单立柱支架结构，纵向柱间距4.3米，檩条采用45*90*1.8方管，斜梁用35*65*1.5方管，斜撑用35*57*1.2方管。

3、打开软件的【参数化创建】快捷按钮，进入参数化建模过程，首先依次进入截面库添加我们需要的几种方管型材。

图3 截面类型选择

图4 自定义截面入口

图5 截面参数定义

4、在参数化建模窗口，构件依次设置为如下图所示的截面尺寸：

图6 参数化建模

图7 面板参数

图8 纵向组装

为了增加光伏支架纵向抗侧移能力，在第一榀和第四榀增加了纵向交叉支撑。支撑按单拉杆设计。

5、进入荷载信息输入界面。风荷载、雪荷载的信息根据项目方提供的数据输入，其它参数及选项一般依据《NBT10115-2018光伏支架结构设计规程》、《GB50009-2012建筑结构荷载规范》和《GB50018-2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范》进行选择。

虽然光伏支架的高度未超过30米，高宽比也未大约1.5，但是一般情况下单立柱的光伏支架的自振周期大约在0.25s以上，因此选择执行《工程结构通用规范》GB55001-2021，风振系数βz取1.2倍。双立柱结构的支架系统不用选择此项。

图9 荷载布置

荷载信息输入完毕后点击确定，PKPM软件会自动绘制光伏支架的3维空间模型。用户可以自由调整视角对模型进行检查，非常直观。

图10 支架三维模型展示

其它验算控制参数设置如下：

图11 设计参数-设计信息

图12 设计参数-地震参数

图13 设计参数-荷载组合

按照《NBT10115-2018光伏支架结构设计规程》，光伏支架的控制载荷为风，荷载组合页面一般要选择风和雪同时组合。由于《GB50068建筑结构可靠性设计统一标准》的适用性并不适合光伏支架，该选项不用选择，所以此处仍然按照《NBT10115-2018光伏支架结构设计规程》和《GB50009-2012建筑结构荷载规范》引用的《GB50153-2008工程结构设计可靠性统一标准》关于组合分项系数。

6、进入结构计算环节。计算按钮如下图所示：

图14 结构计算

计算过后可以查看计算结果，如构件的荷载、内力、位移、应力比等。

7、点击【构件计算书】查看构件的验算结果，包括强度验算、稳定验算、挠度验算等。可以根据验算结果，有针对性地调整支架系统的构件截面，对光伏支架进行优化设计。

通过查看构件计算书，可以看出初次设计的计算结果比较理想，斜梁的强度应力比、稳定性应力比都满足规范要求；

图15 方管斜梁边榀跨中计算结果截图

点击【计算书】可以生成整体计算书，可以查看到模型横向每榀支架上的横梁、立柱、支撑构件以及檩条的强度应力比、稳定性应力比以及和稳定性及刚度有关的长细比都满足规范要求,只有在斜梁的悬挑部位对应的挠度比略超出一点。挠跨比作为次要控制项虽然比值超标,但要根据构件位置进行具体分析。根据计算结果，斜梁端部挠度变形值最大只有3.28mm，超限是计算长度取值偏保守、采用了支撑到梁端的长度才导致的。若程序取立柱到梁端的距离则不会出现此问题，因此挠度结果不会影响支架的使用功能。

图16 整体计算书构件设计结果截图

图17 整体计算书变形结果截图

通过分析对应位置构件的相关挠度变形图和内力分布数据，对立柱位置、斜撑支点位置以及立柱截面尺寸进行多次调整试算后最后确定调整立柱截面尺寸为φ140*3.5（如下图所示），斜梁截面调整为35*67*1.5矩形方钢管，再次验算结果各项指标均合格。

图17 调整后光伏支架参数

8、常规C型钢的截面尺寸由稳定验算控制。取常用截面[70X40X2.5进行试算，同样的荷载情况下，稳定应力比与方管截面的稳定应力比接近，但用钢量比方管截面要大。使用方管斜梁相比C型钢斜梁用钢量可以节省约16.7%。

图18 [70X40X2.5斜梁边榀跨中验算结果

图19 用钢量对比

通过该案例可以看到pkpm软件的光伏支架模块对方管型材支架系统的完美支持，灵活设置自定义型材，便捷的参数化建模手段，对各种规范标准的无缝衔接，细致的内力、位移、构件计算书查看功能，为支架系统的优化设计分析提供了强有力的帮助。

本项目案例的模型文件链接：模型文件