山区多跨柔性光伏支架的结构对比与等效设计方法

《Buildings》：Structural Comparison and Equivalent Design Method for Multi-Span Flexible Photovoltaic Supports in Mountainous Areas

　　

为解决山地光伏项目中地形变化大、基础施工受限以及常规支架适应性差的问题，研究人员建立了四种柔性光伏支撑系统的有限元模型（FEM），包括一种单层索系统和三种双层索系统。在相同跨度、组件布局和加载条件下，研究人员对比了对称与非对称加载下不同系统的挠度、索力、支座反力、等效钢材用量和扭转性能。结果表明，单层索系统材料用量最低且在山地地形中施工性更好，但其扭转刚度相对较弱。双层索系统提供了更好的整体刚度和抗扭性能，但需要更多钢材并产生更大的基础反力。随后选择单层索系统进行进一步分析。为确保几何非线性收敛，结构分析依赖于增量荷载下已建立的悬链线索单元和梁单元公式。基于参数分析，推荐底部地面索角度为40°、顶部地面索角度为50°，以减少结构反力矩。最后，为避免详尽的全局建模，提出了一种简化的结构分析方法：中间柱的双跨等效模型、边柱的单跨等效模型以及基于表格的选择流程，为山地多跨柔性光伏支架的快速设计提供参考。

### 论文解读：山区多跨柔性光伏支架的结构对比与等效设计方法

#### 研究背景与问题

随着光伏发电规模化发展，平坦土地资源日益稀缺，复杂山地、丘陵及荒坡逐渐成为光伏项目的重要选址场景。传统刚性支架在地形起伏大、基础施工受限及适应性差等问题上表现突出，而采用预应力索或索-杆体系的柔性光伏支架（Flexible Photovoltaic Support，简称FPVS）凭借地形适应性强、跨度大、自重轻及基础需求低等优势，更适合不规则山地地形。然而，已有研究多聚焦于风荷载特性、振动机制和失稳判据，尚缺乏针对山地多跨连续柔性支架的结构选型与快速简化设计的标准化计算框架。为此，研究人员在《Buildings》期刊发表论文，聚焦结构对比与等效简化设计，旨在解决山地多跨柔性光伏支架的宏观选型及高效设计难题。

#### 研究内容与结论

研究人员开展了三项核心工作：首先，建立四种柔性支撑系统（单层索系统及三种双层索系统）的有限元模型（FEM），在相同跨度、组件布局和加载条件下对比力学性能；其次，基于结构对比结果，选择单层索系统进行地面索角度参数优化；最后，提出中间柱双跨等效模型与边柱单跨等效模型，并开发表格化快速设计流程。研究结论表明：单层索系统材料消耗最低且施工简便，但扭转刚度较弱；双层索系统整体刚度及抗扭性能更优，却增加钢材用量和基础反力；推荐底部地面索角40°与顶部地面索角50°的组合以平衡力学性能与施工可行性；等效模型可将复杂多跨系统简化为局部子模型，结构响应偏差控制在12%以内，适用于标准单跨15–40 m、坡度≤35°、相邻跨角度差≤15°的工程条件。

#### 主要技术方法

研究人员采用商业有限元软件ANSYS 2022R1进行几何非线性静力分析。索单元使用仅受拉的LINK180桁架单元，梁柱使用BEAM188梁单元模拟压弯行为。预应力通过温度场施加，非线性求解采用牛顿-拉弗森迭代法（Newton-Raphson Method）结合弧长法（Arc-Length Method），设定位移与荷载双收敛准则。荷载工况分为对称加载（评价整体刚度、索力及材料消耗）与不对称加载（评价扭转性能），风荷载与雪荷载依据《光伏支架结构设计规范》（NB/T 10115—2018）和《柔性光伏支架结构设计规范》（T/CSEE 0394—2023）计算。所有模型统一跨度16 m、索径15.2 mm、光伏组件间距0.0977 m。未涉及样本队列。

#### 研究结果

**3.1 对称加载下的对比**
通过设置相同跨中挠度（L/50）作为控制指标，比较四种结构在对称荷载下的响应。结果表明：单层索系统（结构1）等效钢材用量最低，但所需预应力最高；双层索系统中的鱼腹式结构（结构2）预应力水平最低且支座反力较小，但钢材用量最大；桁架式结构（结构3）各指标居中；三承重索结构（结构4）刚度最优但基础需求高。该对比揭示刚度与经济性之间的权衡。

**3.2 不对称加载下的对比**
在全结构预应力统一设为50 kN条件下，比较跨中相对扭转角、挠度、最大索力和支座反力。单层索系统（结构1）的跨中相对扭转角和挠度最大，抗扭性能弱；结构2和结构4有效抑制偏载引起的扭曲变形，其中结构4扭转刚度最佳，但支座反力显著增大。表明双层索系统通过空间协同行为提升稳定性。

**3.3 综合评估与结构选型**
综合考虑刚度、抗扭性、经济性及山地适应能力，结构4力学性能最优，但考虑到山地施工空间受限与施工简化，单层索系统（结构1）更适合工程应用。因此选定单层索系统进行后续参数优化。

**4.1 参数选择与评价指标**
以单层索系统为基准，选取底部地面索角和顶部地面索角作为关键参数，评价指标包括承重索应力、底部地面索应力、顶部地面索应力以及底部和顶部柱反力矩。

**4.2 地面索角对索系内力的影响**
计算显示：承重索应力随底部地面索角增大而降低，且该趋势受山体坡度影响较小；顶部地面索角对承重索影响较弱；底部地面索角主要控制底部地面索应力，顶部地面索角主要控制顶部地面索应力。上下锚固索之间存在交互作用。

**4.3 地面索角对支撑体系内力的影响**
底部柱反力矩主要受底部地面索角控制，顶柱反力矩受顶部地面索角控制。增大地面索角可使锚固索力方向更接近合理传力路径，从而降低柱端附加弯矩。

**4.4 参数优化与设计建议**
综合考虑力学性能、施工可行性与经济性，推荐底部地面索角40°、顶部地面索角50°的组合，作为典型山地条件下单层柔性光伏支架的设计选项。

**5.1 多跨结构问题与等效模型**
为解决多跨系统受地形影响导致的参数组合繁多问题，提出中间柱双跨局部等效模型与边柱单跨局部等效模型，将全局空间问题转化为标准化局部构型。

**5.2 精度验证与适用性分析**
随机角度组合生成四跨精细模型，对比等效模型与精细模型的柱脚反力及应力比。中间柱结果集中在±5%误差内，边柱响应偏差在±12%以内。方法在风吸力下仍保持可接受精度。

**5.3 等效方法应用边界**
方法适用于标准单跨15–40 m、坡度≤35°、相邻跨角度差|Δθ|≤15°、基本风压≤0.9 kN/m²、雪荷载≤0.6 kN/m²的条件。禁止在局部坡度差>20°或基本风压>1.0 kN/m²的地形中使用。

**5.4 工程应用**
将快速选型组织为“荷载分区-柱体选择-索系选择”工作流。通过表格（如补充材料SA–SR）根据荷载水平、柱高、单跨角度及相邻跨角度差直接查取截面型号与预应力、索径。该流程显著提升了初步设计效率。

#### 总结与结论翻译

本研究对山区多跨柔性光伏支架进行了结构体系对比、关键参数优化及等效简化设计方法探索，主要结论如下：（1）对称加载下，不同柔性支撑系统在刚度与经济性间呈现明确权衡。单层索系统结构简单、等效钢材用量最低，经济性与施工性好，但刚度控制更依赖较高初始预应力；双层索系统通过索-杆交互提升整体竖向刚度，但通常伴随更高材料消耗和结构复杂度。（2）不对称加载下，结构差异主要体现在扭转刚度与整体稳定性。单层索系统在部分加载下跨中相对扭转角和挠度较大，抗扭性能较弱；双层索系统可有效限制两承重索间相对变形，其中结构4扭转性能最佳，但支座反力和结构成本更高。（3）地面索角是影响单层柔性索支撑力学性能的关键参数。底部地面索角主要控制承重索应力、底部地面索应力和底柱反力矩；顶部地面索角主要影响顶部地面索应力和顶柱反力矩。合理范围内增大地面索角可减小索应力和柱反力矩，但过大角度增加索长和施工难度。兼顾力学性能与施工可行性，推荐典型山地条件下底部地面索角40°、顶部地面索角50°。（4）为提高山地多跨柔性光伏支架精细建模效率，提出中间柱双跨等效模型和边柱单跨等效模型。该结构模拟框架采用理论建立的几何非线性公式和标准收敛准则确保数值稳定性。与全精细全局模型对比校准确认，结构柱响应偏差在12%以内。该表格化设计流程安全适用于标准单跨15–40 m、坡度≤35°、相邻跨角度差≤15°的多跨结构，成功将复杂空间多跨计算转化为标准化分析流程用于初步布局评估。（5）尽管单层索系统经济性优越，但其弱扭转刚度在强风吸力下增加了风致颤振和静气弹失稳风险。为缓解这些动力风险，必须通过优化初始索预应力并利用局部气动配重来控制结构安全。工程设计需密切关注风致共振响应，强烈建议在复杂山地地形中采用辅助稳定索或刚性交叉撑作为主要控制措施。