1 前 言
近年来，随着能源短缺及环境保护问题日益凸显，清洁能源开发利用得到越来越多的关注。在“双碳”目标提出后，我国新能源的发展达到了前所未有的高度，根据《“十四五”现代能源体系规划》，“十四五”期间预计光伏年均新增装机在70 GW以上，截至2023年6月底，光伏发电累计装机规模约4.7亿千瓦，已超过水电成为我国装机规模第二大电源，光伏发电在能源供应体系中占据越来越重要的地位。
光伏支架是保证光伏电站正常运行的重要支撑体系，光伏支架形式多样，包括固定式支架、固定可调式支架、跟踪支架、柔性支架等，其中固定支架因其结构简单、安全可靠、运维便利应用最为广泛。
前两年光伏组件价格居高不下，光伏项目整体投资较高，回报率较低，以及市场竞争的白热化，作为占项目造价9%左右的光伏支架，常常成为被优化对象。目前国内外研究者针对固定式光伏支架研究主要包括两方面，一是针对支架进行荷载响应分析和结构设计优化，另一方面是从材料的角度探究支架的优化设计。
然而过度优化也带来了一些安全隐患，近两年不断发生光伏电站倒塌事故，造成了巨大的经济损失。本文对光伏支架设计过程中容易出现的质量风险进行了分析，并提出了相应的控制策略。
2 设计过程质量风险分析
2.1 参数选取风险
光伏支架设计最重要的外部环境因素为风荷载及雪荷载。光伏支架设计使用年限为25年，结构安全等级为三级，因此设计时基本风压、基本雪压均采用25年一遇。规范中对于结构重要性系数、风压、雪压的选取均未考虑项目规模的影响，随着大基地项目逐渐增多，若出现超过设计限值的天气，很容易造成光伏电站大面积损毁。
在《光伏支架结构设计规程》（NB/T 10115-2018）实行之前，光伏支架的设计主要参照《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012）及相关建筑规范。对于风荷载体型系数的选取，《光伏发电站设计规范》规定为1.3；而《光伏支架结构设计规程》则参照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012），体型系数根据迎风面倾角计算得到（但是相较于荷载规范进行了折减），例如当光伏阵列倾角为15°时，体型系数为0.8和-0.95，相比《光伏发电站设计规范》，体型系数分别减小了38.5%和26.9%，此外对于内部阵列，体型系数可以进一步折减。
相对于其他结构而言，尽管光伏支架结构安全等级不高，但是不容小觑，由于其体量大，若出现大面积倒塌，会造成巨大的经济损失。
2.2 构件可靠性风险
1）抱箍可靠性风险
对于单立柱形式光伏支架而言，主要支撑体系为桩顶立柱以及前后斜撑，前后斜撑通过抱箍固定于管桩上，由抱箍和管桩之间的摩擦力提供竖向承载力。在设计时，通常简化计算，将该节点默认为铰接节点，而该节点更近似于滑动铰支座。若抱箍不能提供足够的摩擦力，则会出现斜梁变形等问题。摩擦力主要与抱箍和管桩之间的压力有关，施工时需控制紧固螺栓的扭矩。设计时常认为抱箍为习惯做法，容易忽视计算抱箍和管桩之间的摩擦力，也没有严格要求施工时控制紧固螺栓的扭矩。
2）檩条可靠性风险
檩条用钢量占总支架量的50%左右，为节省用钢量，檩条设计为连续檩条，受力最不利点为边跨支座处，而不是跨中。对于常规轻钢结构，若设计成连续檩条，檩条通常采用冷弯薄壁Z型钢，在支座处设置成双檩搭接，这样截面最不利处变成了跨中，跨中檩条主要为上翼缘受压，而上翼缘会连接屋面板，屋面板对阻止檩条侧向失稳是有利的。光伏支架受自身功能限制，檩条截面通常采用冷弯薄壁C型钢，支座处搭接较为困难，因此支座处为单截面受力，截面最不利处仍为支座，支座处檩条下翼缘受压，而光伏支架檩条基本不设置拉条（檩条跨度控制不超过5m），檩条下翼缘没有阻止侧向失稳的构造措施。
2.3 外部因素风险
光伏支架主要为桩柱一体结构，一旦桩基施工出现偏差，容易造成支架安装困难，为保证支架顺利安装，支架厂家会多开螺栓孔，现场实际连接节点与设计有所偏差，同时支架厂家为获取更大的利益，在生产光伏支架时，控制截面尺寸为负偏差。随着光伏项目增多，光伏支架的需求也在不断攀升，但因为光伏支架结构简单，入行门槛低，大量钢结构厂家涌入，导致光伏支架存在粗制烂造的问题。
由于市场竞争日益激烈，支架设计也较为激进，多种不利因素叠加，安全风险大大增加。
3 设计质量控制措施
3.1 灵活选取参数
尽管规范对于结构重要性系数、基本风压、基本雪压的选取并未考虑项目规模的影响，但是随着大容量项目逐渐增多，在设计时应适当考虑参数选取的合理性，例如结构重要性系数取1.05，或者基本风压、基本雪压取50年一遇。近年来，越来越多的事故也给业主敲响了警钟，部分业主已经要求光伏支架按50年一遇基本风压、基本雪压设计。
3.2 加强细节把控
结构设计是保证光伏电站整体稳定和安全的关键，“千里之堤，毁于蚁穴”，光伏支架设计过程中应加强细节把控，例如：计算支座处檩条下翼缘受压稳定、复核抱箍与管桩之间的摩擦力、严格要求施工时控制紧固螺栓的扭矩等，不能因为局部构件的原因，导致整体结构出问题。这其中，尤其是抱箍紧固力的相关计算往往遭到忽视。抱箍的作用原理为通过螺栓的扭转力矩形成紧固力，进而转化成抱箍沿桩身一周产生的法向应力，通过抱箍与桩身的静摩擦力形成支撑力，设计计算时，应通过软件计算出所需支撑力大小，从而反算出扭转力矩，为现场施工提供指导。
3.3 更新设计理念
单立柱支架虽然用钢量少，但是桩顶立柱需要现场焊接，对于“渔光互补”项目而言，水面焊接作业困难，施工误差大，支架调节空间小，适应性差。近年来，双抱箍支架得到越来越多的应用。双抱箍支架虽然用钢量稍大，但是可以避免焊接作业，支架后期拆装方便，支架高度调节空间大，可以很好的适应桩基施工误差，同时可以避免抱箍滑动带来的质量问题。
对于连续檩条的设计，在满足规范要求的前提下，适当增加檩条悬挑长度，这样可以降低边跨跨中和支座处的弯矩，降低用钢量的同时，可以使整体结构受力更加合理。
4 结 论
光伏支架优化创新是新能源土建结构设计的一项重要工作，对降低项目造价、推动光伏发展具有重要的意义，如何把握好优化的度，避免过度优化带来的风险，也是我们需要考虑的问题。本文主要从内部因素和外部因素两方面，对光伏支架设计过程中的质量风险进行了分析，并提出了以下控制措施：
1）灵活选取计算参数，对于规模较大项目，可以适当提高结构重要性系数、基本风压、基本雪压的选取标准；
2）强化设计细节把控，加强对抱箍、檩条等细部构件的计算分析；
3）及时更新设计理念，确保光伏支架整体结构设计的合理性；
4）做到外部影响因素可控，确保施工带来的误差在设计可控范围内。
作者简介 姓名：盛程 性别：男 民族： 汉 出生日期：1991.9 籍贯：高邮，职务/职称：中级工程师 学历：硕士 研究方向：主要从事新能源工程设计研究工作
