1 引言
随着光伏项目的多年建设，平原地带可供开发的土地越来越少，山地丘陵农光互补光伏发展形势迅猛，农光互补山地光伏支架基本要求是光伏组件最底边缘距地面距离不小于2.5米，支架结构重心偏高，抗风压能力较弱，而目前的农光互补山地光伏项目光伏支架形式多为混凝土预制管桩支架形式。
设计单位选用支架结构形式时，均会根据项目所在地近历年最大平均风速、风压、雨、雪荷载等资料对光伏支架结构进行设计和验算，以确保光伏支架的强度和稳定性满足要求。
但由于项目所在地的环境、地形等原因，在极端大风天气发生时，局部风力等级超过设计考虑值，在风力的影响下支架会产生强烈的共振，导致部分已安装的光伏组件及支架倾覆，损坏光伏组件，增加施工成本。
本文以混凝土预制管桩光伏支架为列，了解光伏支架的风载荷计算方法，提出科学合理性建议，以提高光伏支架抗风载能力。
2 光伏支架载荷分析
2.1 计算简介
该150MW农光互补光伏发电项目光伏支架为整体阵列式结构，光伏支架的安装基础为混凝土预制管桩，光伏支架由前支撑、后支撑、前立柱、后立柱、斜梁、横梁（檩条）、斜拉钢筋（水平拉杆）等快速组装而成。取一个阵列的光伏支架进行计算，共安装36块光伏组件。
2.2 计算项目
根据GB50797-2012《光伏发电站设计规范》 ，光伏支架应结合工程实际选用材料、设计结构方案和构造措施，保证支架结构在运输、安装和使用过程中满足强度、稳定性和刚度要求，并符合抗震、抗风和防腐等要求。支架应按承载能力极限状态计算结构和构件的强度、稳定性以及连接强度，按正常使用极限状态计算结构和构件的变形。按承载能力极限状 态设计结构构件时，应采用荷载效应的基本组合或偶然组合；按正常使用极限状态设计结构构件时，应采用荷载效应的标准组合。在抗震设防地区，支架应进行抗震验算。无地震作用效应组合和有地震作用效应组合两种情况下的荷载效应组合的设计值及组合系数不同。
光伏发电支架属于风荷载敏感体系，由于光伏发电面板上的荷载较小，杆件截面一般不大，相应的，单元刚度也小，风荷载作用下往往会产生很大的变形，从而对材料的疲劳性能有较高的要求， GB50009-2012《建筑结构荷载规范》指出，对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压的取值应适当提高，并应符合有关结构设计规范的规定。而GB50797-2012《光伏发电站设计规范》并没有此类规定。如何考虑光伏发电支架在风荷载作用下的动力反应，也是我们拟解决的关键问题。
一般情况下，作用在光伏组件上的载荷有光伏组件及支架本身的自重、风载荷和积雪载荷等。与其他载荷相比，积雪载荷可以忽略不计，作用在光伏组件上的风载荷通过电池板连接件传递到光伏支架上，本文主要计算在风载荷和自重载荷的作用下，光伏支架的整体稳定性分析。
3 整体稳定性分析
3.1 抗倾覆稳定性分析
光伏支架主要承受正风、逆风和侧风作用，在逆风作用下，受力情况最为恶劣。当风从光伏组件正面吹来（正风）时，合力的作用方向与底部框架的交点在底部框架范围内，光伏支架不会倾覆。下面分析风从光伏组件背面吹来（逆风）时光伏支架的抗倾覆稳定性。根据《建筑结构荷载规范》，光伏支架风载荷 W 计算如下：
其中， Cw 为风力系数，与支架倾角相关； ρ为空气密度(1.293kg/㎥)，与安装地区海拔高度相关；V 为最大瞬时风速(25.3m/S)；S 为光伏组件面积（单块面积：94.063㎡）；ɑ 为高度补正系数，与支架高度有关系；I 为用途系数，通常的太阳能光伏发电系统 I ＝1 ；J 为环境系数，在没有障碍物的平坦区域 J ＝1.15。
根据初始计算条件，计算得风载荷 W=72226 Ν，光伏支架及电池板自重 G＝17018 Ν，风载荷产生的力矩 MW＝126916.6N·m，自重产生的力矩 MG＝17868.9 N·m，混凝土预制桩产生的力矩 Mg＝128085.19 N·m。则光伏支架的抗倾覆安全系数为（MG＋Mg) / MW＝1.15。
3.2 水平方向稳定性分析
下面分析光伏支架的水平力，逆风时风载荷水平分力为 Wf＝W×sin39°=39025Ν。地面与混凝土预制桩的摩擦系数取为 0.35，光伏支架和混凝土预制桩自重产生水平方向的摩擦力为：Ff＝41160Ν。则光伏支架阵列水平面方向的稳定安全系数为 Ff/Wf＝1.2。
4 结构强度校核
光伏支架的斜梁和横梁为关键结构承重件，主要承受由太阳能电池板传递过来的风载荷，下面以斜梁为例进行弯曲强度校核。根据风载荷计算结果进行载荷等效转换，斜梁计算模型如图 1 示。
斜梁最大弯曲挠度为 3.3mm，位于斜梁左端 1.56m 处，最大弯曲应力为 230MPa，位于斜梁左端 2.0m 处。根据《钢结构设计规范》 A.1.1 第 4 项中规定，支承压型金属板结构允许挠度为 2024/200=10.1mm ，弯曲变形挠度 3.3mm 小于结构允许挠度 10.1mm ，结构是安全的。 斜梁材料为 Q345，材料屈服极限为 345MPa ，弯曲强度安全系数为 3.85。
通过对光伏支架进行风载荷计算分析，得到如下结论：支架整体稳定性分析、结构强度校核表明，支架抗风载能力满足使用要求。由于在极端大风天气发生时，光伏场区中个别组支架结构所处地形、环境等原因影响，承受的局部风力等级超过设计考虑值，容易发生失稳。因此特进行从设计、施工、管理等方面提出相关改进措施。
5 改进措施
5.1 现场与设计相结合，提出合理性建议
通过改善光伏组件与支架的连接方式，以及加强过程控制，提高工艺水平，减小安装精度误差等措施，来提高光伏支架抗风载能力。
1）改善光伏组件与支架的连接方式 目前，国内用于光伏组件与支架的连接方式主要有两种，一是通过螺栓将光伏组件的边框与支架进行连接固定；二是通过压块将光伏组件压在支架上。
a、螺栓连接的方式
光伏组件的安装螺栓所采用的M8平垫偏小，导致光伏组件与檩条的接触面积比较小；在极端天气的影响下，组件安装孔很容易被撕裂。
建议：将组件安装螺栓M8平垫更换为更大型号的平垫，增大组件与檩条的接触面积，以增大受力面，增强抗风能力，减少组件安装孔被撕裂的风险。
b、经市场调研，目前大多数厂家的组件的安装方式选用压块压紧r连接。国内较普遍使用的压块形式有两种，一是U形压块，二是π形压块。
① U型压块：试验室拉拔试验，拉拔至压块脱落，抗拉力承载力极限值为 6.0KN。试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为 1.0KN。
② π型压块：试验室拉拔试验，拉拔至压块脱落，抗拉力承载力极限值为 6.0KN。试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为 1.0KN。
单独采用螺栓连接方式，在极端天气的影响下，很难保证组件安装孔不被撕裂。若单独采用一般型号压块连接方式，超高位置及风力较大的地方与地面风力较小位置混为使用，存在较大的安全隐患，组件很容易整体从压块底部脱出，一旦发生其中一块电池组件脱落，容易发生连锁效应，造成又其他电池组件连续脱落的发生。
通过以上数据对比分析，不建议单独使用螺栓连接方式。若同时采用螺栓和压块两种连接方式连接， 安全可靠且经济实惠。
5.2 调整光伏支架抱箍及抱箍前后立柱间距，使斜梁受力均匀
光伏组件通过檩条布置在支架斜梁之上，支架斜梁、前支撑、后支撑、抱箍、及抱箍的前后立柱，形成光伏组件三角形支撑体系（三角形支撑体系最稳定）。
组件和檩条的自重通过支架斜梁进行分担，斜梁承受组件和檩条的垂直方向的均布荷载，抱箍前后立柱是承受来垂直压应力主要部件，增大抱箍前后立柱间距，可以增强斜梁的抗弯力矩能力，减小斜梁两端出现弹性形变，避免形成“挑扁担”的现象。
支架的前支撑、后支撑同时承受斜梁带来的垂直方向压应力，前后支撑的对斜梁的角度越大，支撑效果越好，调节前后支撑的角度，就需要调整立柱上下抱箍的间距。
因此，设计优化适当调整前后立柱和上下抱箍的间距，使前后立柱和前后斜撑受力均，有利于支架结构的稳定性。
5.3 加强过程控制，提高施工质量
1）提高组件连接螺栓的紧固率
组件撕裂脱落，除了材料因素、天气因素、设计方面外，还可能与施工过程中组件与檩条的连接螺栓紧固程度有直接的关系。连接螺栓的材质为不锈钢，组件边框的材质为铝合金材质，两种材质的抗截切能力不一致。若施工过程中，工人在安装组件连接螺栓时，责任心不强，导致螺栓紧固不到位，一旦出现大风天气，光伏组件在风力的作用下产生明显的晃动，连接螺栓对组件边框产生剪切应力，原本铝合金边框材质的抗剪能力不如不锈钢连接螺栓，组件边框易撕裂造成脱落。
2）及时安装支架防滑横担，防止抱箍下滑
出现大风天气时，支架结构体系不仅承受风荷载带来的水平应力还有垂直应力，前、后支撑和立柱都与立柱抱箍相连接，抱箍与立柱之间的摩檫力，是抵抗风压垂直应力的关键，因此提高立柱上、下抱箍的紧固程度，防止抱箍下滑尤为重要。防止抱箍下滑的措施有两种：
第一种措施：让支架上、下抱箍紧贴预制管桩立柱，紧固好抱箍前后螺栓，不可出现“前宽后窄”或“前窄后宽”的现象，使抱箍受力均匀。一旦风压垂直应力过大，未紧固的一端抱箍发生翘曲现象，导致抱箍滑落，使得立柱和支撑失效，全部荷载加载到斜梁和檩条上，造成支架上部结构变形易垮塌。
第二种措施：设置在支架结构中的前、后立柱之间的连接横担，在组件安装前应及时安装完毕，确保横担紧贴安装牢固，紧贴预制管桩桩头。
5.4 严格按照图纸及作业指导的要求施工，确保支架安装正确
在支架施工前，应认真审查图纸，严格按照图纸及施工方案的要求，进行施工，做好技术交底工作，支架安装作业时，确保支撑、抱箍、斜梁的安装方向的正确性，不可任意调正各部件的安装方向、位置，必须使得立柱、支撑、斜梁在同一的几何面上，形成一个稳定的三角形支撑体系。
5.5 提高工艺水平，减小安装精度误差
提高预制管桩光伏支架抗风能力与支架的施工工艺水平有密切的关系，安装精度误差越小，支架的抗风能力越强。
光伏支架安装精度与施工工艺水平有关，需要在施工过程中对每道作业工序进行严格控制，若桩基成孔和压桩工序工艺水平控制不当，容易出现管桩出现垂直度偏差大，管桩错位等质量缺陷，安装精度误差随之工序累计而叠加，而光伏支架结构本身的误差调节裕量偏小 ，导致支架无法安装或支架带应力强行安装，影响支架的稳定性和安全性。提高施工工艺水的措施：
1）选用有相关施工经验的作业人员进行施工，并对相关作业人员开展各工序的技术培训工作，做好技术交底工作，告知各工序作业技术和质量控制要点。
2）加强现场监督工作，严格按照施工方案或作业指导数的要求进行实施，每道工序完成后进行复查，发现不合格的工序，及时进行返修处理。
3）安排专人驻厂监造，确保支架的制造精度复核设计与规范要求。
4）对各工序所用的测量仪表、施工机具进行进场验收和校验。
6 运维管理
精心组织，成立一支运维管理团队，在施工过程中提前介入，定期对已完成的光伏阵区进行巡检，重点检查光伏支架檩条连接部位、组件安装位置、支撑连接位置等关键部位的连接螺栓的紧固进行检查，组件、支架可每天巡视一定的范围，但应保证一个班次对所有组件和支架巡视一遍。
每天按时收听和记录当地天气预报，作好光伏电站安全运行的事故预想和对策。若遇大风等恶劣天气必须增加组件和支架的巡视频率，运维管理团队及时加强对现场的巡检，尤其是地形比较特殊的地方，并加设防护措施。
运维管理实时风险监测：
1）定期组织极端天气带来的各种极端隐患排查分析。
2）及时掌握气象局发出的气象极端预警警报和极端天气预报。
3） 加强雨季“三防（防雷电、防洪涝、防排水不畅）”工作的检查。
4）风险监测部门或人员发现风险超出可控范围应及时向运维管理应办公室报告，运维管理应急办公室上报运维管理应急领导小组。
运维应急领导小组启动极端天气专项应急预案，成立极端天气现场应急指挥部，按照各应急巡检组职责分配任务，调配资源开展巡检工作。
5 结语
1）通过对某型光伏支架进行风载荷计算分析，得到如下结论：
支架整体稳定性分析、结构强度校核表明，支架抗风载能力满足使用要求。由模态分析结果可知，支架阵列横向刚度偏低，因此在支架阵列两端增加 2 组对称斜拉钢筋结构，以增加光伏阵列的整体刚度。计算分析结果表明，可通过调整水泥支墩布置、型材跨度、型材规格等设计参数，优化设计方案，提高支架的抗风载能力。
2）施工是开发项目形成实体的过程，也是决定最终产品质量的关键阶段。要提高开发项目的工程质量，就必须狠抓施工阶段的质量控制。工程项目施工涉及面广，是一个极其复杂的过程，影响质量的因素很多，使用材料的微小差异、操作的微小变化、环境的微小波动，机械设备的正常磨损，都会产生质量变化造成质量事故。工程项目建成后，如发现质量问题又不可能像一些工业产品那样拆卸、解体、更换配件，更不能实行“包换”或“退款”。应从以下几方面把控：一是设计方面，进行严格的图纸会审，及时与设计交流沟通；根据现场施工情况，给设计方提供合理性建议等。二是材料方面，在材料进场时严格把控材料质量，且该材料厂家和材料检测机构的资质，以及相关材料检测资料是否合格等。二是管理方面，加强现场监督管理力度，严格把控施工过程中安全质量等。四是施工方面，严格按图施工，施工人员应服从现场管理人员管理，不可“阳奉阴违”，保证施工质量等。
总之，在工程项目施工过程中，现场管理人员做好质量控制，多到现场巡视，及时发现问题，及时解决。工程项目施工过程中的质量控制，就显得极其重要。
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