冷明龍冀曾義王保計賀琦

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司)

摘要：發(fā)展海上光伏是突破土地約束、拓展新能源發(fā)展空間的有效途徑。海上光伏支架結(jié)構(gòu)是固定式海上光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)最重要的部分，本文分析對比了鋼混組合桁架結(jié)構(gòu)、大跨空間鋼桁架結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)鋼支架結(jié)構(gòu)四種主要結(jié) 構(gòu)類型，結(jié)果表明空間結(jié)構(gòu)是固定式海上光伏結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流形式，其經(jīng)濟(jì)性、施工可行性、標(biāo)準(zhǔn)化等均較好。對于荷載參數(shù)的取值的標(biāo)準(zhǔn)化，本文對實(shí)施例海上光伏項目進(jìn)行了剛性模型測壓風(fēng)洞試驗，并將試驗結(jié)果值與規(guī)范計算取值進(jìn)行對比分析，為后續(xù)類似項目的荷載參數(shù)取值提供參考。

關(guān)鍵詞：固定式樁基，海上光伏，結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)化，荷載

引言

在“雙碳”目標(biāo)地驅(qū)動下，我國各沿海省份陸續(xù) 出臺了海上光伏發(fā)展支持政策。沿海地區(qū)電力消耗較大，其陸地新能源發(fā)展受限于土地資源約束，而海洋資源豐富，海上光伏和海上風(fēng)電協(xié)同發(fā)展能夠有效優(yōu)化投資成本，另海上光伏還可以與水產(chǎn)養(yǎng)殖

結(jié)合，提高整體投資收益。此外，海上光伏還可與核電溫排區(qū)一同進(jìn)行立體開發(fā)，應(yīng)用場景多樣化 [ 1] 。截至目前，利用近海海域建設(shè)大規(guī)模集中式光伏項目在全國范圍內(nèi)仍無完整可參考案例，尚處探索初期，仍面臨經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全及可靠性等挑戰(zhàn)。較陸上光伏項目比，海上高溫、高濕、高鹽霧，需應(yīng) 對復(fù)雜的海洋環(huán)境如潮汐、波浪、海流、海冰、腐蝕、臺風(fēng)、海床地質(zhì)條件等自然環(huán)境影響。

作為新能源發(fā)展的新藍(lán)海，海上光伏發(fā)展?jié)摿?大、綜合效益高、生態(tài)環(huán)境友好。發(fā)展海上光伏，不僅是突破土地約束、拓展新能源發(fā)展空間的有效途徑，也是經(jīng)略海洋、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的有力抓手。不過，其規(guī)?；l(fā)展仍面臨著技術(shù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐受性等問題需要解決。

目前，針對固定式海上光伏結(jié)構(gòu)形式及荷載參數(shù)取值等標(biāo)準(zhǔn)化的研究仍然較少，本研究對推動海上光伏項目結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)形式

針對固定式樁基海上光伏，其結(jié)構(gòu)類型仍無標(biāo) 準(zhǔn)可參考。目前，主要的結(jié)構(gòu)類型有鋼混組合桁架結(jié)構(gòu)、大跨空間鋼桁架結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng) 鋼支架結(jié)構(gòu)等[ 2] 。 1.1 鋼混組合桁架結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架與輕鋼結(jié)構(gòu)的鋼混組合桁架結(jié)構(gòu)[ 3] ，下部可采用PHC預(yù)制管樁或鋼管樁。采用組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮各自結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)，混凝土結(jié)構(gòu)具有耐久性強(qiáng)、剛度大、造價低等優(yōu)點(diǎn)。但此類組合結(jié)構(gòu)制作組裝效率較低，質(zhì)量難以控制，連接節(jié)點(diǎn)多，且經(jīng)濟(jì)性跨度較小。

上部結(jié)構(gòu)采用單榀桁架結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)可采用PHC預(yù)制管樁或鋼管樁。單榀桁架結(jié)構(gòu)具有大跨度、用鋼量小、設(shè)計制作可標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。但該

類結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小、需要采用焊接連接、防腐難以保證。

上部結(jié)構(gòu)采用空間結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)可采用PHC 預(yù)制管樁或鋼管樁?？臻g結(jié)構(gòu)具有空間剛度大，結(jié) 構(gòu)自重小，抗震性能好、加工安裝快、設(shè)計制作可模塊化等優(yōu)點(diǎn)。但該類結(jié)構(gòu)由于采用螺栓球節(jié)點(diǎn)施工精度要求高、且后期維護(hù)工作量大。

傳統(tǒng)鋼支架結(jié)構(gòu)固定支架主要由主梁、檁條、立柱、斜支撐及連接螺栓、壓塊等部件組成。傳統(tǒng)鋼支架對海上光伏的適用性較差，存在用跨度小、鋼量大、海上施工作業(yè)多、施工質(zhì)量可控性差等缺點(diǎn)。

固定式樁基海上光伏的結(jié)構(gòu)形式需綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性、標(biāo)準(zhǔn)化、防腐耐久性和運(yùn)行維護(hù)等因素。目前，空間結(jié)構(gòu)是固定式樁基海上光伏結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流形式，其經(jīng)濟(jì)性、施工可行性、標(biāo)準(zhǔn)化等均較好，且沒有明顯的缺點(diǎn)。隨著研究的深化及項目實(shí)施經(jīng)驗的積累，空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、吸力筒一體化結(jié)構(gòu)等可能會有實(shí)施應(yīng)用的機(jī)會[ 4] 。

2 荷載參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)化

海上光伏由于處于開敞式海域，風(fēng)荷載較陸地偏大、部分海域甚至遠(yuǎn)超陸地。由于固定式海上光伏結(jié)構(gòu)形式屬于新型結(jié)構(gòu)形式，目前仍未見針對海上光伏結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載相關(guān)計算的研究，結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)的選取暫無可參考的規(guī)范或?qū)嵗?。?面以沿海某海上光伏項目為例進(jìn)行研究。 2.1 風(fēng)荷載體型系數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)化

本海上光伏項目實(shí)例為大跨度固定式樁基光伏項目，建設(shè)地屬于強(qiáng)風(fēng)地區(qū)，結(jié)構(gòu)跨度大，其設(shè)計風(fēng)荷載在中國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009— 2012[ 5] 中未作相關(guān)規(guī)定。

為了進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)計算，本文對海上光伏項目實(shí)例進(jìn)行剛性模型測壓風(fēng)洞試驗。 2.1.1 試驗概況

在風(fēng)洞中模擬大氣邊界層風(fēng)場是建筑模型風(fēng) 洞試驗的重要內(nèi)容。根據(jù)本海上光伏陣列的地形條件及建筑環(huán)境和ESDU地貌分析，本試驗的大氣邊界層流場模擬為《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009— 2012[ 5] 的A類地貌風(fēng)場。以1/150的幾何縮尺比模擬了A類地貌，如下圖5風(fēng)洞中對大氣邊界層的風(fēng)剖面和脈動風(fēng)譜模擬所示。

光伏結(jié)構(gòu)采用玻璃鋼制作，模型均具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在試驗風(fēng)速下不發(fā)生變形，并且不出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象，以保證壓力測量的精度?？?慮到實(shí)際建(構(gòu))筑物的尺寸以及風(fēng)洞截面的實(shí)際情況，選擇模型的幾何縮尺比為1/150。試驗阻塞率控制在5%以內(nèi)。光伏陣列的測點(diǎn)分塊圖如圖6 所示。

按照我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009— 2012)[ 5] ，項目在B類地貌、25年重現(xiàn)期、10米高度處、10分鐘平均的基本風(fēng)壓w0 ,25=1.04 kN/m2，相應(yīng) 的基本風(fēng)速為U101600w0,50=40.79 m/s，;對應(yīng)于50年重現(xiàn)期w0 ,50=1.23 kN/m2，相應(yīng)的B類地貌基本風(fēng)速為44.36 m/s。A類地貌對應(yīng)的梯度風(fēng)高度為ZG=300 m，α=0.12，由此可得梯度風(fēng)風(fēng)速UG=U 10(Z G/10)α和梯度風(fēng)風(fēng)壓PG=ρU2 G/2，結(jié)果列于表1中。

重現(xiàn)期(年)25 50 基本風(fēng)壓(kPa.B類)1.04 1.23 基本風(fēng)速(U)40.79 44.36 風(fēng)剖面指數(shù)0.15 0.15 梯度風(fēng)高度(m)350 350 梯度風(fēng)風(fēng)速(m's)69.53 75.62 梯度風(fēng)風(fēng)壓(1Pa)3.02 3.57 注：規(guī)范中統(tǒng)一取 2.1.4 試驗結(jié)果

通過試驗結(jié)果可知本海上光伏陣列飄帶各分塊部分在各個風(fēng)向角下的分塊體型系數(shù)。同理，根據(jù)試驗結(jié)果的塊體型系數(shù)，該分塊的風(fēng)壓高度變化系數(shù)及建筑所在地的基本風(fēng)壓，可以得到各個風(fēng)向角下的塊平均風(fēng)壓。在進(jìn)行海上光伏陣列的主要受力結(jié)構(gòu)設(shè)計時，常以測點(diǎn)或分塊的平均風(fēng)壓值wmean再考慮動力放大效應(yīng)(我國規(guī)范中定義為風(fēng)振系數(shù)β)，二者相乘作為主要受力結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載。

由概率統(tǒng)計方法得到的光伏陣列各測點(diǎn)的極值風(fēng)壓，25年重現(xiàn)期的最大和最小極值風(fēng)壓見圖 7，50年重現(xiàn)期的最大和最小極值風(fēng)壓見圖8，此極值風(fēng)壓用于光伏陣列圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1.5 試驗結(jié)果

通過對本海上光伏實(shí)施例陣列進(jìn)行剛性模型測壓風(fēng)洞試驗及分析，得到如下結(jié)論和建議[ 6][7] ： 1、對于光伏陣列主要受力結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載：根據(jù)圖7的塊體型系數(shù)可得到光伏陣列各分塊的10 分鐘平均風(fēng)荷載，是光伏陣列主要受力結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)。

2、圖7和圖8分別給出了光伏陣列在0-360°風(fēng) 向范圍內(nèi)的極大和極小分塊體型系數(shù)，可用于主要受力結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3、對于光伏陣列圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載：應(yīng)用概率統(tǒng)計方法得到了光伏陣列各測點(diǎn)的最大和最小極值風(fēng)壓，可用于光伏陣列的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。 2.1.6 規(guī)范計算結(jié)果

根據(jù)《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》NB/T 10115— 2018[ 8] ，傾斜角為15度，計算出外圍方陣結(jié)構(gòu)體型系數(shù)：風(fēng)壓0.8，風(fēng)吸-0.95，內(nèi)部方陣結(jié)構(gòu)體型系數(shù)：風(fēng)壓0.68，風(fēng)吸-0.80(當(dāng)光伏板陣列布置，陣列數(shù) 大于7排時可對兩端第2列、第4行以內(nèi)支架體型系數(shù)進(jìn)行折減，本項目折減系數(shù)取0.85)。 2.2 風(fēng)荷載風(fēng)陣系數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)化

本實(shí)施例項目風(fēng)振系數(shù)取值為1.4，一方面考慮本項目結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較大;另一方面，本項目處于海上高風(fēng)速區(qū)域，需要考慮一定的放大系數(shù)。

根據(jù)《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》NB/T 10115— 2018，對于雙列或單列單坡支架結(jié)構(gòu)體系，可取1.0。

通過對比可發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例項目取值比規(guī)范偏大，準(zhǔn)確的風(fēng)振系數(shù)需要通過氣彈性模型的試驗獲取。

3 標(biāo)準(zhǔn)化建議

對于結(jié)構(gòu)體型系數(shù)，根據(jù)規(guī)范計算出的外圍風(fēng) 壓體型系數(shù)偏小，規(guī)范計算結(jié)果僅為0.8，而試驗結(jié) 果達(dá)到了1.0;風(fēng)吸體型系數(shù)同樣偏小，規(guī)范計算結(jié)

果為-0.95，而試驗結(jié)果則達(dá)到了-1.22。對于內(nèi)部方陣風(fēng)壓體型系數(shù)，規(guī)范計算結(jié)果僅為0.68，而試驗結(jié)果僅為0.25左右，風(fēng)吸體型系數(shù)規(guī)范計算偏大; 風(fēng)吸體型系數(shù)同樣偏大，規(guī)范計算結(jié)果為-0.80，而試驗結(jié)果為-0.70左右。

從上述對比結(jié)果可知，對于外圍的方陣，規(guī)范計算結(jié)果偏小，而對于內(nèi)部的方陣，規(guī)范計算結(jié)果則偏大。為此，在進(jìn)行上下部結(jié)構(gòu)計算時，對于外圍的結(jié)構(gòu)建議進(jìn)行放大;而對于內(nèi)部的結(jié)構(gòu)則可進(jìn)一步進(jìn)行折減。

4 結(jié) 論

通過對比不同海上光伏支架結(jié)構(gòu)的類型，分析研究了不同類型海上光伏支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明，空間結(jié)構(gòu)是固定式海上光伏結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流形式，其經(jīng)濟(jì)性、施工可行性、標(biāo)注化等均較好。通過對比分析結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的規(guī)范取值與試驗結(jié)果，結(jié)果表明，于處于外圍的方陣，規(guī)范計算結(jié)果偏小，而對于內(nèi)部的方陣，規(guī)范計算結(jié)果則偏大。本文建議與本實(shí)施例項目類似的項目的結(jié)構(gòu)類型和荷載參數(shù)取值可以參考本文結(jié)果