(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)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(duì)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(lèi)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(jì)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(duì)于荷載 參數(shù)的取值的標(biāo)準(zhǔn)化，本文對(duì)實(shí)施例海上光伏項(xiàng)目進(jìn)行了剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果值與規(guī)范計(jì)算取值進(jìn)行 對(duì)比分析，為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)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(dòng)下，我國(guó)各沿海省份陸續(xù) 出臺(tái)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(kāi)發(fā)，應(yīng)用場(chǎng)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(xiàng)目在全國(guó)范圍內(nèi)仍無(wú)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(xiàng)目比，海上高溫、高濕、高鹽霧，需應(yīng) 對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境如潮汐、波浪、海流、海冰、腐蝕、臺(tái)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(guò)，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(wèn)題需要解決。
目前，針對(duì)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(duì)推動(dòng)海 上光伏項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化有重要意義。
1 結(jié)構(gòu)形式
針對(duì)固定式樁基海上光伏，其結(jié)構(gòu)類(lèi)型仍無(wú)標(biāo) 準(zhǔn)可參考。目前，主要的結(jié)構(gòu)類(lèi)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(jià)低等 優(yōu)點(diǎn)。但此類(lèi)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(jì)制作可標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。但該
類(lèi)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(jì)制作可模 塊化等優(yōu)點(diǎn)。但該類(lèi)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(duì)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(jì)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(méi)有明顯的缺 點(diǎn)。隨著研究的深化及項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)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(huì)有實(shí)施應(yīng)用的機(jī)會(huì)[ 4] 。
2 荷載參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)化
海上光伏由于處于開(kāi)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(jiàn)針對(duì)海 上光伏結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載相關(guān)計(jì)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(wú)可參考的規(guī)范或?qū)嵗?。?面以沿海某海上光伏項(xiàng)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(xiàng)目實(shí)例為大跨度固定式樁基光 伏項(xiàng)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(jì) 風(fēng)荷載在中國(guó)《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(jì)算，本文對(duì)海上光伏項(xiàng)目 實(shí)例進(jìn)行剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)。 2.1.1 試驗(yàn)概況
在風(fēng)洞中模擬大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)是建筑模型風(fēng) 洞試驗(yàn)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(yàn)的大氣邊 界層流場(chǎng)模擬為《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009— 2012[ 5] 的A類(lèi)地貌風(fēng)場(chǎng)。以1/150的幾何縮尺比模擬 了A類(lèi)地貌，如下圖5風(fēng)洞中對(duì)大氣邊界層的風(fēng)剖面 和脈動(dòng)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(yàn)風(fēng)速下不發(fā)生變形，并且不 出現(xiàn)明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，以保證壓力測(cè)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(yàn)阻塞 率控制在5%以?xún)?nèi)。光伏陣列的測(cè)點(diǎn)分塊圖如圖6 所示。
按照我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009— 2012)[ 5] ，項(xiàng)目在B類(lèi)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(duì)應(yīng)于50年 重現(xiàn)期w0 ,50=1.23 kN/m2，相應(yīng)的B類(lèi)地貌基本風(fēng)速 為44.36 m/s。A類(lèi)地貌對(duì)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(lèi))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(yàn)結(jié)果
通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知本海上光伏陣列飄帶各分 塊部分在各個(gè)風(fēng)向角下的分塊體型系數(shù)。同理，根 據(jù)試驗(yàn)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(gè)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(jì)時(shí)， 常以測(cè)點(diǎn)或分塊的平均風(fēng)壓值wmean再考慮動(dòng)力放大 效應(yīng)(我國(guó)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(jì)風(fēng)荷載。
由概率統(tǒng)計(jì)方法得到的光伏陣列各測(cè)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(jiàn)圖 7，50年重現(xiàn)期的最大和最小極值風(fēng)壓見(jiàn)圖8，此極 值風(fēng)壓用于光伏陣列圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.1.5 試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)對(duì)本海上光伏實(shí)施例陣列進(jìn)行剛性模型 測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)及分析，得到如下結(jié)論和建議[ 6][7] ： 1、對(duì)于光伏陣列主要受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)。
3、對(duì)于光伏陣列圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載：應(yīng)用 概率統(tǒng)計(jì)方法得到了光伏陣列各測(cè)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(jì)。 2.1.6 規(guī)范計(jì)算結(jié)果
根據(jù)《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》NB/T 10115— 2018[ 8] ，傾斜角為15度，計(jì)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(shí)可對(duì)兩端第2列、第4行以?xún)?nèi)支架體型系 數(shù)進(jìn)行折減，本項(xiàng)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(xiàng)目風(fēng)振系數(shù)取值為1.4，一方面考慮 本項(xiàng)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(xiàng)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(jì)規(guī)程》NB/T 10115— 2018，對(duì)于雙列或單列單坡支架結(jié)構(gòu)體系，可取1.0。
通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例項(xiàng)目取值比規(guī)范偏 大，準(zhǔn)確的風(fēng)振系數(shù)需要通過(guò)氣彈性模型的試驗(yàn) 獲取。
3 標(biāo)準(zhǔn)化建議
對(duì)于結(jié)構(gòu)體型系數(shù)，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的外圍風(fēng) 壓體型系數(shù)偏小，規(guī)范計(jì)算結(jié)果僅為0.8，而試驗(yàn)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(jì)算結(jié)
果為-0.95，而試驗(yàn)結(jié)果則達(dá)到了-1.22。對(duì)于內(nèi)部方 陣風(fēng)壓體型系數(shù)，規(guī)范計(jì)算結(jié)果僅為0.68，而試驗(yàn) 結(jié)果僅為0.25左右，風(fēng)吸體型系數(shù)規(guī)范計(jì)算偏大; 風(fēng)吸體型系數(shù)同樣偏大，規(guī)范計(jì)算結(jié)果為-0.80，而 試驗(yàn)結(jié)果為-0.70左右。
從上述對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)于外圍的方陣，規(guī)范 計(jì)算結(jié)果偏小，而對(duì)于內(nèi)部的方陣，規(guī)范計(jì)算結(jié)果 則偏大。為此，在進(jìn)行上下部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，對(duì)于外圍 的結(jié)構(gòu)建議進(jìn)行放大;而對(duì)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(guò)對(duì)比不同海上光伏支架結(jié)構(gòu)的類(lèi)型，分析 研究了不同類(lèi)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(jì)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(guò)對(duì)比分析結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的規(guī)范取值與試驗(yàn)結(jié)果， 結(jié)果表明，于處于外圍的方陣，規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏小， 而對(duì)于內(nèi)部的方陣，規(guī)范計(jì)算結(jié)果則偏大。本文建 議與本實(shí)施例項(xiàng)目類(lèi)似的項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和荷載參 數(shù)取值可以參考本文結(jié)果
