光伏钢结构支架的风荷载时程响应分析

    0 引言

    目前在我国光伏行业中，对于大型的钢结构还没有足够有效的分析与设计方法，大多是直接引进国外温室大棚和光伏钢结构。大型光伏发电系统的钢支架系统属于重要建筑工程，一旦出现事故，后果严重，作为光伏组件的重要支承部件，光伏钢结构对于保证光伏发电设备的正常、安全运行起着至关重要的作用。因此，有必要使用有限元方法对光伏钢结构进行计算研究。

    1 光伏钢结构支架有限元模型

    光伏支架钢结构主要由主钢柱组焊件、斜梁组焊件、斜撑、檩条、电池组件等构件组成。主钢柱组焊件底部固定在地基上，顶部与斜梁组焊件使用螺栓紧固连接，同时主钢柱两侧使用圆形钢管斜撑与斜梁连接，起固定支撑作用。檩条与斜梁顶部的支撑板通过螺栓紧固连接，电池组件通过压块和螺栓作用固定在檩条上，主体结构如图1所示。

    光伏大棚属于大跨度结构，对主体结构采用片体方式。模型中考虑肋板、支撑板等影响刚度和强度的构件，忽略螺栓和焊接结构的影响，有限元分析中主要使用BEAM188单元和SHELL181单元分析。

    主钢柱、斜梁、檩条材料为Q235，材料性能如下表1所示。

    表1 主要构件参数

    2 脉动风压谱计算

    2.1 时程分析方法概述

    结构的抗风分析方法一般可分为频率分析法和时域分析法两个方面。频域分析法虽然相对简单，但无法考虑作用于结构表面荷载的时间相关性影响，也无法较精确的进行非线性分析。而时域分析法可以考虑到自然风的时间相关性和结构的非线性影响，因此对于大跨度结构进行动态风载分析应该使用时域分析法。

    2.2 近地风的特征

    光伏大棚一般位于近地湍流层，湍流层的风包括平均风和脉动风。平均风周期较长，一般为10分钟以上。由于平均风的周期远远大于一般结构的自振周期，对结构的作用相当于静力作用。脉动风是风中周期较短的部分，一般只有几秒到几十秒，是由于风的不规则性引起的，属于随机的动力荷载，由于脉动风的作用光伏支架钢结构产生风振响应。

    由于空间各位置的风速、风向并不完全同步，并且光伏大棚迎风面积较大，因此光伏支架钢结构的风振响应还必须考虑脉动风的空间相关性。

    结构上任意一点任意t时刻的风速向量由平均风速和脉动风速两部分组成的：