谷佳冰，胡保濤

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

高強(qiáng)耐候鋼是屈服強(qiáng)度不低于690 MPa，通過在鋼材中加入Cu、P、Cr、Ni 等合金元素，使鋼材表面在大氣環(huán)境下逐漸生成一層致密、具有保護(hù)性的保護(hù)層的鋼材。

光伏支架結(jié)構(gòu)須滿足規(guī)范要求的25 年使用壽命，所以光伏支架結(jié)構(gòu)必須牢固可靠，能承受如大氣侵蝕、風(fēng)荷載、雪荷載、光伏組件自身荷載和其他外部效應(yīng)。目前各光伏支架及鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有涵蓋高強(qiáng)耐候鋼材料的相關(guān)要求，需通過型式試驗(yàn)來驗(yàn)證高強(qiáng)耐候鋼光伏支架的安全、穩(wěn)定性。

1 光伏支架型式試驗(yàn)概述

為降低光伏支架的用鋼量，且優(yōu)化制作安裝工藝，公司采用高強(qiáng)耐候鋼作為主材進(jìn)行光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)JG/T 490－2016《太陽能光伏系統(tǒng)支架通用技術(shù)要求》要求，當(dāng)原料、工藝有較大變化，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，需進(jìn)行型式試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：外觀、尺寸偏差、材料壁厚、力學(xué)性能。本標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方案將通過一個(gè)具體的陣列式高強(qiáng)耐候鋼光伏支架型式試驗(yàn)進(jìn)行講解。

此次試驗(yàn)材料為高強(qiáng)耐候鋼，支架型式為：?jiǎn)瘟⒅p排2×13 承插式支架。設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)正向荷載組合為1.0 恒荷載+1.0 雪荷載+1.0 正風(fēng)荷載，反向荷載組合為1.0 恒+1.0 逆風(fēng)。承載能力極限狀態(tài)正向荷載組合為1.3 恒+1.5×0.7 雪+1.5正風(fēng)，反向荷載組合為1.0 恒+1.5 逆風(fēng)。

試驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^光伏支架型式試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的光伏支架結(jié)構(gòu)型式的安全性、穩(wěn)定性以及材料的可靠性。

2 檢驗(yàn)范圍及內(nèi)容

本次檢驗(yàn)內(nèi)容包括：①光伏支架型式檢驗(yàn)；②光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試；③光伏支架最大承載力測(cè)試（極限位移控制）。

3 檢驗(yàn)依據(jù)

依據(jù)光伏陣列支架結(jié)構(gòu)型式，按照系統(tǒng)操作的相關(guān)規(guī)定，參考以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）JG/T 490-2016《太陽能光伏系統(tǒng)支架通用技術(shù)要求》；

（2）GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》；

（3）QJ 3156-2002《導(dǎo)彈地面設(shè)備大型結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試方法》。

4 主要檢驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)產(chǎn)品參數(shù)

4.1 檢驗(yàn)設(shè)備

無線靜態(tài)應(yīng)變儀：DH3819N；位移傳感器：5G105；全站儀：徠卡R400；激光測(cè)距儀；鋼卷尺：30 m、5 m；鋼板尺：300 mm；游標(biāo)卡尺：150 mm；寬口游標(biāo)卡尺：200 mm；激光測(cè)溫儀。

4.2 試驗(yàn)產(chǎn)品參數(shù)

圖1 產(chǎn)品參數(shù)圖

5 檢驗(yàn)項(xiàng)目、要求、方法及檢驗(yàn)結(jié)果

5.1 支架外觀檢驗(yàn)

支架外觀檢驗(yàn)要求、方法及結(jié)果見表1。

表1 支架外觀檢驗(yàn)要求、方法及結(jié)果

圖2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖

表2 鋼支架各構(gòu)件預(yù)拼裝允許偏差

表3 鋼支架各構(gòu)件預(yù)拼裝允許偏差檢查方法

表4 支架尺寸檢查結(jié)果

表5 支架材料壁厚檢查結(jié)果

5.2 支架尺寸偏差檢查

5.3 支架材料壁厚檢查

5.3.1 支架材料壁厚檢查要求和方法

（1）主要受力構(gòu)件的鋼板壁厚應(yīng)不小于1.5 mm。

（2）檢測(cè)方法：采用分辨率為0.05 mm 的游標(biāo)卡尺或分辨率為0.1 mm 的金屬測(cè)厚儀在桿件同一截面的不同部位測(cè)量，測(cè)點(diǎn)應(yīng)不少于5 個(gè)，并取最小值。

5.3.2 支架材料壁厚檢查結(jié)果

5.4 支架力學(xué)性能檢查

（1）支架受拉、受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比限值應(yīng)不大于表6 的允許值。

表6 構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比允許值

（2）在組件恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值的組合效應(yīng)下，支架受彎構(gòu)件的撓度應(yīng)不超過表7 允許值。

表7 受彎構(gòu)件撓度允許值

（3）在組件恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值的組合效應(yīng)下，支架的柱頂位移不應(yīng)大于柱高的1/60。

（4）試驗(yàn)方法

受拉、受壓構(gòu)件長(zhǎng)度采用分辨率為1 mm 的鋼尺測(cè)量，主要受彎構(gòu)件的撓度、柱頂位移，根據(jù)荷載等級(jí)的劃分，采用靜力法測(cè)試，試驗(yàn)方法如下：

1）在光伏組件的邊框上，沿邊框平面的法線方向，施加線荷載Q，持續(xù)時(shí)間為2 min。如圖3 所示。試驗(yàn)人員觀察位移計(jì)的讀數(shù)，以及被測(cè)樣品的異常情況，并加以記錄。

圖3 正壓作用下支架變形試驗(yàn)示意圖

2）反方向施加線荷載Q，持續(xù)時(shí)間為2 min，如圖4 所示。試驗(yàn)人員觀察位移計(jì)的讀數(shù)，以及被測(cè)樣品的異常情況，并加以記錄。

圖4 負(fù)壓作用下支架變形試驗(yàn)示意圖

5.5 試驗(yàn)荷載

試驗(yàn)采用線荷載Q，與平面荷載P的關(guān)系按下式確定。

Q=P×A/L

式中：P-作用在光伏組件的平面荷載，單位為kP，取值見表8；

表8 試驗(yàn)荷載等級(jí)表

A-光伏組件邊框范圍內(nèi)的面積，單位為m2；

L-光伏組件邊框周長(zhǎng)，單位為m。

（1）試驗(yàn)支架荷載取值

1）恒荷載：0.14 kN/m2，

2）正風(fēng)荷載：0.31×0.97×1.2×1.28=0.46 kN/m2

3）逆風(fēng)荷載：0.31×（-1.24）×1.2×1.28=-0.59 kN/m2

4）雪荷載：0.31 kN/m2

（2）荷載組合

1）正常使用極限狀態(tài)：

①1.0 恒+1.0 雪+1.0 正風(fēng)=cos28×（1.0×0.14+1.0×0.31）+1.0×0.46=0.86 kN/m2

②1.0 恒+1.0 逆風(fēng)=cos28×1.0×0.14+1.0×（-0.59）=-0.47 kN/m2

2）承載能力極限狀態(tài)：

①1.3 恒+1.5×0.7 雪+1.5 正 風(fēng)=c o s 28×（1.3×0.14+1.5×0.7×0.31）+1.5×0.46=1.14 kN/m2

②1.0 恒+1.5 逆風(fēng)=cos28×1.0×0.14+1.5×（-0.59）=-0.76 kN/m2

最大荷載為1.14 kPa，0.9

（3）加載方案：Q1 →Q2 →Q3

1）正向施加總荷載：

Q1=0.86×2.278×1.134×26=57.76 kN=5.8 t（測(cè)變形）；

Q2=1.14×2.278×1.134×26=76.56 kN=7.7 t（測(cè)應(yīng)力）；

Q3=1.2×2.278×1.134×26=80.59 kN=8.1 t（測(cè)荷載等級(jí)Ⅱ級(jí)時(shí)的變形和應(yīng)力）。

2）反向施加總荷載：

Q1=-0.47×2.278×1.134×26=-31.57 kN=-3.2 t（測(cè)變形）

Q2=-0.76×2.278×1.134×26=-51.04 kN=-5.1 t（測(cè)應(yīng)力）Q3=-1.2×2.278×1.134×26=-80.59 kN=-8.1 t（測(cè)荷載等級(jí)Ⅱ級(jí)時(shí)的變形和應(yīng)力）。

5.6 光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試

5.6.1 光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試要求

光伏支架安裝調(diào)試完畢，檢測(cè)工況符合要求。

5.6.2 測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)符合下列規(guī)定

（1）測(cè)點(diǎn)應(yīng)具有代表性，高應(yīng)力區(qū)域、復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域、腐蝕嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)；

（2）傳感元件應(yīng)粘貼牢固并做好絕緣防潮處理；信號(hào)傳輸導(dǎo)線應(yīng)妥善固定，電阻值應(yīng)確保穩(wěn)定；當(dāng)信號(hào)傳輸導(dǎo)線的電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。連接測(cè)量導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)保證連接處接觸電阻穩(wěn)定，并將導(dǎo)線妥善固定。檢測(cè)儀器應(yīng)置于安全且便于操作的位置。

5.6.3 測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置：立柱（柱腳）翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；斜梁（與立柱連接位置）翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；前支撐翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；后支撐翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變；檁條（支座處）翼緣和腹板的應(yīng)力、應(yīng)變。具體布點(diǎn)示意圖見圖5、圖6。

圖5 應(yīng)變片布點(diǎn)示意圖

圖6 位移布點(diǎn)示意圖

5.6.4 測(cè)試工況

（1）結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力檢測(cè)

初始狀態(tài)，光伏支架停止運(yùn)行恢復(fù)初始狀態(tài)，應(yīng)力測(cè)量?jī)x平衡并清零，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，記錄各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

（2）運(yùn)行狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試

測(cè)試狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光伏支架運(yùn)行的具體狀況，測(cè)試光伏支架（包含但不限于上仰、平行、旋轉(zhuǎn)、下俯等工況）不同工作狀態(tài)下的應(yīng)力值，此時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

5.6.5 光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）正壓應(yīng)力

應(yīng)力點(diǎn)分布從B1~B18 共18 個(gè)點(diǎn)位，逐步測(cè)試各點(diǎn)位在載荷等級(jí)3 900 kg、5 850 kg、7 650 kg、8 250 kg 狀態(tài)下的正壓應(yīng)力值，找出最大正壓應(yīng)力分布點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

（2）負(fù)壓應(yīng)力

應(yīng)力點(diǎn)分布從B1~B18 共18 個(gè)點(diǎn)位，逐步測(cè)試各點(diǎn)位在載荷等級(jí)3 150 kg、5 100 kg、8 100 kg 狀態(tài)下的負(fù)壓應(yīng)力值，找出最大負(fù)壓應(yīng)力分布點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

（3）柱頂位移

位移點(diǎn)分布在B1~B4 共4 個(gè)點(diǎn)位。先測(cè)試在正壓情況下，各點(diǎn)位在載荷等級(jí)2 190 kg、5 850 kg、7 800 kg、8 100 kg 狀態(tài)位移值；找出正壓情況下位移最大值。然后測(cè)試在負(fù)壓情況下，各點(diǎn)位在載荷等級(jí)2 190 kg、5 850 kg、7 800kg、8 100 kg 狀態(tài)位移值；找出負(fù)壓情況下位移最大值。

5.7 光伏支架檁條撓度形變測(cè)試

5.7.1 光伏支架檁條撓度形變測(cè)試要求

光伏支架安裝調(diào)試完畢，檢測(cè)工況符合要求。

5.7.2 測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)符合下列規(guī)定

（1）測(cè)點(diǎn)應(yīng)具有代表性，位移嚴(yán)重區(qū)域、變形嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)；

（2）在被測(cè)支架上做好檢測(cè)標(biāo)記點(diǎn)，然后在支架實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地附近找個(gè)平整合適區(qū)域。架好全站儀，設(shè)備調(diào)平，儀器清零。在設(shè)備進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)觀測(cè)標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，并及時(shí)做好記錄。

5.7.3 測(cè)點(diǎn)布置

撓度測(cè)點(diǎn)布置：長(zhǎng)檁條變形嚴(yán)重的位置且易于觀測(cè)的點(diǎn)，做好標(biāo)記。具體布點(diǎn)示意圖見圖7。

圖7 檁條撓度布點(diǎn)示意圖

5.7.4 檁條撓度測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）正壓下的撓度值

根據(jù)設(shè)置好的變形測(cè)量點(diǎn)，首先在無施加荷載情況下測(cè)出變形測(cè)量點(diǎn)中部，變形測(cè)量點(diǎn)左側(cè)、變形測(cè)量點(diǎn)右側(cè)的撓度值作為基準(zhǔn)值，然后分別在載荷等級(jí)2 190 kg、5 850 kg、7 800 kg、8 100 kg 狀態(tài)下測(cè)出變形測(cè)量點(diǎn)中部，變形測(cè)量點(diǎn)左側(cè)、變形測(cè)量點(diǎn)右側(cè)的撓度值，最終計(jì)算出該點(diǎn)撓度的平均值作為該點(diǎn)的撓度值。

撓度計(jì)算公式：某點(diǎn)的撓度值=（某載荷狀態(tài)下的中部撓度值-對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值）-[（某載荷狀態(tài)下的左側(cè)撓度值-對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值）+（某載荷狀態(tài)下的右側(cè)撓度值-對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值）]/2

（2）負(fù)壓下的撓度值

測(cè)試方法與正壓下相同，施加荷載與正壓下數(shù)值相同，方向相反。

6 檢驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)此次試驗(yàn)材料；支架型式；設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)正向荷載組合、反向荷載組合；承載能力極限狀態(tài)正向荷載組合；設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)正向荷載組合、反向荷載組合；測(cè)出如下試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表9 支架力學(xué)性能檢查結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)可以看出，光伏支架應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試結(jié)果、光伏支架立柱位移結(jié)果、光伏支架撓度變測(cè)試結(jié)果等力學(xué)性能均符合規(guī)范要求。此試驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證了高強(qiáng)耐候鋼光伏支架結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性；可將此結(jié)構(gòu)型式用于生產(chǎn)制造和實(shí)際項(xiàng)目中使用；也可以作為其他光伏支架結(jié)構(gòu)型式的參考。