光伏结构系统的设计要点(上)

　　一、结构设计的一般原则

　　1.1光伏面板的结构可按下列方式分为两类：
　　 (1)分离式光伏面板: 只具有发电功能，不作为围护结构的面板；建筑需要围护功能时须另设密封的采光顶或幕墙。这种面板要设单独的支架，支架连接在主体结构上（图1）。因此这种光伏建筑是一体化设计，两层皮。

　　 (2)合一式光伏面板：既具有发电功能，同时又是采光顶或幕墙的面板。又称为建材式光伏面板。由于发电和建筑功能合一，因此建筑外皮只需一套面板，一套支承（图2）。这种光伏建筑是一体化设计，一层皮。

图1分离式面板系统

图2合一式面板系统

　　合一式光伏结构系统与普通玻璃幕墙和采光顶大体相同，可以套用玻璃幕墙和采光顶的设计方法；分离式光伏结构系统在普通玻璃幕墙和采光顶的外侧另外附加了一个单独的结构，工作性质又不同于一般的幕墙和采光顶，必须进行专门的设计。

　　1.2光伏结构系统应进行结构设计，应具有规定的承载能力、刚度、稳定性和变形能力。

　　结构设计使用年限不应小于25年。预埋件属于难以更换的部件，其结构设计使用年限宜按50年考虑。大跨度支承钢结构的结构设计使用年限应与主体结构相同。

　　1.3光伏结构系统的设计目标是：在正常使用状态下应具有良好的工作性能。抗震设计的光伏结构系统，在多遇地震作用下应能正常使用；在设防烈度地震作用下经修理后应仍可使用；在罕遇地震作用下支承骨架不应倒塌或坠落。

　　2008年汶川大地震和2010年玉树大地震表明，玻璃幕墙在强烈地震中完全可以达到只要主体结构不倒，幕墙就不会破损的设计目标（图3、图4）。

图3 四川绵阳（9度）玻璃幕墙震后完好

图4 玉树机场（8度）幕墙玻璃完好，保证了及时救援

　　1.4非抗震设计的光伏结构系统，应计算重力荷载和风荷载的效应，必要时可计入温度作用的效应。

　　抗震设计的光伏结构系统，应计算重力荷载、风荷载和地震作用的效应，必要时可计入温度作用的效应。

　　1.5光伏结构可按弹性方法分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应，并进行作用效应的组合。

　　1.6光伏结构系统的构件和连接应按各效应组合中最不利组合进行设计。

　　1.7光伏结构构件和连接的承载力设计值不应小于荷载和作用效应的设计值。按荷载与作用标准值计算的挠度值不宜超过挠度的允许值。

　　二、荷载和作用

　　2.1光伏结构系统应分别不同情况，考虑下列重力荷载：

　　(1)面板和支承结构自重

　　(2)检修荷载

　　(3)雪荷载

　　2.2光伏结构系统的风荷载，应按国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 2006版本采用。设计时应分别考虑：

　　(1)分离式光伏面板的风荷载应计入迎风面风荷载和背风面风荷载；

　　(2)支架的风荷载应计入面板传来的风荷载和支架直接承受的风荷载；

　　(3)合一式面板系统应分别采光顶和幕墙的风荷载，按相应规范采用。

　　2.3分离式光伏结构系统应考虑突出屋面小结构的地震力放大作用。必要时可将其作为独立的质点，连同主体结构一起进行地震反应分析。

　　屋面上的分离式光伏系统结构具有一定的质量和刚度，相当于一个小楼层，但是其质量和刚度又远小于主体结构的质量和刚度。放在屋面上的地震反应要比放在地面上要强烈得多，称之为鞭梢效应。放在屋面上，地震力比放在地面上放大可达3~5倍，取决于它与主体结构的质量比和刚度比（图5、图6）。

图5 光伏结构系统在屋面上地震力放大

图6 光伏结构系统作为第n个质量参加整体地震反应分析，求出地震力．地震反应计算可按国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50009的规定进行。

　　2.4合一式光伏结构面板和支承结构的地震力计算与一般玻璃幕墙相同，可按照行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 的规定进行。

　　2.5分离式光伏结构的支架暴露于室外，应考虑温度作用的影响。必要时可进行钢支架的温度应力计算（图7、图8）。

图7 高雄世界运动会主会场分离式光伏系统

图8 分离式光伏墙的露天钢支架曲线形室外支架

　　2.6光伏结构系统的荷载组合可按照行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 的规定进行。

　　光伏采光顶和斜墙的重力荷载会产生平面外方向的作用分力，它与风荷载和地震力的作用相叠加，计算时应注意。

　　重力荷载起控制作用的组合，重力荷载的分项系数应取为1.35。

　　风荷载起主要作用的组合，地震作用的组合值系数应取为0.5。