工商业屋顶光伏支架基础设计优化

工商业屋顶光伏支架基础设计优化

杨连凯 蒋嘉伟 徐岳 黄和洪 张龙

华能东莞燃机热电有限责任公司  广东东莞

摘  要： 本文以某分布式屋面光伏发电工程实例为背景，对屋面光伏支架基础进行选型与设计，停车场屋面光伏车棚采用螺栓连接，上人屋面固定支架采用独立基础。通过对支架基础的结构优化，光伏车棚采用倒Y型双柱脚式钢立柱，将立柱的柱底轴向压力通过两个柱脚分别传至结构楼板，减小了柱脚对结构楼板的冲切作用；上人屋面固定支架采用圆形独立基础，采用双壁波纹管作为模板，提高了施工速度，缩短了施工工期。

关键词：屋面光伏；支架基础；设计；优化应用

背景：

本文背景项目为广东省东莞市某分布式屋顶光伏发电工程，工程建设规划容量为9.2MW。分布在园区内生产厂房、办公楼、停车场等建筑屋面建设工商业屋顶光伏项目，建筑钢筋混凝土框架结构。光伏屋面有屋面停车场和上人屋面两种类型[1-3]，对应设计车棚钢架结构及屋面固定式光伏支架两种不同类型的光伏支架及基础[4-6]。

1 支架基础选型

目前光伏支架基础形式主要有以地面光伏支架基础和屋面光伏支架基础支架两大类。

1.1地面光伏支架基础

1）钻孔灌注桩基础

该基础成孔较为方便，可以根据地形调整基础顶面标高，顶标高易控制，混凝土钢筋用量小，开挖量小，施工快，对原有植被破坏小。但存在混凝土现场成孔、浇筑，适用于一般填土、粘性土、粉土、砂土等。

2）钢螺旋基础：

成孔方便，可以根据地形调整顶面标高，不受地下水影响，在冬季气候条件下照常施工，施工快，标高调整灵活，对自然环境破坏很小，不存在填挖方工程，对原有植被破坏小，不需要场平。适用于沙漠、草原、滩涂、隔壁、冻土等。但用钢材较大，且不适用于强腐蚀性地基及岩石基础。

图1-1 独立柱基础图

3)独立基础：

抗水荷载能力最强，抗洪抗风。所需钢筋混凝土量最大，人工多，土方开挖及回填量大，施工周期长，对环境破坏力大。光伏项目中已很少使用。

4)钢筋混凝土条形基础：

此类基础形式多应用于地基承载力较差，适用于场地较为平坦，地下水位较低地区，对不均匀沉降要求较高的平单轴跟踪光伏支架中。

图2  条形基础图

5)预制桩基础：

直径约为300mm的预应力混凝土管桩或截面尺寸约为200*200的方桩打入土中，顶部预留钢板或螺栓与上部支架前后立柱连接，深度一般小于3米，施工较为简单、快捷。

5)钻孔灌注桩基础：

造价较低，但对土层要求较高，适用于有一定密实度的粉土或可塑、硬塑的粉质粘土中，不适用于松散的沙性土层中，土质较硬的鹅卵石或碎石则可能存在不易成孔的问题。

图3  钻孔灌注桩基础示意图

6)钢螺旋桩基础：

采用专用机械将其旋入土体中，施工速度 快，无需场地平整，无土方无混凝土，最大限度保护场内植被，可随地势调节支架高度，螺旋桩可二次利用。

1.2屋面光伏支架基础

在工商业园区混凝土屋需要安全稳固，不破坏屋顶防水，主要有：独立基础、条形基础、螺栓连接基础。

1）独立基础：根据支架形式分前后布置混凝土配重支墩在屋面上，该类型基础布置灵活，可避开屋面的管线和屋面出风口等，基础可现场浇筑或预制吊装。条形基础将支架前后立柱连成一体，将基础重心移至前后立柱之间，增大了基础的抗倾覆力臂，支架与混凝土基础基座螺栓连接。

2）条形基础：数量较少，与屋面接触面积较大，基底压力较小。单个基础长度较长，避让空间局限于支架及基础之间，模板接缝处理、基础四角垂直度等要求较高，对支模速度影响较大。

3）螺栓连接基础：一般采用化学螺栓植入原建筑屋面，化学螺栓抗拉拔能力强，可减轻基础重量，减少光伏系统对屋面的附加荷载。由于螺栓连接会破坏原屋面混凝土面层，且需要满足一定的植入深度才能发挥其抗拉拔力，一般适用于采用建筑找坡的屋面，且在柱脚安装后需重新敷设防水卷材并采用细石混凝土包封。

本项目属于工商业屋顶，其屋面有屋面停车场和上人屋面两种类型，停车场屋面使用功能对基础体积有所限制，光伏车棚基础采用螺栓连接。而混凝土屋面面层厚度较大，且上人屋面空调、水箱等设备管道较多，对屋面承载力余量较大，因此屋面固定支架采用独立基础。

2 支架基础设计

2.1车棚光伏

光伏车棚采用门式刚架结构，最低高度为3.5m，最大跨度约11m，柱距约8.0m。车棚结构主要构件材料采用Q355B矩形钢管。主要结构节点连接（如梁柱连接）采用现场焊接形式，保证结构整体性及现场施工灵活性。

光伏车棚支架采用盈建科结构计算软件YJKS3.0计算。最不利荷载工况为1.0（恒载）+1.5（风吸）时柱脚最大拉力为50～70kN，采用四个M10螺栓，满足抗拉拔力要求。螺栓伸入面层80mm，螺栓安装完成后采用密封膏封严，柱脚附加一道防水层后用C20细石混凝土包封，保证连接处防水性能。

2.1屋面光伏

光伏支架采用双跨三立柱形式，跨度为1.8、2.2m，间距为3.0m。光伏支架最低高度为0.8m。支架主要构件为立柱、斜梁及檩条，主要构件材料采用Q355B矩形钢管和冷弯薄壁U型钢。主要结构节点连接（如梁柱连接）采用螺栓连接形式。光伏板与檩条连接采用压块连接，光伏组件配套压码及垫板。

屋面光伏支架采用结构分析软件3D3S计算。光伏支架支座反力出现拉力时的最不利工况为：1.0恒+1.5风（吸），最大上拉力出现在中间柱。采用方形800×800×400方形基础，可满足配重要求。且基础底部屋面铺设塑料薄膜隔离层，对屋面防水无损坏。

3 支架基础优化

3.1车棚立柱优化

由于停车场屋面考虑停车位设置及车辆通行要求，车棚钢框架结构跨度较大，当跨度为10m及以上时，中间柱柱脚轴向压力达120 kN以上，容易对屋面结构层产生破坏。因此，本工程采用倒Y型双柱脚式钢立柱，将立柱的柱底轴向压力通过两个柱脚分别传至结构楼板，减小柱脚对结构楼板的冲切作用。

由于停车场屋面面层较厚，结构楼板加建筑面层厚度为320mm，为防止柱脚对结构楼板的冲切作用的叠加，双柱脚净距采用0.7m，立柱底部净空约0.8m，满足施工安装要求。钢立柱采用口150×150×5.0矩形管焊接成型，拼缝处采用倒圆角处理，展现钢结构工艺造型，与车棚钢结构整体协调美观。

图5 倒Y型立柱示意图              图6  倒Y型立柱实景图

3.2独立基础优化

由于本工程独立基础数量达6000多个，且工期要求紧张。方形独立基础一般采用木模板或钢模板，支模速度较慢。为提高施工速度，减少工期，对独立基础形式进行优化，改成圆柱形基础，可采用双壁波纹管作为模板，支模、脱模更快、运转高效。

优化采用等体积替换原则，并考虑成品采购便捷性，采用φ800×400圆形基础。

图7 波纹管模板混凝土基础图

图8 现浇基础脱模效果图

4结论

   本文结合项目光伏屋面的不同类型，对屋面光伏支架基础进行选型与设计，停车场屋面使用功能对基础体积有所限制，而屋面混凝土面层厚度较大，光伏车棚采用螺栓连接，上人屋面空调等设备及管道较多，而对屋面承载力余量较大，屋面固定支架采用独立基础。并通过对支架基础的优化，光伏车棚采用倒Y型双柱脚式钢立柱，将立柱的柱底轴向压力通过两个柱脚分别传至结构楼板，减小了柱脚对结构楼板的冲切作用；上人屋面固定支架采用圆形独立基础，采用双壁波纹管作为模板，提高了施工速度，缩短了施工工期，效果良好。

参 考 文 献：

[1]包大年. 发展屋顶分布式光伏项目的实践与思考[J]. 上海节能, 2015(1):5.

[2]龙文志. 屋面光伏组件的安装方式及其对屋面的要求[J]. 中国建筑防水, 2013(23):32-37.

[3]乔学.固定式光伏支架的型式及应用研究[J]. 经济技术协作信息, 2019(2):66-67.

[4李大虎, 方华亮, 孙建波,等. 平面分布式光伏系统结构及经济性研究[J]. 电源技术, 2019, 43(02):116-119.

[5]李根森. 并网光伏电站支架基础对比分析研究[J]. 太阳能, 2017(1):7.

[6]晏华斌. 固定式光伏支架的形式及应用分析[J]. 科学与信息化, 2018(28):2.