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本项目光伏支架是布置在高速公路路堤南侧边坡上,高速公路已建成通车,施工场地条件受限,只能考虑在路基坡脚处临时征用一部分农田作为本项目的施工作业场地,常规的管桩设备由于过于庞大,在本项目中无法使用,此外钢筋混凝土预制桩由于挤土效应比较明显,对路基边坡的稳定性影响较大,也不适用于本项目。综合考虑各种因素,本项目桩基础主要考虑采用灌注桩基础和钢管螺旋桩基础。上部的光伏支架结构根据以往项目经验,斜梁和檩条采用冷弯薄壁型钢,立柱和斜撑采用圆钢管,能够在满足结构承载力和变形要求的同时,获得不错的性价比。
本项目一个标准的阵列为2×13的布置形式,平面和断面如图2所示。对于光伏支架上部结构来说,影响其经济性最大的因素就是纵向檩条的工程量,找到一个合适跨度的檩条布置方案对保证支架整体结构方案的经济性至关重要。在本项目特定的风压、雪压以及倾角条件下,经过对不同跨度的布置方案进行试算,确定本项目纵向的跨度取3.3 m。在支架结构横向,根据横向总体宽度,结合以往的项目经验,可布置成单立柱、双立柱或者三立柱,因此整体的支架结构方案可分为单立柱单桩、双立柱双桩以及三立柱三桩三种形式。
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本项目单立柱单桩方案中,斜梁和檩条均采用冷弯薄壁型钢,其中斜梁截面为C100×50×15×2,檩条截面为C120×60×20×2.5;立柱和斜撑采用圆钢管,其中立柱截面为$ \phi $73×6.0,斜撑截面为$\phi $60×2。基础采用直径300 mm的灌注桩。布置如图3所示。
建模计算采用盈建科光伏模块,上部支架结构应力比控制在0.85左右。根据支座反力,结合本项目勘察资料以及试桩结果,确定灌注桩基础长度为3 m。单立柱单桩布置方案对于2×13这样一个阵列的工程量如表1所示。
表 1 单立柱单桩方案工程量及造价表
Table 1. Quantities and cost for single column and single pile scheme
构件 规格 长度/m 数量/根 单位重量/
(kg·m−1)总重/
kg檩条 C120×60×20×2.5 14.98 4 5.3 317.6 主梁 C100×50×15×2 4.3 5 3.64 78.3 斜撑 D60×2 2.33 5 2.86 33.2 斜撑 D60×2 1.34 5 2.86 19.1 立柱 D73×6.0 0.38 5 7.27 13.9 上部结构造价合计/元 4 853 基础 直径300 mm灌注桩 3 5 − − 基础造价合计/元 2 700 单立柱单桩方案单组2×13阵列造价合计/元 7 553 从表1可以看出,对于一个2×13的光伏阵列,采用单立柱单桩方案,光伏支架结构(含基础)部分总的造价为7 553元。
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本项目双立柱双桩方案中,斜梁和檩条均采用冷弯薄壁型钢,其中斜梁截面为C100×50×15×2,檩条截面为C120×55×20×2.2;立柱和斜撑采用圆钢管,其中立柱截面为$ \phi $60×4,斜撑截面为$ \phi $40×1.5。基础采用直径76 mm的钢管螺旋桩。布置如图4所示。
建模计算采用盈建科光伏模块,上部支架结构应力比与单立柱单桩方案保持一致,控制在0.85左右。根据支座反力,结合本项目勘察资料以及试桩结果,确定钢管螺旋桩基础长度为2 m。双立柱双桩布置方案对于2×13这样一个阵列的工程量如表2所示。
表 2 双立柱双桩方案工程量及造价表
Table 2. Quantities and cost for double-column and double-pile scheme
构件 规格 长度/m 数量/根 单位重量/
(kg·m−1)总重/kg 支架柱 D60×4 0.92 5 5.52 25.392 D60×4 0.6 5 5.52 16.56 斜梁 C100×50×15×2.0 4.3 5 3.64 78.26 檩条 C120×55×20×2.2 15.2 4 4.52 274.816 斜撑 D40×1.5 1.65 5 1.42 11.715 D40×1.5 1.65 5 1.42 11.715 上部结构造价合计/元 4 394 基础 $ \phi $76钢管螺旋桩 2 10 − − 基础造价合计/元 1 720 双立柱双桩方案单组2×13阵列造价合计/元 6 114 从表2可以看出,对于一个2×13的光伏阵列,采用双立柱双桩方案,光伏支架结构(含基础)部分总的造价为6 114元。
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本项目三立柱三桩方案中,斜梁和檩条均采用冷弯薄壁型钢,其中斜梁截面为C80×40×15×2.0,檩条截面为C120×55×20×2.2;立柱和斜撑采用圆钢管,其中立柱截面为$ \phi $60×4。基础采用直径76 mm的钢管螺旋桩。布置如图5所示。
建模计算采用盈建科光伏模块,上部支架结构应力比与前两个方案保持一致,同样控制在0.85左右。根据支座反力,结合本项目勘察资料以及试桩结果,确定钢管螺旋桩基础长度为2 m。单立柱单桩布置方案对于2×13这样一个阵列的工程量如表3所示。
表 3 三立柱三桩方案工程量及造价表
Table 3. Quantities and cost for three-column and three-pile scheme
构件 规格 长度/m 数量/根 单位重量/
(kg·m−1)总重/kg 支架柱 D54×4 0.97 5 4.93 23.91 D54×4 0.78 5 4.93 19.23 D54×4 0.61 5 4.93 15.04 斜梁 C80×40×15×2.0 4.3 5 2.72 58.48 檩条 C120×55×20×2.2 15.2 4 4.51 274.208 上部结构造价合计/元 4 104 基础 $\phi $76钢管螺旋桩 2 15 基础造价合计/元 2 580 三立柱三桩方案单组2×13阵列造价合计/元 6 684 从表3可以看出,对于一个2×13的光伏阵列,采用三立柱三桩方案,光伏支架结构(含基础)部分总的造价为6 684元。
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通过上述3种结构方案的分析可以得出如下3个结论:
1)在基础方面,单立柱单桩方案桩基数量最少,对路基边坡扰动的范围最小,但单桩直径较大,施工难度较大;三立柱三桩方案桩基数量最多,对路基边坡扰动的范围最大,但其采用的直径较小的钢管螺旋桩,施工方便效率高;双立柱双桩方案在扰动范围及施工效率方面取得了一个较好的平衡,且该方案基础造价最低。
2)在上部支架方面,单立柱单桩方案斜梁、斜撑及立柱受力最不利,截面也最大,上部支架总工程量在3个方案中最大,造价也最高;三立柱三桩方案由于中部多了一排立柱,斜梁跨度最小,单根立柱承担的荷载也是最小的,受力最有利,斜梁和立柱的截面也最小,同时三立柱三桩方案还减少了斜撑的用量,因此上部支架总工程量在3个方案中最小,造价也最低;双立柱双桩方案上部支架结构的工程量和造价介于两者之间。
3)在经济性方面,对于单组2×13的光伏阵列,同时考虑上部结构和基础,单立柱单桩支架的方案总造价最高,约为7 553元;双立柱双桩方案总造价最低,约为6 114元;三立柱三桩方案总造价居于二者之间,约为6 684元。
3种结构方案的技术经济性比较详见表4。
表 4 3种结构方案的技术经济性比较表
Table 4. Technical and economic comparison of three structural schemes
方案 优点 缺点 单组2×13
阵列造价/元差别/
(%)单立柱单桩 减少桩
基数量边坡上没有作业
平台,施工难度较
大,可能对边坡
造成较大破坏。7 553 23.5 双立柱双桩 钢管螺旋
桩施工便
利,工期
短,造价
较低。钢管螺旋桩在钻
进过程中对边坡
表层存在扰动。6 114 0.0 三立柱三桩 单桩承
载力要
求小桩基数量较多,
经济性差6 684 9.3
Comparative Study on the Structural Schemes for Photovoltaic Supports in the Road Domain of the Transportation and Energy Integration Project
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摘要:
目的 为了得到交能融合项目路域光伏支架最佳的结构布置方案,提出了要将光伏支架上部结构与相应的基础结合起来综合进行比较的思路,并根据该思路进行了比较分析。 方法 针对一个标准的光伏阵列,结合以往项目经验,设计了3种可行的光伏支架结构布置方案,并对这3个方案进行了技术经济性比选。 结果 比选结果表明:双立柱双桩方案的总体造价最低,技术可行性最高。 结论 通过综合比较确定了交能融合项目路域光伏支架最佳的结构布置方案,可为同类型项目光伏支架结构布置方案优化提供思路。 Abstract:Introduction In order to obtain the optimal structural layout scheme for photovoltaic supports in the road domain of the transportation and energy integration project, an idea of comprehensive comparison is proposed by combining the upper structure of photovoltaic supports with corresponding foundations, and a comparative analysis is conducted based on this idea. Method For a standard photovoltaic array, based on previous project experience, three feasible structural layout schemes for photovoltaic supports were designed, and a technical and economic comparison was conducted among these three schemes. Result The comparison results indicate that the double-column and double-pile scheme has the lowest overall cost and the highest technical feasibility. Conclusion Through comprehensive comparison, the optimal structural layout scheme for photovoltaic supports in the road domain of the transportation and energy integration project has been determined, which can provide ideas for the optimization of the structural layout scheme for photovoltaic supports in similar projects. -
表 1 单立柱单桩方案工程量及造价表
Tab. 1. Quantities and cost for single column and single pile scheme
构件 规格 长度/m 数量/根 单位重量/
(kg·m−1)总重/
kg檩条 C120×60×20×2.5 14.98 4 5.3 317.6 主梁 C100×50×15×2 4.3 5 3.64 78.3 斜撑 D60×2 2.33 5 2.86 33.2 斜撑 D60×2 1.34 5 2.86 19.1 立柱 D73×6.0 0.38 5 7.27 13.9 上部结构造价合计/元 4 853 基础 直径300 mm灌注桩 3 5 − − 基础造价合计/元 2 700 单立柱单桩方案单组2×13阵列造价合计/元 7 553 表 2 双立柱双桩方案工程量及造价表
Tab. 2. Quantities and cost for double-column and double-pile scheme
构件 规格 长度/m 数量/根 单位重量/
(kg·m−1)总重/kg 支架柱 D60×4 0.92 5 5.52 25.392 D60×4 0.6 5 5.52 16.56 斜梁 C100×50×15×2.0 4.3 5 3.64 78.26 檩条 C120×55×20×2.2 15.2 4 4.52 274.816 斜撑 D40×1.5 1.65 5 1.42 11.715 D40×1.5 1.65 5 1.42 11.715 上部结构造价合计/元 4 394 基础 $ \phi $76钢管螺旋桩 2 10 − − 基础造价合计/元 1 720 双立柱双桩方案单组2×13阵列造价合计/元 6 114 表 3 三立柱三桩方案工程量及造价表
Tab. 3. Quantities and cost for three-column and three-pile scheme
构件 规格 长度/m 数量/根 单位重量/
(kg·m−1)总重/kg 支架柱 D54×4 0.97 5 4.93 23.91 D54×4 0.78 5 4.93 19.23 D54×4 0.61 5 4.93 15.04 斜梁 C80×40×15×2.0 4.3 5 2.72 58.48 檩条 C120×55×20×2.2 15.2 4 4.51 274.208 上部结构造价合计/元 4 104 基础 $\phi $76钢管螺旋桩 2 15 基础造价合计/元 2 580 三立柱三桩方案单组2×13阵列造价合计/元 6 684 表 4 3种结构方案的技术经济性比较表
Tab. 4. Technical and economic comparison of three structural schemes
方案 优点 缺点 单组2×13
阵列造价/元差别/
(%)单立柱单桩 减少桩
基数量边坡上没有作业
平台,施工难度较
大,可能对边坡
造成较大破坏。7 553 23.5 双立柱双桩 钢管螺旋
桩施工便
利,工期
短,造价
较低。钢管螺旋桩在钻
进过程中对边坡
表层存在扰动。6 114 0.0 三立柱三桩 单桩承
载力要
求小桩基数量较多,
经济性差6 684 9.3 -
[1] 赵婷婷, 江赛雄. 光伏支架基础选型与设计优化研究 [J]. 建筑结构, 2022, 52(增刊1): 2353-2357. DOI: 10.19701/j.jzjg.22S1619. ZHAO T T, JIANG S X. Study on foundation selection and design optimization of PV support [J]. Building structure, 2022, 52(Suppl.1): 2353-2357. DOI: 10.19701/j.jzjg.22S1619. [2] 王潇羽. 混凝土平屋顶光伏支架及基础优化设计与应用 [J]. 南方能源建设, 2019, 6(1): 81-85. DOI: 10.16516/ j.gedi.issn2095-8676.2019.01.014. WANG X Y. Optimization design and application on photovoltaic support and foundation of flat concrete roof [J]. Southern energy construction, 2019, 6(1): 81-85. DOI: 10.16516/ j.gedi.issn2095-8676.2019.01.014. [3] 陶兴南. “农光互补”光伏电站支架基础结构选型对比分析 [J]. 安装, 2022(3): 71-72,80. TAO X N. Comparative analysis on the selection of support foundation structure for "agricultural photovoltaic complementary" photovoltaic power stations [J]. Installation, 2022(3): 71-72,80. [4] 史磊. 光伏电站支架系统结构抗台风设计实践 [J]. 南方能源建设, 2020, 7(1): 90-94. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2020.01.014. SHI L. Design and practice of typhoon resistance for supporting bracket system of PV power station [J]. Southern energy construction, 2020, 7(1): 90-94. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2020.01.014. [5] 买发军. 光伏领跑者项目支架及基础选型设计 [J]. 太阳能, 2017(6): 36-37. DOI: 10.19911/j.1003-0417.2017.06.010. MAI F J. Design of support and foundation selection for the photovoltaic leader project [J]. Solar energy, 2017(6): 36-37. DOI: 10.19911/j.1003-0417.2017.06.010. [6] 何文俊, 郑少平, 周于程. 山地光伏支架基础创新研究及应用 [J]. 工程建设与设计, 2016(5): 25-27,30. DOI: 10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.003. HE W J, ZHENG S P, ZHOU Y C. Innovation research and application of mountain PV support foundation [J]. Construction & design for project, 2016(5): 25-27,30. DOI: 10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.003. [7] 明小燕, 奚泉, 周毅. 锚杆灌注桩基础在山地光伏电站光伏支架基础中的应用研究 [J]. 太阳能, 2021(1): 73-77. DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20200226.01. MING X Y, XI Q, ZHOU Y. Research on application of anchor rod cast-in-place pile foundation in PV bracket foundation of mountain PV power station [J]. Solar energy, 2021(1): 73-77. DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20200226.01. [8] 丁晓勇, 许能权, 邢皓枫. 沙漠地区光伏支架基础选型与受力分析 [J]. 低温建筑技术, 2022, 44(9): 121-124. DOI: 10.13905/j.cnki.dwjz.2022.09.026. DING X Y, XU N Q, XING H F. The foundation of photovoltaic support and its mechanics properties in desert area [J]. Low temperature architecture technology, 2022, 44(9): 121-124. DOI: 10.13905/j.cnki.dwjz.2022.09.026. [9] 罗民, 翁军华, 郑海兴, 等. 山地光伏电站支架基础类型分析及选型探讨 [J]. 太阳能, 2019(10): 74-76,62. DOI: 10.3969/j.issn.1003-0417.2019.10.015. LUO M, WENG J H, ZHENG H X, et al. Analysis and type selection of support foundation of mountain PV power station [J]. Solar energy, 2019(10): 74-76,62. DOI: 10.3969/j.issn.1003-0417.2019.10.015. [10] 吴迪, 田密, 廖心言. 四川省某光伏发电项目的光伏支架选型设计 [J]. 太阳能, 2022(8): 84-91. DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20210704.01. WU D, TIAN M, LIAO X Y. Selection and design of PV bracket for PV power generation project in Sichuan province [J]. Solar energy, 2022(8): 84-91. DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20210704.01. [11] 李顺, 贺广零, 任要中, 等. 光伏组件横向和竖向布置技术经济对比分析 [J]. 南方能源建设, 2017, 4(4): 113-117. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.021. LI S, HE G L, REN Y Z, et al. Technical economics comparison between PV module under vertical & horizontal arrangement [J]. Southern energy construction, 2017, 4(4): 113-117. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.04.021. [12] 邢克勇, 黄文莉. 光伏支架基础设计创新研究 [J]. 武汉大学学报(工学版), 2013, 46(增刊1): 252-255. XING K Y, HUANG W L. Study of design innovation for photovoltaic module bracket foundations [J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2013, 46(Suppl.1): 252-255. [13] 李欣哲. 甘肃省光伏发电工程中光伏支架及其基础形式的探讨 [J]. 太阳能, 2022(2): 62-67. DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20201211.01. LI X Z. Discussion on PV bracket and foundation form in PV power generation project in Gansu province [J]. Solar energy, 2022(2): 62-67. DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20201211.01. [14] 闫健, 刘健全. 大型光伏电站扰动区支架基础选型的探讨 [J]. 太阳能, 2013(23): 36-39. DOI: 10.3969/j.issn.1003-0417.2013.23.011. YAN J, LIU J Q. Discussion on the selection of support foundation in the disturbance zone of large photovoltaic power stations [J]. Solar energy, 2013(23): 36-39. DOI: 10.3969/j.issn.1003-0417.2013.23.011. [15] 弋峰, 马海堂. 盐光互补项目光伏支架桩基础选型 [J]. 山西建筑, 2016, 42(31): 64-66. DOI: 10.3969/j.issn.1009-6825.2016.31.034. YI F, MA H T. On foundation type selection of photovoltaic trestle pile in salt-light complementary project [J]. Shanxi architecture, 2016, 42(31): 64-66. DOI: 10.3969/j.issn.1009-6825.2016.31.034. [16] 熊祺, 杨颖, 陶恩苗. 渔光互补光伏发电结构设计选型和优化 [J]. 武汉大学学报(工学版), 2020, 53(增刊1): 65-68. XIONG Q, YANG Y, TAO E M. Design and optimization of the structure of the photovoltaic field of fishery and light complementary photovoltaic power generation project [J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2020, 53(Suppl.1): 65-68. [17] 昝晓磊. 某新建光伏发电项目光伏板支架基础设计选型 [J]. 福建建材, 2013(2): 49-51. ZAN X L. Design and selection of photovoltaic panel support foundation for a new photovoltaic power generation project [J]. Fujian building materials, 2013(2): 49-51. [18] 史嫄. 屋顶分布式光伏发电的支架结构设计探究 [J]. 电气技术与经济, 2022(4): 36-38. DOI: 10.3969/j.issn.1673-8845.2022.04.011. SHI Y. Research on the support structure design of roof distributed photovoltaic power generation [J]. Electrical equipment and economy, 2022(4): 36-38. DOI: 10.3969/j.issn.1673-8845.2022.04.011. [19] 国家能源局. 光伏支架结构设计规程: NB/T 10115—2018 [S]. 北京: 中国计划出版社, 2018. Nation Energy Administration. Code for design of photovoltaic modules support structures: NB/T 10115—2018 [S]. Beijing: China Planning Press, 2018. [20] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 太阳能发电站支架基础技术规范: GB 51101—2016 [S]. 北京: 中国计划出版社, 2016. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Technical code for supporting bracket foundation of solar power station: GB 51101—2016 [S]. Beijing: China Planning Press, 2016.