1、一、 系统参数设定 1. 太阳能板规格：164099040 2. 太阳能板阵列及数量：20240PCS 3. 太阳能板重量：20kg/PCS 4. 安装角度：35 5. 基本风载：0.75kN/m 26. 基本雪载：0.8kN/m 27. 安装条件：地面粗糙度为类 8. 计算标准： 建筑结构荷载规范 GB50009-2012 9. 设计产品年限：25年 二、 方阵立面结构分析及优化 1. 光伏组件支点即横梁分布的结构分析及优化 光伏组件由两根横梁支撑，横梁间距影响光伏组件的受力状态，如图所示。作用在 两根横梁上支反力分别为： ) ( ) ( c b b P R c b c P R b a由上式
2、可以看出，当 b=c 时，支反力 R a 、R b 的极值最小，为 0.5P。因此两根横梁 应对称分布。下图为光伏组件的受力简图，剪力图与弯距图。 由剪力图可以得出：当 a=b 时，剪力 Q 取最小极值，为 qa。即横梁间距等于光伏 组件长度的一半。 由弯距图可以看出：当 a=b时，弯距 M 极值为0，-0.0625ql 2 ； 当 2 2 2 1 ) 4 ( 2 1 qa la l q 时，即 l a 2 1 2 时，弯距 M 极值为0.0215ql 2 ，-0.0215ql 2 ，因此当 l a 2 1 2 时，弯距 M 取最小极值为 0.0215ql 2 。在本案例中，光伏组件长度 l1
3、640mm，所以 a=0.207l=340mm。 2. 斜梁支点布的结构分析及优化 斜梁由前立柱、后立柱和斜支撑三个支点支撑，其受力简图如下。 求解得： ) ( 2 1 ) ( 2 1 2 2 2 1 2 1 l b Pl a l Pl 3 3 1 2 1 1 a l b b a l b a Pa M Pa M 2 0代入三弯距方程： 1 1 1 1 1 1 1 6 6 ) ( 2 n n n n n n n n n n n n n l b l a l M l l M l M 式中 l n 为跨距，l n l n+1=b 解得： ) 3 ( 2 1 2 2 2 3 2 2 1 1 2 0 b
4、l b l b l l P M Pa M M ) 3 5 3 ( ) 3 5 1 ( 2 1 3 3 2 2 2 2 2 1 1 3 3 2 2 2 2 2 1 2 0 b l b l b l l P R b l b l b l l P R R由剪力图中可以看出斜梁中分布了 6个峰值，分别为： 当 0P 当 b=l 2 时 R 1 -2.74P，R 0 R 2 3.37P，则剪力极值 Q max =1.37P 当 l 2 b l 2 +l 1 时 P R Q Q P R Q Q P Q Q 2 0 3 2 0 4 1 5 0 剪力极值 Q max =P 当 b=768时，R 1 0，R 0 R
5、 2 2P，则剪力极值 Q max =P 当 b= l 2 +l 1 时，R 1 1.12，R 0 R 2 1.44P，则剪力极值 Q max =0.56P 当 l 2 +l 1 P 当 b=1490时，R 1 R 0 R 2 1.33P，则剪力极值 Q max =1.33P 当 b=2574时，R 1 2P，R 0 R 2 P，则剪力极值 Q max =P 当 b 2574时，剪力极值 Q max P 综上所述，当 b= l 2 +l 1 时，R 1 1.12P，R 0 R 2 1.44P，则剪力极值 Q max =0.56P，可 取得取小值。 由弯距图中可以看出斜梁中分布了 5个峰值，分别
6、为： 1 2 0 4 3 2 2 2 3 2 2 1 1 2 0 ) ( ) 3 ( 2 1 Pl l b R M M b l b l b l l P M Pa M M-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 100 300 500 700 900 1100 1300 150 M0 M1 M3由弯距曲线图可以看出，当 b=1086 时，即 M 0 M 3 时，弯距 M max =224P，可取得最小值。 三、 设计计算书 1. 载荷条件 根据系统安装条件及要求，载荷条件的计算以单方阵为基本单位。 （1） 恒载 G： 恒载包含太阳能板的重量和支架的自重。其中太
7、阳能板总重量： G140P20kg/P9.8N/s 2 =7840N 支架自重根据计算不同的梁时分别施加。 （2） 风载 W： 根据建筑结构荷载规范 （GB50009-2012）中对风荷载的规定如下（按承重结构 设计） ： 0 w w z s z k 式中： k w 风荷载标准值（ 2 / m kN ） ； z 高度 z 处的风振系数； s 风荷载体型系数； z 风压高度变化系数； 0 w 基本风压。 根据工程安装地理位置， 查 建筑结构荷载规范 表 8.2.1 查得风压高度变化系数 z 取值为 1.0，如下： 表8.2.1 风压高度变化系数 离地面或海平面高度(m) 地面粗糙度类别 A B
8、C D 5 1.09 1.00 0.65 0.51 10 1.28 1.00 0.65 0.51 15 1.42 1.13 0.65 0.51 20 1.52 1.23 0.74 0.51 30 1.67 1.39 0.88 0.51 40 1.79 1.52 1.00 0.60 50 1.89 1.62 1.10 0.69 60 1.97 1.71 1.20 0.77 70 2.05 1.79 1.28 0.84 80 2.12 1.87 1.36 0.91 90 2.18 1.93 1.43 0.98 100 2.23 2.00 1.50 1.04 注：节选自建筑结构荷载规范(GB5000
9、9-2012)第 31 页 按照建筑结构荷载规范表 8.3.1 中第 29 项中单坡及双坡顶盖 35时，风荷载体型系数 s 取平均值 1.3： 表 8.3.1 风荷载体型系数 项次 类别 体型及体型系数 s备注 29 单坡及双坡 顶盖 1. 中间值按线性插 值法计算 2. (b) 项体型系数按 第27 项采用 3. (b) 、 (c) 应考虑第 27项注2 和注3 注：节选自建筑结构荷载规范(GB50009-2012)第 44 页 按照建筑结构荷载规范中风振系数 z 取 1。 基本风压：w 0 =0.75kN/m 2至此所有参数计算完成，则 0 w w z s z k 11.31.00.750
10、.975 kN/m 2（3） 雪载 S 根据建筑结构荷载规范(GB50009-2012)中规定的雪压公式： 0 S S r k 系数取 0.5 基本雪压： S 0 =0.8kN/m 20 S S r k 0.50.80.4kN/m 22. 选用梁截面形状及参数 （1） 横梁及斜支撑：6241.32 项目 数值 单位 项目 数值 单位 材质 Q235B - 屈服极限 s235 Mpa 面积 A 3.82 cm 2弹性横量 E 210 Gpa 对 y轴惯性矩 I y19.121 cm 4对 y轴惯性半径 i y22.37296892 mm 对 z轴惯性矩 I z10.733 cm 4对 z轴惯性半
11、径 i z16.7621176 mm 极惯性积 I p29.854 cm 4极惯性半径 i p27.95564924 mm 上端离质心距离 32.712 mm 左端离质心距离 20.65 mm 下端离质心距离 29.288 mm 右端离质心距离 20.65 mm 抗弯截面系数 W y (上) 5.845255564 cm 3抗弯截面系数 W z (左) 5.197578692 cm 3抗弯截面系数 W y (下) 6.528612401 cm 3抗弯截面系数 W z (右) 5.197578692 cm 3（2） 斜梁：6241.32.5 项目 数值 单位 项目 数值 单位 材质 Q235B
12、- 屈服极限 s235 Mpa 面积 A 4.705 cm 2弹性横量 E 210 Gpa 对 y轴惯性矩 I y23.059 cm 4对 y轴惯性半径 i y22.13810387 mm 对 z轴惯性矩 I z12.935 cm 4对 z轴惯性半径 i z16.58072066 mm 极惯性积 I p35.994 cm 4极惯性半径 i p27.65892154 mm 上端离质心距离 32.862 mm 左端离质心距离 20.65 mm 下端离质心距离 29.138 mm 右端离质心距离 20.65 mm 抗弯截面系数 W y (上) 7.016919238 cm 3抗弯截面系数 W z (
13、左) 6.263922518 cm 3抗弯截面系数 W y (下) 7.913720914 cm 3抗弯截面系数 W z (右) 6.263922518 cm 3（3） 后立柱：方管 60402.5 项目 数值 单位 项目 数值 单位 材质 Q235B - 屈服极限 s235 Mpa 面积 A 4.75 cm 2弹性横量 E 210 Gpa 对 y轴惯性矩 I y23.474 cm 4对 y轴惯性半径 i y22.23037277 mm 对 z轴惯性矩 I z12.349 cm 4对 z轴惯性半径 i z16.12386267 mm 极惯性积 I p35.823 cm 4极惯性半径 i p27
14、.46212703 mm 上端离质心距离 30 mm 左端离质心距离 20 mm 下端离质心距离 30 mm 右端离质心距离 20 mm 抗弯截面系数 W y (上) 7.824666667 cm 3抗弯截面系数 W z (左) 6.1745 cm 3抗弯截面系数 W y (下) 7.824666667 cm 3抗弯截面系数 W z (右) 6.1745 cm 33. 方阵结构力学分析 根据对方阵立面结构的力学分析及优化，可得出方阵立面结构及尺寸为下图所示： （1） 恒载加风载 单组方阵恒载：G7840N 单组方阵风载：W=W k A=0.9751.640.9940=63.3204kN=633
15、20N q 1 =G/4/20.4=96N/m (竖直向下) q 2 =W/4/20.4=776N/m (垂直于光伏组件) NODE FX(N) FY(N) FZ(N) MX(Nm) MY(Nm) MZ(Nm) 1 -1681.1 932.34 -299.87 -93.698 -17.381 430.8 4 -1513.6 3881.2 -13.776 -13.954 -5.5859 234.41 11 804.35 -1269 252.25 -13.366 -10.193 0.40187 16 796.63 -1267.4 54.505 -9.0402 4.8536 6.80E-02 28 796.54 -1264.8 -6.7869 -4.4433 4.8698 0.14668 39 797.23 -1266.2 13.673 -5.7481 4.3688 0.12007 （2） 恒载加雪载 单组方阵恒载：G7840N 单组方阵雪载：S=S k A=0.41.640.9940=25.9776kN=26000N q=S/4/20.4=318.35N/m 在 ANSYS 中建模计算结果如下：
