光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計要點(上)

　　一、結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則

　　1.1光伏面板的結(jié)構(gòu)可按下列方式分為兩類：
　　 (1)分離式光伏面板: 只具有發(fā)電功能，不作為圍護結(jié)構(gòu)的面板；建筑需要圍護功能時須另設(shè)密封的采光頂或幕墻。這種面板要設(shè)單獨的支架，支架連接在主體結(jié)構(gòu)上（圖1）。因此這種光伏建筑是一體化設(shè)計，兩層皮。

　　 (2)合一式光伏面板：既具有發(fā)電功能，同時又是采光頂或幕墻的面板。又稱為建材式光伏面板。由于發(fā)電和建筑功能合一，因此建筑外皮只需一套面板，一套支承（圖2）。這種光伏建筑是一體化設(shè)計，一層皮。

圖1分離式面板系統(tǒng)

圖2合一式面板系統(tǒng)

　　合一式光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與普通玻璃幕墻和采光頂大體相同，可以套用玻璃幕墻和采光頂?shù)脑O(shè)計方法；分離式光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在普通玻璃幕墻和采光頂?shù)耐鈧?cè)另外附加了一個單獨的結(jié)構(gòu)，工作性質(zhì)又不同于一般的幕墻和采光頂，必須進行專門的設(shè)計。

　　1.2光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)具有規(guī)定的承載能力、剛度、穩(wěn)定性和變形能力。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限不應(yīng)小于25年。預(yù)埋件屬于難以更換的部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限宜按50年考慮。大跨度支承鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)相同。

　　1.3光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是：在正常使用狀態(tài)下應(yīng)具有良好的工作性能。抗震設(shè)計的光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在多遇地震作用下應(yīng)能正常使用；在設(shè)防烈度地震作用下經(jīng)修理后應(yīng)仍可使用；在罕遇地震作用下支承骨架不應(yīng)倒塌或墜落。

　　2008年汶川大地震和2010年玉樹大地震表明，玻璃幕墻在強烈地震中完全可以達到只要主體結(jié)構(gòu)不倒，幕墻就不會破損的設(shè)計目標(biāo)（圖3、圖4）。

圖3 四川綿陽（9度）玻璃幕墻震后完好

圖4 玉樹機場（8度）幕墻玻璃完好，保證了及時救援

　　1.4非抗震設(shè)計的光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，應(yīng)計算重力荷載和風(fēng)荷載的效應(yīng)，必要時可計入溫度作用的效應(yīng)。

　　抗震設(shè)計的光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，應(yīng)計算重力荷載、風(fēng)荷載和地震作用的效應(yīng)，必要時可計入溫度作用的效應(yīng)。

　　1.5光伏結(jié)構(gòu)可按彈性方法分別計算施工階段和正常使用階段的作用效應(yīng)，并進行作用效應(yīng)的組合。

　　1.6光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)件和連接應(yīng)按各效應(yīng)組合中最不利組合進行設(shè)計。

　　1.7光伏結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接的承載力設(shè)計值不應(yīng)小于荷載和作用效應(yīng)的設(shè)計值。按荷載與作用標(biāo)準(zhǔn)值計算的撓度值不宜超過撓度的允許值。

　　二、荷載和作用

　　2.1光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)分別不同情況，考慮下列重力荷載：

　　(1)面板和支承結(jié)構(gòu)自重

　　(2)檢修荷載

　　(3)雪荷載

　　2.2光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的風(fēng)荷載，應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009 2006版本采用。設(shè)計時應(yīng)分別考慮：

　　(1)分離式光伏面板的風(fēng)荷載應(yīng)計入迎風(fēng)面風(fēng)荷載和背風(fēng)面風(fēng)荷載；

　　(2)支架的風(fēng)荷載應(yīng)計入面板傳來的風(fēng)荷載和支架直接承受的風(fēng)荷載；

　　(3)合一式面板系統(tǒng)應(yīng)分別采光頂和幕墻的風(fēng)荷載，按相應(yīng)規(guī)范采用。

　　2.3分離式光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)考慮突出屋面小結(jié)構(gòu)的地震力放大作用。必要時可將其作為獨立的質(zhì)點，連同主體結(jié)構(gòu)一起進行地震反應(yīng)分析。

　　屋面上的分離式光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有一定的質(zhì)量和剛度，相當(dāng)于一個小樓層，但是其質(zhì)量和剛度又遠小于主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度。放在屋面上的地震反應(yīng)要比放在地面上要強烈得多，稱之為鞭梢效應(yīng)。放在屋面上，地震力比放在地面上放大可達3~5倍，取決于它與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比和剛度比（圖5、圖6）。

圖5 光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在屋面上地震力放大

圖6 光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為第n個質(zhì)量參加整體地震反應(yīng)分析，求出地震力．地震反應(yīng)計算可按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50009的規(guī)定進行。

　　2.4合一式光伏結(jié)構(gòu)面板和支承結(jié)構(gòu)的地震力計算與一般玻璃幕墻相同，可按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102-2003 的規(guī)定進行。

　　2.5分離式光伏結(jié)構(gòu)的支架暴露于室外，應(yīng)考慮溫度作用的影響。必要時可進行鋼支架的溫度應(yīng)力計算（圖7、圖8）。

圖7 高雄世界運動會主會場分離式光伏系統(tǒng)

圖8 分離式光伏墻的露天鋼支架曲線形室外支架

　　2.6光伏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的荷載組合可按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102-2003 的規(guī)定進行。

　　光伏采光頂和斜墻的重力荷載會產(chǎn)生平面外方向的作用分力，它與風(fēng)荷載和地震力的作用相疊加，計算時應(yīng)注意。

　　重力荷載起控制作用的組合，重力荷載的分項系數(shù)應(yīng)取為1.35。

　　風(fēng)荷載起主要作用的組合，地震作用的組合值系數(shù)應(yīng)取為0.5。