來(lái)源：小樹(shù)洞談光伏支架

引導(dǎo)語(yǔ)

目錄：

1. 美標(biāo)系數(shù)用于國(guó)標(biāo)計(jì)算

2. 風(fēng)壓重新期的選擇

3.?風(fēng)荷載計(jì)算綱要

4.?屋頂風(fēng)區(qū)劃分

5. 邊緣系數(shù)

6.?有效面積的概念

7. 女兒墻系數(shù)

8. 弦長(zhǎng)系數(shù)

9.?負(fù)重塊的計(jì)算

? ? ? ?SEAOC PV2的計(jì)算是基于美標(biāo)ASCE 7的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)，ASCE 7采用的基本風(fēng)壓為3秒瞬時(shí)風(fēng)壓，我們知道國(guó)標(biāo)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)GB 50009采用的基本風(fēng)壓為10分鐘平均風(fēng)壓。那么基于美標(biāo)的屋頂光伏支架計(jì)算是否可以用于國(guó)標(biāo)呢？

? ? ? ?風(fēng)荷載本身具有兩種屬性，“平均風(fēng)壓”以及“脈動(dòng)風(fēng)壓”。意味著作用在建筑物上的風(fēng)荷載在長(zhǎng)期情況下可以看為一個(gè)定值的平均荷載，而在短期情況下為一種“忽大忽小”的脈動(dòng)荷載。

?陣風(fēng)系數(shù)的計(jì)算圖例

? ? ? ?我們?cè)谠O(shè)計(jì)建筑物強(qiáng)度時(shí)，必須考慮“忽大忽小”的脈動(dòng)荷載，因此不管是國(guó)標(biāo)還是美標(biāo)，所有標(biāo)準(zhǔn)的最終風(fēng)壓都會(huì)乘上一個(gè)系數(shù)，使平均風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)風(fēng)壓。這部分內(nèi)容可以參考小樹(shù)洞之前的文章：臺(tái)風(fēng)區(qū)光伏支架“翻肚皮”| 陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)取1.0？大錯(cuò)特錯(cuò)！

?陣風(fēng)系數(shù)隨高度的增加而遞減(來(lái)源：WMO)

? ? ? ?而國(guó)標(biāo)采用的就是陣風(fēng)系數(shù)（或風(fēng)振系數(shù)）來(lái)將10分鐘平均風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為3秒瞬時(shí)風(fēng)壓，這就剛好與美標(biāo)相一致，因此我們完全可以采用國(guó)標(biāo)的“風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值”，結(jié)合美標(biāo)提供的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行光伏支架設(shè)計(jì)。國(guó)標(biāo)和美標(biāo)也就能夠“完美結(jié)合”了。

? ? ? ?我們?cè)谶x擇當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)風(fēng)速的時(shí)候，往往要考慮一個(gè)概念，也就是“重現(xiàn)期”。重現(xiàn)期指的是這種風(fēng)速在每年出現(xiàn)的概率，比如50年一遇的意思就是：每年出現(xiàn)的概率是2%。很顯然，重現(xiàn)期越大，風(fēng)災(zāi)出現(xiàn)的概率就越低，我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)就越安全。

? ? ? ?而“重現(xiàn)期”不僅與安全有關(guān)，還影響經(jīng)濟(jì)性。利用過(guò)高的重現(xiàn)期，雖然會(huì)帶來(lái)足夠的安全性，但是卻超過(guò)了其本身的價(jià)值。當(dāng)然，如果你賊有錢，非要用千年一遇的風(fēng)速來(lái)設(shè)計(jì)你家院子外面的茅房，別人也管不了。

重現(xiàn)期的選擇，歸根結(jié)底就是考慮結(jié)構(gòu)本身在人們心中的重要性，簡(jiǎn)單的一句話表示：

“結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞后，

對(duì)人身和經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的影響越大，

那么需要的重現(xiàn)期則越高。”

? ? ? ?對(duì)于安裝在地面上的光伏支架，因?yàn)椴恍枰藖?lái)值守，所以即使被恐怖分子用RPG給炸了，也不會(huì)對(duì)人身造成什么影響。因此它們的重現(xiàn)期往往與設(shè)計(jì)使用壽命相掛鉤。25年的設(shè)計(jì)使用壽命，重現(xiàn)期也可以采用25年。

? ? ? ?對(duì)于安裝在屋頂上的光伏支架，由于其安裝的位置時(shí)常有人類活動(dòng)，萬(wàn)一屋頂支架被破壞，輕則砸傷人，重則出現(xiàn)短路火災(zāi)，造成重大人員傷亡。所以屋頂光伏支架選擇的重現(xiàn)期，需要和這個(gè)屋頂建筑采用的重現(xiàn)期相一致。按照50年一遇設(shè)計(jì)的屋頂本體建筑，其上安裝的光伏支架“風(fēng)荷載重現(xiàn)期”也需要50年一遇。

?白宮的屋頂支架重現(xiàn)期得多高？

? ? ? ?上一篇文章，本洞介紹了國(guó)際上針對(duì)屋頂光伏支架的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，SEAOC PV2。這本資料給分享了很多屋頂風(fēng)荷載的知識(shí)，更重要的是它提供了一套完整的屋頂光伏支架風(fēng)荷載計(jì)算的法則。

? ? ? ?屋頂光伏支架的風(fēng)荷載計(jì)算，總結(jié)一下就是采用各種不同系數(shù)，來(lái)評(píng)估不同建筑結(jié)構(gòu)對(duì)支架風(fēng)荷載的定量影響。

?屋頂支架風(fēng)荷載計(jì)算公式拆解

當(dāng)然，每一個(gè)系數(shù)的背后，都包含了其對(duì)應(yīng)的實(shí)際意義和選擇邏輯。

氣流在流經(jīng)屋面后會(huì)形成渦流，渦流對(duì)屋頂不同位置的風(fēng)壓影響不同。因此屋頂?shù)娘L(fēng)壓就被劃分成了三個(gè)區(qū)域：

• 1.內(nèi)區(qū)，位于角區(qū)和邊區(qū)包圍的地方，風(fēng)壓最低

• 2.邊區(qū)，位于屋頂?shù)乃臈l邊緣，風(fēng)壓中等

• 3.角區(qū)，位于屋頂?shù)乃膫€(gè)角落，風(fēng)壓最大

?屋頂?shù)?個(gè)風(fēng)區(qū)與建筑物高度的關(guān)系

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? ? ? ?熟悉小樹(shù)洞之前文章的朋友應(yīng)該有所了解，光伏跟蹤器的設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)其在排布中的位置，分為內(nèi)圍和外圍不同類型的結(jié)構(gòu)。內(nèi)圍結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿酵鈬Y(jié)構(gòu)的風(fēng)遮擋效應(yīng)，因此內(nèi)圍的風(fēng)荷載會(huì)遠(yuǎn)小于外圍。其實(shí)屋頂光伏支架也是同樣的道理。

屋頂光伏支架按照其所處的位置分為：

• 外圍：遠(yuǎn)離屋緣以及其他支架，風(fēng)壓較大

• 內(nèi)圍：離屋緣比較近，或者其四周被外圍支架包圍，風(fēng)壓較小。

?屋頂光伏支架的內(nèi)外圍定義

對(duì)于這種內(nèi)外圍的屋頂支架設(shè)計(jì)，我們采用一個(gè)“邊緣系數(shù)”來(lái)表征：

• 外圍支架的邊緣系數(shù)=1.5

• 內(nèi)圍支架的邊緣系數(shù)=1.0

綜上，根據(jù)3種風(fēng)區(qū)，以及內(nèi)圍和外圍，屋頂支架就分為了6種情況：

• 1.角區(qū)外圍

• 2.角區(qū)內(nèi)圍

• 3.邊區(qū)外圍

• 4.邊區(qū)內(nèi)圍

• 5.內(nèi)區(qū)外圍

• 6.內(nèi)區(qū)內(nèi)圍

?屋頂光伏支架的6種風(fēng)區(qū)情況

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? ? ? ? 前面談到，風(fēng)本身是一種流體，流體在流過(guò)物體的時(shí)候會(huì)在物體表面形成壓強(qiáng)。但是由于氣流湍流的變化效應(yīng)，在瞬時(shí)這種表面上的壓強(qiáng)并不是均布的。比如組件上的風(fēng)壓會(huì)“忽大忽小”，而相鄰組件的風(fēng)壓在同一時(shí)刻也不一定相同。

?支架上受到的風(fēng)壓并不是時(shí)刻均值的

相鄰之間的區(qū)域風(fēng)壓也不會(huì)相同

(來(lái)源：CPP組件風(fēng)壓時(shí)程圖)

? ? ? ?我們?cè)谠O(shè)計(jì)組件的時(shí)候，要考慮在組件這樣大小面積上的最大風(fēng)壓，而我們?cè)谠O(shè)計(jì)單跨支架時(shí)，就要考慮在單跨這樣大小面積上會(huì)出現(xiàn)的最大風(fēng)壓，顯然這兩個(gè)最大風(fēng)壓所針對(duì)的面積是不同的，風(fēng)壓也不一樣。這種對(duì)應(yīng)于零部件的面積稱為“有效面積”。

?組件的“有效面積”比單跨小

因此組件的“最大風(fēng)壓”比單跨大

這其實(shí)就是一種概率統(tǒng)計(jì)分布，有效面積越大，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓就越低，體型系數(shù)就越小。

?支架體型系數(shù)圖

有效面積越大，體型系數(shù)越小

(來(lái)源：ASCE 7-16)

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? ? ? ?一般屋頂四周都會(huì)建有女兒墻，很多人認(rèn)為女兒墻會(huì)減少屋頂支架的風(fēng)荷載，然而真實(shí)情況卻恰恰相反，科學(xué)家們通過(guò)大量的風(fēng)洞測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，很多女兒墻設(shè)計(jì)實(shí)際上會(huì)使屋頂?shù)娘L(fēng)荷載變得更大，尤其是在比較寬的建筑物上。

? ? ? ? 這是因?yàn)榕畠簤μЦ吡藴u流的高度，并且把這些渦流匯集在了一起，從而加強(qiáng)了渦流的強(qiáng)度，增大了其帶來(lái)的上揚(yáng)力。根據(jù)風(fēng)洞測(cè)試的結(jié)論看，有女兒墻的屋頂部分區(qū)域，其支架風(fēng)荷載甚至比沒(méi)有女兒墻要大60%。

?風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果表明

女兒墻越高，風(fēng)壓系數(shù)越大

(來(lái)源：RWDI)

?不同女兒墻高度的系數(shù)

與沒(méi)有女兒墻的系數(shù)之比

(來(lái)源：RWDI)

? ? ? ? 我們可以從上圖中發(fā)現(xiàn)，在大部分情況下，有女兒墻的風(fēng)壓系數(shù)比沒(méi)有女兒墻的都要高（ratio大于1.0）。因此，在計(jì)算屋頂支架風(fēng)荷載時(shí)，我們引入一個(gè)“女兒墻系數(shù)”來(lái)表征女兒墻所帶來(lái)的影響。

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? ? ? ?支架的弦長(zhǎng)為支架風(fēng)荷載的特征長(zhǎng)度，對(duì)于一塊豎裝的支架來(lái)說(shuō)，弦長(zhǎng)就為組件的長(zhǎng)度尺寸，而對(duì)于一塊橫裝的情況，弦長(zhǎng)就為組件的寬度。支架的弦長(zhǎng)越長(zhǎng)，由于其發(fā)生的湍流渦流尺度變大，對(duì)于這種弦長(zhǎng)的體型系數(shù)就會(huì)增大，反之亦然。由此可知，對(duì)于傾角較大的屋頂支架，橫裝比豎裝更優(yōu)。

?支架弦長(zhǎng)為其特征程度

一般為與正面風(fēng)向垂直的尺寸

?支架體型系數(shù)不是一成不變的

它會(huì)隨著弦長(zhǎng)的變長(zhǎng)而變大

? ? ? ?屋頂光伏支架經(jīng)常會(huì)采用“負(fù)重塊”來(lái)作為其基礎(chǔ)。盡管負(fù)重塊看起來(lái)是一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的水泥塊，但是其背后的使用和計(jì)算邏輯還是比較復(fù)雜的。

由于大部分屋頂支架都帶有一定的傾角，當(dāng)風(fēng)荷載作用到支架上后，會(huì)對(duì)負(fù)重塊產(chǎn)生兩種力：

• 豎直上揚(yáng)力，由負(fù)重塊的自重力抵抗
  

• 側(cè)向滑移力，由負(fù)重塊的摩擦力抵抗

?負(fù)重塊的受力分析

? ? ? ? 雖然上揚(yáng)力和側(cè)向力，都是由同一個(gè)荷載所產(chǎn)生的，但是支架抵抗這兩種力的情況卻有所不同，原因就是支架的“剛性”。

? ? ? ? 對(duì)于側(cè)向力來(lái)說(shuō)，由于抵抗側(cè)向力的支架剛性較強(qiáng)，所有在支架上的負(fù)重塊都會(huì)參與和分享這個(gè)側(cè)向力，因此由于側(cè)向滑移力導(dǎo)致失效的概率比較低。

? ? ? ?對(duì)于上揚(yáng)力而言，支架的剛性則尤為關(guān)鍵了，支架剛性越強(qiáng)，相鄰負(fù)重塊之間的“共享荷載”能力就越強(qiáng)，相應(yīng)的能抵抗的風(fēng)壓上揚(yáng)力就越大。

?支架相互之間進(jìn)行連接

可以增加支架剛性，提高抗風(fēng)能力

? ? ? ?因此，很多屋頂支架都采用“連接導(dǎo)軌”的設(shè)計(jì)，讓支架之間連接在一起，這樣就大大的增強(qiáng)了支架之間的剛性，從而可以有效減少負(fù)重塊的數(shù)量和重量。

?支架前后排相互連接

(來(lái)源：K2)