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光伏钢结构支架的风荷载时程响应分析(一)

2017/9/8    来源:互联网    作者:袁涛  刘善亮  王士刚      
关键字:光伏钢结构  时程分析  有限元  
本文通过MATLAB程序对Davenport谱模拟计算得到风载时程,然后作用在光伏钢结构支架上进行有限元计算,研究支架结构的动态响应。

    0 引言

    目前在我国光伏行业中,对于大型的钢结构还没有足够有效的分析与设计方法,大多是直接引进国外温室大棚和光伏钢结构。大型光伏发电系统的钢支架系统属于重要建筑工程,一旦出现事故,后果严重,作为光伏组件的重要支承部件,光伏钢结构对于保证光伏发电设备的正常、安全运行起着至关重要的作用。因此,有必要使用有限元方法对光伏钢结构进行计算研究。

    1 光伏钢结构支架有限元模型

    光伏支架钢结构主要由主钢柱组焊件、斜梁组焊件、斜撑、檩条、电池组件等构件组成。主钢柱组焊件底部固定在地基上,顶部与斜梁组焊件使用螺栓紧固连接,同时主钢柱两侧使用圆形钢管斜撑与斜梁连接,起固定支撑作用。檩条与斜梁顶部的支撑板通过螺栓紧固连接,电池组件通过压块和螺栓作用固定在檩条上,主体结构如图1所示。

    光伏大棚属于大跨度结构,对主体结构采用片体方式。模型中考虑肋板、支撑板等影响刚度和强度的构件,忽略螺栓和焊接结构的影响,有限元分析中主要使用BEAM188单元和SHELL181单元分析。

    1

    主钢柱、斜梁、檩条材料为Q235,材料性能如下表1所示。

    表1 主要构件参数

    2

    2 脉动风压谱计算

    2.1 时程分析方法概述

    结构的抗风分析方法一般可分为频率分析法和时域分析法两个方面。频域分析法虽然相对简单,但无法考虑作用于结构表面荷载的时间相关性影响,也无法较精确的进行非线性分析。而时域分析法可以考虑到自然风的时间相关性和结构的非线性影响,因此对于大跨度结构进行动态风载分析应该使用时域分析法。

    2.2 近地风的特征

    光伏大棚一般位于近地湍流层,湍流层的风包括平均风和脉动风。平均风周期较长,一般为10分钟以上。由于平均风的周期远远大于一般结构的自振周期,对结构的作用相当于静力作用。脉动风是风中周期较短的部分,一般只有几秒到几十秒,是由于风的不规则性引起的,属于随机的动力荷载,由于脉动风的作用光伏支架钢结构产生风振响应。

    由于空间各位置的风速、风向并不完全同步,并且光伏大棚迎风面积较大,因此光伏支架钢结构的风振响应还必须考虑脉动风的空间相关性。

    结构上任意一点任意t时刻的风速向量由平均风速和脉动风速两部分组成的:

    3

    这里向量v(z,t)中的所有元素具有相同的谱,且具有一定的空间相关性。

    2.3 风荷载动态响应分析思路

    进行脉动风作用下的结构动力分析,必须先获取脉动风速谱。脉动风速谱是描述湍流风的谱特性,风工程中较普遍采用的是Davenport谱。本文采用线性滤波法的自回归(AR)模型对Davenport谱模拟得到风速时程曲线,进而转换得到风压谱,然后作用于光伏支架钢结构,进行动态风荷载响应分析。

    2.4 脉动风速谱的模拟及风压转换

    2.4.1 Davenport脉动风速谱

    Davenport脉动风速谱的表达式如下:

    4

    作用在光伏大棚结构上的风荷载主要集中在电池组件上,直接作用在其它钢结构上的风荷载相对非常小,可以忽略不计。计算模型为十跨支架结构,电池组件数目太多,计算每一块电池组件位置的风速谱太多复杂,因此计算每一跨中间电池板位置的风速谱作为相应跨区域的风速谱,共计十组。

    风向为北向,通过编制Matlab计算程序,获取电池组件所在高度不同位置的风速谱。计算参数如下表2。

    表2 风速时程模拟主要参数

    5

    2.4.2 风速谱曲线

    通过编制的Matlab计算程序,得到电池组件所在高度不同跨度位置的风速谱如图3-图5所示。

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    图5 七、八、九、十组风速谱

责任编辑:张纯子
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