光伏支架基础设计中几个主要问题的分析

第 13 届中国光伏大会（ CPVC13 ）论文集175 光伏支架基础设计中几个主要问题的分析王 超（龙源（北京）太阳能技术有限公司，北京 100034）摘 要： 以地面光伏电站中的支架基础为研究对象，依据国家设计规范，对基础做定性和定量分析， 得到基础设计的控制条件、 经济性和安全性评价， 同时针对坡度较大场地的解决办法进行了论述，为光伏电站支架基础的设计具有参考意义。关键词： 独立基础；条形基础；桩基；控制条件；坡度1 引言在地面光伏电站，一般使用三种形式的的支架基础：独立基础、条形基础和桩基，但国内外对光伏支架基础设计的理论不明确，并且因此造成基础形式选用混乱，设计中或者因过于保守致工程造价大大增加，或者因过于激进致基础安全性降低。本文深入讨论了独立基础、条形基础和桩基的设计控制条件，支架和基础的连接形式，并分析了三种基础形式的经济性和设计原理，同时给出了在坡度较大时的基础高差控制方法。2 基础控制条件从施工工艺来看，独立基础和条形基础类似，都是先开挖基坑，浇筑混凝土，再回填土压实。独立基础因为自身重量较小，要利用回填土的重力作用抗倾覆，所以需要埋深较深；而条形基础本身重量较大，仅利用自身的重量作为配重就能满足抗倾覆要求，故埋深较浅，同时基础有一定埋深，让回填土起到抗侧滑的作用。由上所述，独立基础埋深较深不存在滑移问题，条形基础设置一定埋深，可以满足抗滑移要求，同时因支架及上部光伏电池板很轻，基底压力很小，独立基础和条形基础的基础尺寸不是地基承载力控制，所以风荷载下的倾覆破坏就是基础的控制因素。基础倾覆的表达形式有两种，《建筑抗震设计规范》 【 1】 4.2.4 条是要求基础底面与地基土之间脱离区（零应力区）面积不超过基础地面面积的 15%；《建筑地基基础设计规范》 【 2】 中对挡土墙的控制条件是抗倾覆力矩 /倾覆力矩 >1.6，两者相比较，《建筑抗震设计规范》 【 1】 对基础的要求较高。鉴于支架基础与建筑基础相比无人身安全因素，故我们推荐采用相对要求较松的《建筑地基基础设计规范》 【 2】 作为支架基础的控制条件。现在常用的桩基是钢桩，已经有大量的厂家成批生产钢桩。从施工过程来看，钢桩与独立基础和条形基础明显不同，是用打桩设备将钢桩打入密实性较好的土中，利用土的嵌固作用承担水平力的作用。因为钢桩利用了土的嵌固作用，水平力下的倾覆不再起控制作用， 抗拔是桩基的主要控制因素。 《建筑桩基技术规范》 【 3】 5.4.5 条群桩基础非整体第 13 届中国光伏大会（ CPVC13 ）论文集176 破坏时 / 2k uk gpN T G≤ + ，即基桩拔力不大于抗拔承载力特征值和桩自重之和。除上述受力分析的控制因素外，条形基础因其埋深较浅，在东西向坡度较大的场地以及埋深不满足场地设计冻深的情况下不适用。对桩基，土质疏松形不成对钢桩的嵌固作用或者地基下有卵石层钢桩施工困难时不适用。3 支架模型我们以某项目的电站设计为例，做一组设计分析。某项目电站场地条件及电池排列情况：基本风压 0.4kPa，场地为细沙土，标准冻深0.88m， 地基承载力特征值 120kPa； 电池板采用 4（横向） × 10（纵向）排列，电池板尺寸为 1.64m（纵向） × 0.992m（横向），基础和支架每隔两块电池板设置一组，电池板和檩条通过螺栓连接，檩条和支架通过螺栓连接，边缘处檩条与一块电池板相连，中间檩条与两块电池板相连。支架倾斜角度为 30° 。计算檩条作用在支架上的力边缘处檩条：0.4 3.32 0.99/ 2 1.4 1.17 1.08kN× × × × =中部檩条：0.4 3.32 0.99 1.4 1.17 2.16k N× × × × =风荷载作用在檩条上可能有压力和吸力两种工况，考虑到压力与吸力作用下水平力只是方向不同，而压力对基础的作用为压力，吸力对基础的作用为拉力，对基础倾覆不利，故我们只讨论风吸力作用下的模型。通过比较分析，固结模型和铰接模型相比，水平力和竖向力相差不多，差别是固结模型的柱端存在 0.99 k mN ? 的弯矩，考虑弯矩对基础不利，且对于条形基础，固结模型两支座竖向力差距更大，对基础更不利，故我们采用铰接模型。故基础柱脚可以简单处理。铰接模型（ the model of pin connection ）固接模型（ the model of rigid connection ）铰接模型结果（ the reselt of pin connection model）刚接模型结果（ the reselt of rigid connection model）图 1 模型及计算结果4 基础计算利用上述支架的铰接模型，我们分别采第 13 届中国光伏大会（ CPVC13 ）论文集177 用独立基础、条形基础、桩基计算分析，讨论这三种基础的适用性。上部支架重量作为安全储备，在计算中不予考虑。首先考虑独立基础和条形基础的埋深要求。根据此项目的地勘报告， 在 0~6m 内为细砂土，《建筑地基基础设计规范》 【 2】 附录 G注 6， 细砂土可视为不冻胀， 埋深不受冻胀控制可满足设计要求。4.1 独立基础对于独立基础，水平力和上拔力越大，对基础越不利，故可以偏安全地统一选用后支腿上的作用力 V=2.72kN,F=4.91 kN 。采 用 基 础 埋 深 0.9m ， 基 础 大 小 选 择a× b=0.6m× 1.3m， 基础高度选用 0.15m 满足冲切要求，在基础顶做一短柱出地面 0.3m 与支架连接，如图所示。图 2 独立基础示意由《建筑地基基础设计规范》 5.2.2 20 0.9 0.6 1.3 14.04kG kN= × × × =2.72 (0.3 0.9) 3.26M Vh kN m= = × + = ?3.26 0.357 /6 0.2214.04 4.91Me m b mG F= = = > =- -( ) 1.32 1.82 1.62 2 0.357bG FbM e- ×= = = = >×抗倾覆力矩 满足！倾覆力矩此 时 零 应 力 区 面 积 占 总 面 积 的3( / 2 ) 3 0.357 1.3/2 32.5%1.3b b eb- - × -= =为方便比较， 我们测算 20MWp 装机容量的基础的造价见表 1。表 1 独立基础造价估计支架套数 /套 2160 基础个数 /个 25920 混凝土 /m3 4734 垫层 /m3 1270 土方开挖 /m 3 200866 土方回填 /m 3 194862 钢筋 /t 447 模板 /㎡ 6721 总价 /万元 1167 单价 /元每 w 0.584 4.2 条形基础对于条形基础，基础底部弯矩是由水平力之和和竖向力之差引起。采用基础对称布置和不对称布置两种方式来讨论设计原则。4.2.1 对称布置采用基础埋深 0.3m，基础宽度 0.25m，长度 3.3m 并基础在长度方向上对称布置，基础 出 地 面 高 度 0.3m ， 基 础 总 高 度0.3+0.3=0.6m， ,如图所示。图 3 条形基础对称布置示意V=2.72+2.24=4.96kN1F =2.17kN 2F =4.91kN25 0.25 0.6 3.3 12.38kG kN= × × × =基 础 对 称 布 置 ， 左 力 臂 L1= 右 力 臂L2=2.5/2=1.25m 第 13 届中国光伏大会（ CPVC13 ）论文集178 2 1 2 2 4.911.252.171.254.960.6 6.4M FL FL Vh kNm= - + = × - × + × = ?1 26.4 1.2 / 6 0.55F F 12.38 2.17 4.91Me m b mG= = = > =- - - -( ) 3.321.375 1.62 2 1.2bG FbM e- ×= = = = =- - - -( ) 3.32 2.06 1.62 2 0.8bG FbM e- ×= = = = >×抗倾覆力矩 满足！倾覆力矩此 时 零 应 力 区 面 积 占 总 面 积 的3( / 2 ) 3 0.8 3.3/2 22%3.3b b eb- - × -= =表 2 条形基础概算支架套数 /套 2160 基础个数 /个 12960 混凝土 /m3 6415 垫层 /m3 771 土方开挖 /m3 13608 土方回填 /m3 6422 钢筋 /t 513 模板 /㎡ 8554 总价 /万元 801.5 单价 /元每 w 0.4 可见， 在偏心配置下， 0.25m× 0.6m× 3.3m条形基础比 0.6m× 1.3m 独立基础的安全性更高， 我们同样测算 20MWp 装机容量的基础的造价， 见表 2， 20MWp 的装机共节省投资 366万，单位造价节省 0.184 元 /w。4.3 桩基对于桩基，嵌固如果满足要求，水平力和弯矩的作用可以认为由土承担，上拔力起控制作用 ,钢桩重量忽略不计。《建筑桩基技术规范》 【 3】（ 5.4.5） （ 5.4.6）0.5λ = 20q kPa= 0.3d m=0.94u d mπ= =桩打入土中深度 =1.3l m0.5 20 0.94 1 9.42uk i sik i iT q ul kNλ= = × × × =∑4.91 / 2 12.25/ 2 6.125k uk gpN kN T G kN= ≤ + = =可见，在嵌固满足的前提下，钢桩较容易满足设计要求。在现在钢桩的市场报价约为 0.6 元 /w， 价格较高，并且受场地因素影响过大，实际的嵌固条件无法保证，故不推荐使用桩基。但在某些施工难度大的湿陷性黄土地区，或者设计冻深较深的地区，可以考虑采用钢桩或其他桩基。第 13 届中国光伏大会（ CPVC13 ）论文集179 5 基础标高问题因光伏电站场地较大，我们通常按照场地的天然地势随坡平整，也就是说场地平整不会改变场地的整体坡度，那就不可避免在某些区域坡度较大，我们对相邻支架基础高差的一般处理方法是根据冬至日地方太阳时9:00~15:00 是否阴影遮挡来设置支架的间距和允许高差，设置高差允许值较小可以增加发电量，但施工难度增大，涉及的土石方工程量增大，施工工期加长；将高差允许值加大，施工难度降低，但发电量减小，如何设置高差是一个重要问题。同样以某工程为例，其中一块南北方向长度为 90m 的容量 1MW 区域南高北低，相邻南北向支架中心间距为 10m， 坡度约为 5%左右，若将南北基础高差控制在 300mm，则需通过坡平将平均坡度调至 3%， 即保持北部场地标高不变，从北向南将自然标高降低，最终在场地南部会比与其他区域接壤的位置高出 1.8m，需要设置挡土墙处理，工程造价增加而且非常不美观，且影响道路的设计。通 过 软 件 PVsyst 测 算 , 南 北 方 向 高 差 为300mm、 400mm、 500mm 在冬至日早上九点至下午三点均无阴影遮挡；南北方向高差为300mm、 400mm、 500mm 的年发电量分别为1933286kwh、 1932190 kwh、 1930846 kwh，以 1 元的上网电价、 25 年的使用期计算，400mm、 500mm 的高差相比 300mm 的高差25 年累计经济损失分别为 2.74 万元、 6.1 万元， 故可选择将南北相邻支架高差为 500mm，无需增加任何工程量。故可以根据场地的坡度划分区域，设置不同的支架基础的高差允许值，从而降低施工难度，缩短工期，同时对发电量影响很小。6 结论1、独立基础、条形基础是倾覆控制，桩基是抗拔控制。2、柱脚采用简单的铰接形式即可3、为满足倾覆的控制要求，条形基础采用不对称布置的方法。4、三种基础相比较，条形基础的价格最低，且受力性能更稳定，设计条件满足时建议优先选用。5、在坡度较大的区域，将高差允许值适当放大，可降低施工难度，缩短工期，对发电量影响很小。参考文献[1] 建筑抗震设计规范（ GB50011-2010）（ Code for seismic design of buildings）[2]建筑地基基础设计规范 （ GB50007-2002）(Code for design of building foundation）[3] 建 筑 桩 基 技 术 规 范 (JGJ94-2008) (Technical code for building pile foundation）