光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PV_SAP是由北京筑信達工程咨詢有限公司研發(fā)的專門用于光伏支架設(shè)計的軟件。PV_SAP基于SAP2000有限元分析平臺定制化開發(fā)，適用于光伏支架結(jié)構(gòu)的建模、分析、設(shè)計、優(yōu)化和計算書輸出。建模部分通過軟件內(nèi)置的參數(shù)模板，實現(xiàn)支架形式定義、截面定義、荷載自動施加、自動生成SAP2000有限元分析模型。分析設(shè)計使用SAP2000軟件的分析與設(shè)計模塊，保證計算分析的準確性。PV_SAP支持鋼構(gòu)件設(shè)計和冷彎薄壁桿件設(shè)計。本文介紹光伏支架設(shè)計軟件的各個功能。
多種支架類型
光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（以下簡稱PV_SAP）可以實現(xiàn)單支柱、雙支柱雙斜撐、雙支柱單斜撐、跟蹤支架1P、跟蹤支架2P五種類型支架的建模與設(shè)計。光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PV_SAP的操作界面如圖1所示。軟件界面包括菜單區(qū)、導航欄、視圖區(qū)、狀態(tài)欄。
圖1 光伏支架設(shè)計軟件界面
圖2 光伏支架類型
高效建模工具
光伏支架有固定式光伏、跟蹤式光伏、柔性光伏支架等多種形式，其中固定式光伏支架和跟蹤式光伏支架形式固定，可以通過參數(shù)化方式建模。光伏支架結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件有鋼構(gòu)件和冷彎薄壁構(gòu)件兩種類型，在PV_SAP中支持多種類型截面的定義。整個建模過程中也做了一些自動化處理，提升建模效率。
1. 參數(shù)化建模
參數(shù)化建模根據(jù)支架形式輸入組件、支架、支點等信息，生成支架模型。生成的模型可以進行整體的編輯和調(diào)整。構(gòu)件的截面設(shè)置、支撐設(shè)置等通過參數(shù)化窗口進行管理，在編輯支架時更加的方便。建模窗口中提供多種視圖顯示支架結(jié)構(gòu)，分別為平面圖、立面圖和三維視圖。平面圖顯示是組件平面圖，可以查看組件的布置。
圖3 參數(shù)化建模窗口
2. 截面定義
截面形式有型鋼截面和冷彎薄壁桿件。在PV_SAP中可以定義標準的型鋼截面，冷彎薄壁桿件變化比較多，在PV_SAP中支持多種類型截面的定義。截面可以自定義，也內(nèi)置了型鋼截面庫，鋼構(gòu)件支持多國規(guī)范的型鋼庫，冷彎截面支持國標截面。
圖4 截面定義
軟件可以定義的冷彎截面形式如圖5所示，其中方鋼管、等邊角鋼、槽鋼、卷邊槽鋼、卷邊Z形鋼內(nèi)置了《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄中的截面，可以按照截面名稱進行導入。
圖5 冷彎薄壁桿件截面形式
3. 模型編輯
截面形式有型鋼截面和冷彎薄壁桿件。在PV_SAP中可以定義標準的型鋼截面，冷彎薄壁桿件變化比較多，在PV_SAP中支持多種類型截面的定義。截面可以自定義，也內(nèi)置了型鋼截面庫，鋼構(gòu)件支持多國規(guī)范的型鋼庫，冷彎截面支持國標截面。
4. 荷載定義與指定
光伏支架結(jié)構(gòu)中的主要荷載是組件荷載、風和雪荷載，組件荷載在參數(shù)話建模中進行指定，風和雪的參數(shù)在工程信息中進行輸入，荷載的具體計算是根據(jù)《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中的相關(guān)條文進行進行計算，并將荷載施加到檁條上，荷載的具體計算過程可以在計算書中查看，荷載值可以直接在軟件中查看。
圖6 荷載查看
5. 自動化處理
在建模過程中做了自動化處理，如桿件端部約束關(guān)系的指定、荷載組合自動生成、荷載自動計算等，同時也提供編輯窗口可以對其進行編輯。荷載組合根據(jù)規(guī)范自動生成，集成了新舊版本的規(guī)范。荷載組合支持編輯，可以在軟件中直接編輯，也可以導出為Excel文件進行編輯。
圖7 荷載組合
分析及結(jié)果查看
建模完成后，調(diào)用SAP2000軟件生成模型，并進行分析與設(shè)計，生成的SAP2000模型是一個單獨的文件，分析完成后，可以在SAP2000中查看分析結(jié)果，也可以直接光伏支架軟件中查看分析結(jié)果，包括分析內(nèi)力、變形、撓度等結(jié)果。
圖8 SAP2000模型內(nèi)力顯示
光伏支架結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力，可以選擇內(nèi)力包絡(luò)圖或者某個荷載組合顯示桿件的軸力、剪力、扭矩、彎矩值。
圖9 PV_SAP分析結(jié)果顯示
變形結(jié)果顯示光伏支架結(jié)構(gòu)變形圖，選擇某個荷載組合，顯示光伏支架的整體變形。
圖10 PV_SAP變形結(jié)果
完善的桿件設(shè)計
PV_SAP軟件可以進行鋼構(gòu)件設(shè)計和冷彎薄壁桿件設(shè)計，并支持構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。鋼構(gòu)件設(shè)計使用SAP2000的設(shè)計結(jié)果，冷彎構(gòu)件設(shè)計是根據(jù)SAP2000軟件分析的內(nèi)力結(jié)果，在PV_SAP中依據(jù)規(guī)范進行構(gòu)件的設(shè)計。設(shè)計完成后，可以查看各構(gòu)件的應力比結(jié)果。如圖12所示。
圖11 應力比
冷彎構(gòu)件的設(shè)計在PV_SAP中完成，顯示結(jié)果可以顯示應力比，也可以顯示冷彎構(gòu)件的設(shè)計過程。使用冷彎設(shè)計細節(jié)功能，可以查看單構(gòu)件在所有荷載情況下的強度設(shè)計結(jié)果和穩(wěn)定設(shè)計結(jié)果（圖12）。單擊設(shè)計過程，可以查看設(shè)計過程中使用的各項參數(shù)（圖13）。
圖12 冷彎構(gòu)件設(shè)計細節(jié)對話框
圖13 冷彎構(gòu)件設(shè)計過程
設(shè)計完成后，使用優(yōu)化設(shè)計功能對光伏支架進行桿件優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)設(shè)置的限定條件，選擇最優(yōu)的桿件截面（最優(yōu)截面是指滿足受力條件及應力比范圍的截面面積最小的桿件截面）。一根桿件的可選截面是指與該桿件指定的截面相同類型的所有截面的集合。例如，用戶指定了某支柱的截面為型鋼庫中的環(huán)形鋼管GB-SP180X8，則型鋼庫中的所有環(huán)形鋼管截面都是該支柱的可選截面；如果某個桿件的截面為自定義的箱型截面，則該桿件的可選截面為用戶自定義的所有箱型截面。
以某單支柱光伏支架為例，初選截面和優(yōu)化后的截面及相應應力比如下表。從表中可知：當初選截面偏大時，優(yōu)化后的截面會減小；反之則會增大；程序最終選到滿足要求的最小截面為止。下表中的斜梁和檁條，初選截面偏大，經(jīng)過優(yōu)化后，得到應力比為0.8的優(yōu)化截面。對于下表中的柱斜撐，初選截面為C12，長細比不滿足限值要求，優(yōu)化后程序按照最小長細比限值要求(1/120)確定合理截面C14a。對于下表中的支柱，初選截面為P127x7，計算后發(fā)現(xiàn)其受力較小，為長細比控制；程序最終優(yōu)化的截面也是滿足長細比要求限值(1/150)的截面P121x4。
表1 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果
a）優(yōu)化前設(shè)計結(jié)果 |
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b）優(yōu)化后設(shè)計結(jié)果 |
圖14 桿件優(yōu)化
詳細的計算書
計算書部分可以設(shè)置輸出的計算內(nèi)容，在輸出冷彎構(gòu)件的設(shè)計結(jié)果時，可以按照表格方式輸出，也支持設(shè)計過程輸出。如圖15所示。在計算書中，也輸出了荷載簡圖和內(nèi)力簡圖。
圖15 計算書設(shè)置選項
圖16 荷載簡圖和內(nèi)力簡圖輸出