光伏支架U型钢构件受力性能影响研究

光伏支架U型钢构件受力性能影响研究

黄超辉  唐华春  王平锋

湖南红太阳新能源科技有限公司  湖南长沙 410221

摘要：以光伏支架U型钢梁为研究背景，应用有限元分析软件ABAQUS对U型钢构件进行静力载荷试验，对比了不同安装角度的情况，U型钢构件受荷的响应情况。结果表明，开口向上0°安装工况为不利工况，一定倾角的安装方式有利于材料的充分利用；U型钢无卷边会导致构件产生水平挠度和扭转变形，增设侧板卷边对提高构件刚度有利。

关键词：光伏支架，U型钢构件，薄壁型钢，有限元分析

0前言

U型钢薄壁型钢为目前光伏支架构件的主要型材，常见应用于混凝土屋面支架立柱和斜梁，生产厂采用钢带进行成型、切割及防腐处理后，运至项目现场进行安装。为方便现场安装，在U型钢腹板面开排孔，同时为增强两侧的翼缘的稳定性，在翼缘增加一部分卷边，构件截面型号为41*41*2.0（见图1），构件的图片见图2。

图1 构件断面尺寸        图2 构件安装图

现场常见的安装方式有开口朝上和开口朝下安装，采用开口朝上安装，施加竖向荷载时主要由背面受拉，侧边及卷边部分受压；采用开口朝下安装，侧边和卷边主要受拉，背面受压。

鉴于U型钢构件安装的便利性，本文应用有限元分析软件建立开口向上安装方式的构件计算模型，在相同作用荷载的前提下，调整U型钢构件的安装角度，用于分析在不同安装角度的情况下U型钢构件的应力及位移情况，同时对U型钢构件的破坏状态进行分析。

1有限元模型

本静力模拟试验的采用三维实体单元建立简化计算分析模型，模型为U型钢简支钢梁，钢构件的弹性模量为200GPa，采用双折线模型［1］。采用静力加载分析步，钢梁两端采用铰接支座，荷载作用与翼缘上方，采用逐级加载方式进行加载。网格划分采用C3D8R单元网格进行划分，网格划分后的模型如图3。

图3 构件网格

本模型的荷载采用均布线荷载，按照安装角度为0°,15°，30°及45°作为四种分析工况，分解为垂直于斜梁开口截面和垂直于开口截面两个方向的均布荷载，具体数据如下表：

2应力分析结果

经过模型计算，U型钢背面和侧面的应力结果如图4。从应力云图能看出，0°安装时，U型钢背面主要受拉，由于应力集中，应力最大处出现在开孔处两侧。随着安装角度增加，截面的弯矩最大处逐渐下移至背面与侧面的相交处，由于该处无开孔引起截面削弱，应力会减小。

从分析结果能看出，0°开口向上安装为不利安装工况，因背面受拉会在U形排孔两侧形成应力集中，在弯矩最大处容易出现受拉破坏。

图4 U型钢应力云图

3变形分析结果

经过模型计算，U型钢背面和侧面的变形结果如图5。从位移云图能看出，0°安装时，跨中由于弯矩较大，由荷载产生的效应导致的位移也较明显，主要为Y向的位移；随着安装角度的增加，荷载作用于侧板的荷载分量增加，导致侧板的变形逐步增加，相同点为变形最大处都出现在侧板开口处。由于该模型为简化模型，暂不考虑侧板卷边的作用，由于垂直于侧板荷载的作用，U型钢产生了绕3轴的扭转。

从构件变形的结果进一步分析可得，0°安装时构件的变形主要由于弯矩作用产出的竖向挠度，随着安装角度的增加，U型钢同时产生竖向挠度和水平挠度，且产生扭转变形。

图5 构件变形云图

4主要结论及建议

（1）主要结论

U型钢0°安装工况为不利工况，在U形排孔两侧会出现应力集中现象，随着角度增加，最大弯矩下移至侧板与背面的相交处，减小构件的最大应力。

U型钢0°安装工况主要产生竖向挠度，随着角度增加，同时产生水平和竖向挠度，同时还由扭转变形。

（2）建议

从分析结果能看出，由于背面U形排孔的存在，当构件出现承受较大弯矩的情况，背面由于存在排孔对截面的削弱，在排孔两侧会出现应力突变进而形成应力集中区域，容易出现应力集中的现象。工程应用中，应尽量避免采用U型钢背面受拉的安装方式；另外，由于垂直于侧板的荷载分量存在，导致U型钢截面变形情况较为复杂，在侧板增设卷边能有效增加侧板的刚度。

参考文献

［1］ 朱丽丽． ABAQUS 显式分析梁单元的混凝土、钢筋本构模型研

究［D］．沈阳:沈阳建筑大学，2013．