螺旋桩光伏支架技术的案例论证

沈剑峰

摘要:从2010年以来国内大型太阳能光伏电站新能源的迅速发展,如何更广泛更高效的建设光伏成为业内光伏人士主流的话题，光伏电站需要大量的闲置未开发的土地资源，有山坡、戈壁滩、平原、水库等等，为了能过全方面合理利用土地资源，针对不同地形的土质结构，除了常规使用的灌注桩、预应力管桩外还需要考虑运用各种新型的钢制螺旋基础桩.

关键词:太阳能、土地资源、土质结构、钢制螺旋基础桩

1技术背景

钢制螺旋基础桩就是一种新型的光伏支架基础桩，钢制螺旋基础桩也呈多样性发展,它以施工快捷,经济适宜,质量保证稳定、受到光伏行业青睐，显然最受EPC总承包方的欢迎,目前光伏领域使用的钢制螺旋基础桩主要有两种类型：半螺旋带状螺旋桩、大叶片螺旋桩。

两种桩的基础材料基本一致：钢材材质常规采用Q235B钢，采用钢管直径76mm，壁厚4mm的钢管，尖部采用加热缩尖的方式加工而成。表面采用热浸镀锌工艺进行处理，镀锌层厚度平均不低于65μm，以上是两种钢制桩的基础资料。不同点在于半螺旋带状螺旋桩：采用2毫米左右的钢带螺旋焊接而成（适合使用在土质层较硬的戈壁滩等），大叶片螺旋桩配置螺旋叶片，直径均为176mm，壁厚4-5mm钢板，螺距75mm，叶片间距600mm，桩尖长150mm（适合用在土质较软的区域，较广泛）。直径76*4的钢管截面特性为：轴惯性矩Ix:58.811cm4\极惯性矩Ip:117.622cm4\抗扭系数Wt:30.953cm3\截面面积A:9.048cm2\单位重量g:7.103kg/m\每米外表面积：0.239m2/m。

2实际运用

接下来我们从实际案例—振江中航古巴项目来分析一下如何来选不同类型的螺旋桩：首先我们会从当地气象部门拿到一份准备建设光伏电站区域的气象资料，根据当地50年一遇的风压和需要来计算钢支架结构的受力情况，来验证是否满足设计要求，如不满足则重新优化选着合适的材料。

古巴项目技术光伏参数如下：太阳能板单板恒载荷：q₁=138N/m^2，太阳能面板尺寸：1650×992×40mm，s=1.6335m^2，地面支架按照非围护结构计算，风荷载标准值 。风振系数本结构为25年设计年限，由于缺少折减年限数据，按25年重现期对已有气象资料中的50年最大基本风压值W₀=1.3kN/m²进行折减，折减后按基本风压W₀=1.16kN/m²进行设计。地面粗糙度类别为B类，按规范公式计算板最高1.6m处高度系数： ，然而最小不得小于1则取1，体型系数按照光伏发电站设计规范(GB50797-2012)中表8.3.1插值取0.94，根据光伏发电站设计规范(GB50797-2012)，对于荷载组合的效应设计值.取结构重要性系数（25年使用年限）

风吸力计算（组件仰角17°）： =1090N/m²

风压力计算（组件仰角17°）： =1090N/m²

雪载：根据当地气象资料，无下雪条件，不必考虑雪荷载

太阳组件采用螺栓固定于横梁上，外荷载由组件传递压力或拉力到檩条上时，檩条与组件接触部分为集中荷载。恒荷载标准值：对于荷载组合，组件上的每个螺栓连接节点处传递1/4荷载值，方向竖直向下。风荷载标准值：对于风荷载组合，组件的每个螺栓连接节点处传递1/4荷载值，风吸时方向垂直面板向上，风压时方向垂直面板向下。荷载组合

1)风吸破坏：恒载+背向风载组合：1.0恒+1.4 风吸（-）

2）压力破坏：恒载+风压荷载组合：1.2恒+1.4风压（+）

3. 变形验算：1）～2）各荷载组合取消荷载分项系数。

基础方案：螺旋钢制桩

荷载分布图

支架材料参数表

名称	截面规格	面积A	截面模量Wx	截面模量Wymin
檩条	U62X41.3X10X8X2.5	4.6（cm2）	6.11（cm3）	6.66（cm3）
斜梁	C70*40*20*2.5	4.5（cm2）	9.62（cm3）	4.76（cm3）
前柱	Ф60X2.5	4.5（cm2）	6.23（cm3）	6.23（cm3）
后柱	Ф60X2.5	4.5（cm2）	6.23（cm3）	6.23（cm3）
斜撑	□40X2	3.04（cm2）	3.67（cm3）	3.67（cm3）

名称	截面规格	材料强度设计值Mpa	最大应力比
檩条	U62X41.3X10X8X2.5	205	0.94
斜梁	C70*40*20*2.5	205	0.86
前柱	U62X41.3X10X8X2.5	205	0.39
后柱	U62X41.3X10X8X2.5	205	0.49
斜撑	□40X2	205	0.10

按光伏发电站设计规范(GB50797-2012)第6.8.8条进行校核。

名称	截面规格	最长计算长度(mm)	容许挠度/实际挠度(mm)
檩条	U62X41.3X10X8X2.5	2500	9.5/8.4
斜梁	C70*40*20*2.5	850	3.4/1.3

名称	截面规格	最长长度(mm)	柱顶位移限制/实际位移(mm)
前柱	Ф60X2.5	500	8.3/0.55
后柱	Ф60X2.5	1050	17.5/0.58

结论：结构的主要构件的强度、稳定以及变形均符合设计要求。

从计算SAP2000计算中桩基础反力提取

作用力	桩
最大上拔力	6.7KN
最大下压力	8.7KN
最大剪力	2.8KN

以上述反力作为螺旋桩基础的承载力设计要求，即：单桩竖向抗压承载力特征值： ；

单桩竖向抗拔承载力特征值： -单桩自重；单桩水平承载力特征值：

然后则进行钢制螺旋基础桩的试验选择；我们需要首先根据地质报个进行土壤分析，然后进行钢制螺旋基础桩的理论受力计算，最终进行现场验证。邀请的勘察单位在本场地范围内共布置了29个钻孔，采用锤击法钻进，钻孔深度其中28个为4.00米，1个为20.00米，共计132.00米；现场采取了原状土样和扰动样；进行了场地土壤的电阻率测试；对土样的颗粒级配和基本物理力学指标、膨胀率进行了室内土工试验。本工程场地在钻孔深度范围内的地层分布为：植被层：土层厚度0.30m，所有钻孔均揭露该层。第1层土：砂质低可塑性黏土（CL），含沙或砾土的泥质黏土（CL-ML）。（此部门有勘察单位组织）

对土质层有了分析结果后就可以先确定此土质适用大叶片螺旋钢制装，接下来就是现场论证大叶片螺旋钢制装在此土壤中的抗压、抗拔。

工程立固桩的特点同时为了加快试验进度，拟制作转接件。转接件一头和钢管桩紧固，另一头用螺纹和Ф16钢筋相连，同时保证Ф16钢筋和钢管桩轴线重合。加载装置为一台100kN油压穿心千斤顶，穿心千斤顶夹紧Ф16钢筋，采用双工字钢搭设支座，天然地基提供支座反力，油泵供油加载。荷载从小至大由千斤顶逐级施加，其量值由标准压力表读取油压，根据千斤顶的率定曲线换算荷载。试桩在加载过程中的上拔量采用量程为50mm的位移计测量，在桩顶处对称安置2块位移计，上拔量取其平均值，位移计通过磁性表座支撑在基准梁上。

最后通过具体试验数据，得出结果，这样螺旋桩支架结构得论证就结束。

3结语

钢制螺旋基础桩在光伏行业已经越来越成熟，实际运用案例很多，国内在宁夏一带电站运用最广，它在这一行业也被市场所认可。

参考文献：

[1]光伏电站螺旋桩的应用及计算[J]. 张湉,黄华,何银涛. 太阳能. 2014(09)

[2]光伏支架基础设计创新研究[J]. 邢克勇,黄文莉. 武汉大学学报(工学版). 2013(S1)