(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司)
摘 要：发展海上光伏是突破土地约束、拓展新能源发展空间的有效途径。海上光伏支架结构是固定式海上光伏结构系 统最重要的部分，本文分析对比了钢混组合桁架结构、大跨空间钢桁架结构、空间网架结构、传统钢支架结构四种主要结 构类型，结果表明空间结构是固定式海上光伏结构设计的主流形式，其经济性、施工可行性、标准化等均较好。对于荷载 参数的取值的标准化，本文对实施例海上光伏项目进行了刚性模型测压风洞试验，并将试验结果值与规范计算取值进行 对比分析，为后续类似项目的荷载参数取值提供参考。
关键词：固定式桩基，海上光伏，结构，标准化，荷载
引 言
在“双碳”目标地驱动下，我国各沿海省份陆续 出台了海上光伏发展支持政策。沿海地区电力消耗 较大，其陆地新能源发展受限于土地资源约束，而 海洋资源丰富，海上光伏和海上风电协同发展能够 有效优化投资成本，另海上光伏还可以与水产养殖
结合，提高整体投资收益。此外，海上光伏还可与核 电温排区一同进行立体开发，应用场景多样化 [ 1] 。 截至目前，利用近海海域建设大规模集中式光 伏项目在全国范围内仍无完整可参考案例，尚处探 索初期，仍面临经济、技术、安全及可靠性等挑战。 较陆上光伏项目比，海上高温、高湿、高盐雾，需应 对复杂的海洋环境如潮汐、波浪、海流、海冰、腐蚀、台风、海床地质条件等自然环境影响。
作为新能源发展的新蓝海，海上光伏发展潜力 大、综合效益高、生态环境友好。发展海上光伏，不 仅是突破土地约束、拓展新能源发展空间的有效途 径，也是经略海洋、培育战略性新兴产业的有力抓 手。不过，其规模化发展仍面临着技术性、安全性、 经济性、耐受性等问题需要解决。
目前，针对固定式海上光伏结构形式及荷载参 数取值等标准化的研究仍然较少，本研究对推动海 上光伏项目结构设计标准化有重要意义。
1 结构形式
针对固定式桩基海上光伏，其结构类型仍无标 准可参考。目前，主要的结构类型有钢混组合桁架 结构、大跨空间钢桁架结构、空间网架结构、传统 钢支架结构等[ 2] 。 1.1 钢混组合桁架结构
上部结构采用钢筋混凝土框架与轻钢结构的 钢混组合桁架结构[ 3] ，下部可采用PHC预制管桩或 钢管桩。采用组合结构能充分发挥各自结构的有 点，混凝土结构具有耐久性强、刚度大、造价低等 优点。但此类组合结构制作组装效率较低，质量难 以控制，连接节点多，且经济性跨度较小。
上部结构采用单榀桁架结构，下部结构可采 用PHC预制管桩或钢管桩。单榀桁架结构具有大 跨度、用钢量小、设计制作可标准化等优点。但该
类结构侧向刚度小、需要采用焊接连接、防腐难以 保证。
上部结构采用空间结构，下部结构可采用PHC 预制管桩或钢管桩。空间结构具有空间刚度大，结 构自重小，抗震性能好、加工安装快、设计制作可模 块化等优点。但该类结构由于采用螺栓球节点施工 精度要求高、且后期维护工作量大。
传统钢支架结构固定支架主要由主梁、檩 条、立柱、斜支撑及连接螺栓、压块等部件组成。 传统钢支架对海上光伏的适用性较差，存在用跨 度小、钢量大、海上施工作业多、施工质量可控性 差等缺点。
固定式桩基海上光伏的结构形式需综合考虑 结构受力、稳定性、经济性、施工可行性、标准化、 防腐耐久性和运行维护等因素。目前，空间结构是 固定式桩基海上光伏结构设计的主流形式，其经济性、施工可行性、标准化等均较好，且没有明显的缺 点。随着研究的深化及项目实施经验的积累，空间 预应力结构、吸力筒一体化结构等可能会有实施应用的机会[ 4] 。
2 荷载参数取值标准化
海上光伏由于处于开敞式海域，风荷载较陆地 偏大、部分海域甚至远超陆地。由于固定式海上光 伏结构形式属于新型结构形式，目前仍未见针对海 上光伏结构风荷载相关计算的研究，结构的体型系 数及风振系数的选取暂无可参考的规范或实例。下 面以沿海某海上光伏项目为例进行研究。 2.1 风荷载体型系数取值标准化
本海上光伏项目实例为大跨度固定式桩基光 伏项目，建设地属于强风地区，结构跨度大，其设计 风荷载在中国《建筑结构荷载规范》GB 50009— 2012[ 5] 中未作相关规定。
为了进行主体结构计算，本文对海上光伏项目 实例进行刚性模型测压风洞试验。 2.1.1 试验概况
在风洞中模拟大气边界层风场是建筑模型风 洞试验的重要内容。根据本海上光伏阵列的地形条 件及建筑环境和ESDU地貌分析，本试验的大气边 界层流场模拟为《建筑结构荷载规范》GB 50009— 2012[ 5] 的A类地貌风场。以1/150的几何缩尺比模拟 了A类地貌，如下图5风洞中对大气边界层的风剖面 和脉动风谱模拟所示。
光伏结构采用玻璃钢制作，模型均具有足够 的强度和刚度，在试验风速下不发生变形，并且不 出现明显的振动现象，以保证压力测量的精度。考 虑到实际建(构)筑物的尺寸以及风洞截面的实际 情况，选择模型的几何缩尺比为1/150。试验阻塞 率控制在5%以内。光伏阵列的测点分块图如图6 所示。
按照我国建筑结构荷载规范(GB 50009— 2012)[ 5] ，项目在B类地貌、25年重现期、10米高度 处、10分钟平均的基本风压w0 ,25=1.04 kN/m2，相应 的基本风速为U101600w0,50=40.79 m/s，;对应于50年 重现期w0 ,50=1.23 kN/m2，相应的B类地貌基本风速 为44.36 m/s。A类地貌对应的梯度风高度为ZG=300 m，α=0.12，由此可得梯度风风速UG=U 10(Z G/10)α和 梯度风风压PG=ρU2 G/2，结果列于表1中。
重现期(年)25 50 基本风压(kPa.B类)1.04 1.23 基本风速(U)40.79 44.36 风剖面指数0.15 0.15 梯度风高度(m)350 350 梯度风风速(m's)69.53 75.62 梯度风风压(1Pa)3.02 3.57 注：规范中统一取 2.1.4 试验结果
通过试验结果可知本海上光伏阵列飘带各分 块部分在各个风向角下的分块体型系数。同理，根 据试验结果的块体型系数，该分块的风压高度变化 系数及建筑所在地的基本风压，可以得到各个风向 角下的块平均风压。在进行海上光伏阵列的主要受力结构设计时， 常以测点或分块的平均风压值wmean再考虑动力放大 效应(我国规范中定义为风振系数β)，二者相乘作 为主要受力结构设计风荷载。
由概率统计方法得到的光伏阵列各测点的极 值风压，25年重现期的最大和最小极值风压见图 7，50年重现期的最大和最小极值风压见图8，此极 值风压用于光伏阵列围护结构设计。
2.1.5 试验结果
通过对本海上光伏实施例阵列进行刚性模型 测压风洞试验及分析，得到如下结论和建议[ 6][7] ： 1、对于光伏阵列主要受力结构设计风荷载： 根据图7的块体型系数可得到光伏阵列各分块的10 分钟平均风荷载，是光伏阵列主要受力结构设计的 基本参数。
2、图7和图8分别给出了光伏阵列在0-360°风 向范围内的极大和极小分块体型系数，可用于主要 受力结构设计。
3、对于光伏阵列围护结构设计风荷载：应用 概率统计方法得到了光伏阵列各测点的最大和最 小极值风压，可用于光伏阵列的围护结构设计。 2.1.6 规范计算结果
根据《光伏支架结构设计规程》NB/T 10115— 2018[ 8] ，倾斜角为15度，计算出外围方阵结构体型系 数：风压0.8，风吸-0.95，内部方阵结构体型系数： 风压0.68，风吸-0.80(当光伏板阵列布置，阵列数 大于7排时可对两端第2列、第4行以内支架体型系 数进行折减，本项目折减系数取0.85)。 2.2 风荷载风阵系数取值标准化
本实施例项目风振系数取值为1.4，一方面考虑 本项目结构采用网架结构，结构刚度较大;另一方 面，本项目处于海上高风速区域，需要考虑一定的 放大系数。
根据《光伏支架结构设计规程》NB/T 10115— 2018，对于双列或单列单坡支架结构体系，可取1.0。
通过对比可发现，实施例项目取值比规范偏 大，准确的风振系数需要通过气弹性模型的试验 获取。
3 标准化建议
对于结构体型系数，根据规范计算出的外围风 压体型系数偏小，规范计算结果仅为0.8，而试验结 果达到了1.0;风吸体型系数同样偏小，规范计算结
果为-0.95，而试验结果则达到了-1.22。对于内部方 阵风压体型系数，规范计算结果仅为0.68，而试验 结果仅为0.25左右，风吸体型系数规范计算偏大; 风吸体型系数同样偏大，规范计算结果为-0.80，而 试验结果为-0.70左右。
从上述对比结果可知，对于外围的方阵，规范 计算结果偏小，而对于内部的方阵，规范计算结果 则偏大。为此，在进行上下部结构计算时，对于外围 的结构建议进行放大;而对于内部的结构则可进一 步进行折减。
4 结 论
通过对比不同海上光伏支架结构的类型，分析 研究了不同类型海上光伏支架结构的优缺点，结果 表明，空间结构是固定式海上光伏结构设计的主流 形式，其经济性、施工可行性、标注化等均较好。通 过对比分析结构体型系数的规范取值与试验结果， 结果表明，于处于外围的方阵，规范计算结果偏小， 而对于内部的方阵，规范计算结果则偏大。本文建 议与本实施例项目类似的项目的结构类型和荷载参 数取值可以参考本文结果
