屋顶光伏电站支架强度及屋面载荷计算

1 工程概况
项目名称：江苏省*****中心小学49KW光伏屋顶
工程地址：江苏省***
设计单位：上海能恩太阳能应用技术有限公司
建设单位：******有限公司
结构形式：屋面钢结构光伏支架
支架高度：0.3m
2 参考规范
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068—2001
《建筑结构荷载规范》GB50009—2001（2006年版）
《建筑抗震设计规范》GB50011—2010
《钢结构设计规范》GB50017—2003
《冷弯薄壁型钢结构设计规范》GB50018—2002
《不锈钢冷轧钢板和钢带》GB/T3280—2007
3设计条件：
太阳能板规格：1650mm*990mm*50mm
混凝土屋顶太阳能板安装数量：200块
最大风速：27.5m/s 平坦开阔地域
太阳能板重量：20kg
安装条件：屋顶
计算标准：日本TRC 0006-1997
设计产品年限：20年
4型材强度计算
4.1 屋顶荷载的确定
（1）设计取值：
① 假设为一般地方中最大的荷重，采用固定荷重G和暴风雨产生的风压荷重W的短期复合荷重。
②根据气象资料，扬中最大风速为27.5m/s,本计算最大风速设定为：30m/s。
③对于混凝土屋面，采用最佳倾角安装的系统，需要考虑足够的配重，确保组件方阵的稳定可靠。
④屋面高度20m。
4.2 结构材料：
C型钢重量：1.8kg/m
截面面 支架尺寸（mm） 41*41*2
安装角度 25°
材料 镀锌
截面面积（A） 277
形心主轴到腹板边缘的距离 1.4516E+01
形心主轴到翼缘尖的距离 2.6484E+01
惯性矩 Ix 8.3731E+04
惯性矩 Iy 4.5694E+04
回转半径 ix 1.7386E+01
回转半径 iy 1.2844E+01
截面抵抗矩 Wx 4.0844E+03
截面抵抗矩 Wx 4.0844E+03
截面抵抗矩 Wy 3.1478E+03
截面抵抗矩 Wyy 1.7254E+03
4.3 假定荷重：
①固定荷重G
太阳能板质量： G1=20kg×20=400kg →3920N;
所以C形轨道承载的固定荷载重量G=3920N;
②风压荷重W
根据《建筑结构荷载规范》中对风载荷的规定如下（按承重结构设计）：
Wk =βgz μs μz W0
Wk:风荷载标准值（KN/m2）；
βgz： 高度Z 处的风振系数；
μs： 风荷载体型系数；
μz：风压高度变化系数（0.84）；
W0：基本风压（KN/m2）
按《建筑结构荷载规范》表7.5.1ξ为1.6
所以βgz=1.6
根据《建筑结构荷载规范》表F7.3.1，体型系数μs为1.475，
所以，Wk=1.6*0.83*0.84*0.57=0.636KN/m2
③雪压荷重
根据《建筑结构荷载规范》中规定：
Sk=μr*S0；
Sk：雪荷载标准值（KN/m2）；
Μr：屋面积雪分布系数；
S0：基本雪压（KN/m2）
根据《建筑结构荷载规范》表6.2.1Μr=0.2
S0为0.35 KN/m2
所以Sk=0.2*0.35=0.07 KN/m2
④地震荷载
根据《建筑抗震设计规范》，采用底部剪力法时，按下列公式确定：
FEk=1 *Geq
FEk为结构总水平地震作用标准值；
1为水平地震影响系数值，可取水平地震影响系数最大值max；
Geq为结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值。
由于扬中市没有处于我国的地震带，所以根据《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2查得1为0，
所以FEk为0
⑤荷载基本组合P
根据《建筑结构荷载规范》第3.2节荷载组合，计算如下：
风压主导时 ：P=G+W+S
P=3920+636*1.64*0.99*20+70*1.64*0.99*20=26.845KN
C形轨道结构强度计算
C形轨道验算：





顺风时，B-C点产生的力矩M1，由下式表示：

q=(26845/4/10.2=657.97N/m（系统由4排轨道支撑，每排轨道长10.2m）
L=2.073m

应力
由于所使用材料为：允许应力为23500N/cm2 /1.5=15666 N/cm2
(8661.76/15666)<1 所以安全
弯曲δ1
(由4根横梁支撑)
E=6.9×105 N/cm2
IM =12cm4

跨距207.3cm，最大位移量207.3/100=2.073cm，所以安全;
5屋面配重设计
混凝土屋面太阳能方阵采用主次梁布置，电池板以25°倾角布置；次梁及柱采用表面热镀锌钢型材。本计算书依据2x10（电池板）阵列进行计算，计算简图见图1

5.1 荷载标准值计算
5.1.1．恒荷载：
太阳能板： q=0.2/(1. 64x0. 99) =0.12KN/m2
钢结构自重：q=0.08KN/m2
q=0.20KN/m2
5.1.2．风荷载：
风荷载标准值
扬中市地区基本风压（n=50）： （建筑结构荷载规范附录D.4）
离地面高度20米位置 D类地区：
风振系数
体型系数：

风荷载标准值计算：




5.1.3．雪荷载：
雪荷载标准值
扬中市地区基本雪压（n=50）：
体型系数：

=0.35 x1=0.35
5.2 荷载组合
最不利负载组合为：1.0恒＋1.4风（—）
=1.0x0.20-1.4 x 0.389=-0.3446 KN/m2
5.3 基础校核
电池板投影面积：10.125 m x 2.973m=30.1㎡
负荷载：30.1㎡x 0.3446 KN/㎡=10.37 KN
基础总配重： 1.22KN x10个=12.2 KN
平均载荷：12.2 KN/30.1㎡=0.405KN/㎡
本项目需配置10个1.22KN的基础，基础总配置达到12.2KN ,大于负载荷10.37KN，达到系统要求。
6屋面承重计算
（1）荷重
太阳能板质量： G1=20kg×20=400kg
支架总荷重：G=136kg
水泥墩荷重：G2=125kg×10=1250kg
（2）屋顶单位面积受力
总荷重:400+136+1250kg=1786kg
组件安装面积：10.125×2.973≈30.1㎡
单位面积受力：1786/30.1=59.34kg/ ㎡≈0.58kN/㎡
由于本项目建筑均为上人屋面，根据GB50009-2001(06年版）设计。混凝土屋面设计载荷为2kN/㎡，屋顶平均载荷为0.58KN/㎡，安装太阳能方阵后载荷远小于设计载荷，所以安全。