來源：小樹洞談光伏支架

引導語

目錄：

1. 美標系數(shù)用于國標計算

2. 風壓重新期的選擇

3.?風荷載計算綱要

4.?屋頂風區(qū)劃分

5. 邊緣系數(shù)

6.?有效面積的概念

7. 女兒墻系數(shù)

8. 弦長系數(shù)

9.?負重塊的計算

? ? ? ?SEAOC PV2的計算是基于美標ASCE 7的風荷載標準，ASCE 7采用的基本風壓為3秒瞬時風壓，我們知道國標風荷載標準GB 50009采用的基本風壓為10分鐘平均風壓。那么基于美標的屋頂光伏支架計算是否可以用于國標呢？

? ? ? ?風荷載本身具有兩種屬性，“平均風壓”以及“脈動風壓”。意味著作用在建筑物上的風荷載在長期情況下可以看為一個定值的平均荷載，而在短期情況下為一種“忽大忽小”的脈動荷載。

?陣風系數(shù)的計算圖例

? ? ? ?我們在設計建筑物強度時，必須考慮“忽大忽小”的脈動荷載，因此不管是國標還是美標，所有標準的最終風壓都會乘上一個系數(shù)，使平均風壓轉(zhuǎn)換為瞬時風壓。這部分內(nèi)容可以參考小樹洞之前的文章：臺風區(qū)光伏支架“翻肚皮”| 陣風系數(shù)和風振系數(shù)取1.0？大錯特錯！

?陣風系數(shù)隨高度的增加而遞減(來源：WMO)

? ? ? ?而國標采用的就是陣風系數(shù)（或風振系數(shù)）來將10分鐘平均風壓轉(zhuǎn)換為3秒瞬時風壓，這就剛好與美標相一致，因此我們完全可以采用國標的“風荷載標準值”，結(jié)合美標提供的計算方法來進行光伏支架設計。國標和美標也就能夠“完美結(jié)合”了。

? ? ? ?我們在選擇當?shù)卦O計風速的時候，往往要考慮一個概念，也就是“重現(xiàn)期”。重現(xiàn)期指的是這種風速在每年出現(xiàn)的概率，比如50年一遇的意思就是：每年出現(xiàn)的概率是2%。很顯然，重現(xiàn)期越大，風災出現(xiàn)的概率就越低，我們設計的結(jié)構就越安全。

? ? ? ?而“重現(xiàn)期”不僅與安全有關，還影響經(jīng)濟性。利用過高的重現(xiàn)期，雖然會帶來足夠的安全性，但是卻超過了其本身的價值。當然，如果你賊有錢，非要用千年一遇的風速來設計你家院子外面的茅房，別人也管不了。

重現(xiàn)期的選擇，歸根結(jié)底就是考慮結(jié)構本身在人們心中的重要性，簡單的一句話表示：

“結(jié)構出現(xiàn)破壞后，

對人身和經(jīng)濟帶來的影響越大，

那么需要的重現(xiàn)期則越高。”

? ? ? ?對于安裝在地面上的光伏支架，因為不需要人來值守，所以即使被恐怖分子用RPG給炸了，也不會對人身造成什么影響。因此它們的重現(xiàn)期往往與設計使用壽命相掛鉤。25年的設計使用壽命，重現(xiàn)期也可以采用25年。

? ? ? ?對于安裝在屋頂上的光伏支架，由于其安裝的位置時常有人類活動，萬一屋頂支架被破壞，輕則砸傷人，重則出現(xiàn)短路火災，造成重大人員傷亡。所以屋頂光伏支架選擇的重現(xiàn)期，需要和這個屋頂建筑采用的重現(xiàn)期相一致。按照50年一遇設計的屋頂本體建筑，其上安裝的光伏支架“風荷載重現(xiàn)期”也需要50年一遇。

?白宮的屋頂支架重現(xiàn)期得多高？

? ? ? ?上一篇文章，本洞介紹了國際上針對屋頂光伏支架的設計標準，SEAOC PV2。這本資料給分享了很多屋頂風荷載的知識，更重要的是它提供了一套完整的屋頂光伏支架風荷載計算的法則。

? ? ? ?屋頂光伏支架的風荷載計算，總結(jié)一下就是采用各種不同系數(shù)，來評估不同建筑結(jié)構對支架風荷載的定量影響。

?屋頂支架風荷載計算公式拆解

當然，每一個系數(shù)的背后，都包含了其對應的實際意義和選擇邏輯。

氣流在流經(jīng)屋面后會形成渦流，渦流對屋頂不同位置的風壓影響不同。因此屋頂?shù)娘L壓就被劃分成了三個區(qū)域：

• 1.內(nèi)區(qū)，位于角區(qū)和邊區(qū)包圍的地方，風壓最低

• 2.邊區(qū)，位于屋頂?shù)乃臈l邊緣，風壓中等

• 3.角區(qū)，位于屋頂?shù)乃膫€角落，風壓最大

?屋頂?shù)?個風區(qū)與建筑物高度的關系

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? ? ? ?熟悉小樹洞之前文章的朋友應該有所了解，光伏跟蹤器的設計會根據(jù)其在排布中的位置，分為內(nèi)圍和外圍不同類型的結(jié)構。內(nèi)圍結(jié)構因為受到外圍結(jié)構的風遮擋效應，因此內(nèi)圍的風荷載會遠小于外圍。其實屋頂光伏支架也是同樣的道理。

屋頂光伏支架按照其所處的位置分為：

• 外圍：遠離屋緣以及其他支架，風壓較大

• 內(nèi)圍：離屋緣比較近，或者其四周被外圍支架包圍，風壓較小。

?屋頂光伏支架的內(nèi)外圍定義

對于這種內(nèi)外圍的屋頂支架設計，我們采用一個“邊緣系數(shù)”來表征：

• 外圍支架的邊緣系數(shù)=1.5

• 內(nèi)圍支架的邊緣系數(shù)=1.0

綜上，根據(jù)3種風區(qū)，以及內(nèi)圍和外圍，屋頂支架就分為了6種情況：

• 1.角區(qū)外圍

• 2.角區(qū)內(nèi)圍

• 3.邊區(qū)外圍

• 4.邊區(qū)內(nèi)圍

• 5.內(nèi)區(qū)外圍

• 6.內(nèi)區(qū)內(nèi)圍

?屋頂光伏支架的6種風區(qū)情況

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? ? ? ? 前面談到，風本身是一種流體，流體在流過物體的時候會在物體表面形成壓強。但是由于氣流湍流的變化效應，在瞬時這種表面上的壓強并不是均布的。比如組件上的風壓會“忽大忽小”，而相鄰組件的風壓在同一時刻也不一定相同。

?支架上受到的風壓并不是時刻均值的

相鄰之間的區(qū)域風壓也不會相同

(來源：CPP組件風壓時程圖)

? ? ? ?我們在設計組件的時候，要考慮在組件這樣大小面積上的最大風壓，而我們在設計單跨支架時，就要考慮在單跨這樣大小面積上會出現(xiàn)的最大風壓，顯然這兩個最大風壓所針對的面積是不同的，風壓也不一樣。這種對應于零部件的面積稱為“有效面積”。

?組件的“有效面積”比單跨小

因此組件的“最大風壓”比單跨大

這其實就是一種概率統(tǒng)計分布，有效面積越大，其對應的風壓就越低，體型系數(shù)就越小。

?支架體型系數(shù)圖

有效面積越大，體型系數(shù)越小

(來源：ASCE 7-16)

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? ? ? ?一般屋頂四周都會建有女兒墻，很多人認為女兒墻會減少屋頂支架的風荷載，然而真實情況卻恰恰相反，科學家們通過大量的風洞測試后發(fā)現(xiàn)，很多女兒墻設計實際上會使屋頂?shù)娘L荷載變得更大，尤其是在比較寬的建筑物上。

? ? ? ? 這是因為女兒墻抬高了渦流的高度，并且把這些渦流匯集在了一起，從而加強了渦流的強度，增大了其帶來的上揚力。根據(jù)風洞測試的結(jié)論看，有女兒墻的屋頂部分區(qū)域，其支架風荷載甚至比沒有女兒墻要大60%。

?風洞測試結(jié)果表明

女兒墻越高，風壓系數(shù)越大

(來源：RWDI)

?不同女兒墻高度的系數(shù)

與沒有女兒墻的系數(shù)之比

(來源：RWDI)

? ? ? ? 我們可以從上圖中發(fā)現(xiàn)，在大部分情況下，有女兒墻的風壓系數(shù)比沒有女兒墻的都要高（ratio大于1.0）。因此，在計算屋頂支架風荷載時，我們引入一個“女兒墻系數(shù)”來表征女兒墻所帶來的影響。

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? ? ? ?支架的弦長為支架風荷載的特征長度，對于一塊豎裝的支架來說，弦長就為組件的長度尺寸，而對于一塊橫裝的情況，弦長就為組件的寬度。支架的弦長越長，由于其發(fā)生的湍流渦流尺度變大，對于這種弦長的體型系數(shù)就會增大，反之亦然。由此可知，對于傾角較大的屋頂支架，橫裝比豎裝更優(yōu)。

?支架弦長為其特征程度

一般為與正面風向垂直的尺寸

?支架體型系數(shù)不是一成不變的

它會隨著弦長的變長而變大

? ? ? ?屋頂光伏支架經(jīng)常會采用“負重塊”來作為其基礎。盡管負重塊看起來是一個簡簡單單的水泥塊，但是其背后的使用和計算邏輯還是比較復雜的。

由于大部分屋頂支架都帶有一定的傾角，當風荷載作用到支架上后，會對負重塊產(chǎn)生兩種力：

• 豎直上揚力，由負重塊的自重力抵抗
  

• 側(cè)向滑移力，由負重塊的摩擦力抵抗

?負重塊的受力分析

? ? ? ? 雖然上揚力和側(cè)向力，都是由同一個荷載所產(chǎn)生的，但是支架抵抗這兩種力的情況卻有所不同，原因就是支架的“剛性”。

? ? ? ? 對于側(cè)向力來說，由于抵抗側(cè)向力的支架剛性較強，所有在支架上的負重塊都會參與和分享這個側(cè)向力，因此由于側(cè)向滑移力導致失效的概率比較低。

? ? ? ?對于上揚力而言，支架的剛性則尤為關鍵了，支架剛性越強，相鄰負重塊之間的“共享荷載”能力就越強，相應的能抵抗的風壓上揚力就越大。

?支架相互之間進行連接

可以增加支架剛性，提高抗風能力

? ? ? ?因此，很多屋頂支架都采用“連接導軌”的設計，讓支架之間連接在一起，這樣就大大的增強了支架之間的剛性，從而可以有效減少負重塊的數(shù)量和重量。

?支架前后排相互連接

(來源：K2)