摘要：光伏方阵基础为上部钢结构支架的支撑结构，承受上部钢结构支架传递到基础上的竖向压力及上拔力、以及水平方向的推力和弯矩。风荷载作为太阳能光伏结构的控制荷载，在太阳能电池板支架及其基础结构设计中起控制作用，而风荷载的作用较为复杂，因此也就导致了光伏支架基础受力情况复杂，在顺风和逆风工况下基础受力情况差别较大，支架传至基础顶部的反力顺风和逆风工况方向相反。既顺风时基础主要承受竖向压力及水平推力，而逆风时则为上拔力及水平推力。因此，选择合适的支架基础结构形式，不仅需满足光伏支架基础在各种工况下的受力特点，还应选用工程量小、施工工艺简单的基础形式。基于此，本文主要对并网光伏电站支架基础对比进行分析探讨。
关键词：并网光伏电站；支架基础；对比分析
1、前言
随着光伏电站工程经验的积累，作为光伏电站重要组成部分的光伏支架基础也发展出多种类型，以便适应不同地形、地质条件的光伏电站建设。我国光伏电站建设初期主要集中在西北荒漠地区，因此，光伏支架的基础主要参照建筑相关规范进行设计，主要采用独立基础及条形基础。
2、不同支架基础形式特点及适用条件对比分析
针对光伏支架基础的受力特点，采用不同的基础形式其设计计算方法与施工工艺不同。对同一场址而言，地质条件的差异对基础设计参数的选取影响很大。以下介绍几种常用的支架基础形式的特点及使用条件。
2.1混凝土独立基础
混凝土独立基础因其结构形式简单、受力明确，在早期光伏电站建设过程中被广泛使用。其设计是由抗弯及抗冲切控制，对于光伏支架逆风工况下的上拔力，则由其自重及上覆土重承担。因支架上部荷载较小，因此，基础基底压力很小，所以风荷载作用下的倾覆破坏就是基础的控制因素。尽管GB50797-2012《光伏发电站设计规范》中规定，天然地基的支架基础底面在风荷载和地震作用下，允许基础底面脱开地基土的面积最大值为基础底面积的1/4，但若以基础倾覆为控制工况进行计算，基础截面选取得较大，从而导致工程量（混凝土、钢筋）较大。另外，为充分利用基础上覆土重抵抗支架上拔力，基础一般埋深较深，从而导致开挖土石方工程量很大。因此，混凝土独立基础一般适用于场地较为平整、土层较厚、开挖方便的场址。
2.2混凝土条形基础
混凝土条形基础与独立基础类似，其作为光伏支架基础设计需控制的因素也是支架逆风工况时的倾覆破坏。但条形基础体形更大，因此其自重较独立基础更重，仅利用其自重作为配重就能满足抗倾覆的要求，故埋置深度较浅。由于条形基础的基底面积较大，故基底产生的压力很小，因此，适用于场区内的回填区及废弃厂矿的回填区域，以减小因基础不均匀沉降而导致的支架、组件的破坏。同时，条形基础除在地面光伏电站中被广泛使用，在屋顶并网光伏电站中运用也较多。在屋顶并网光伏电站中，仅利用其作为配重抵抗支架的上拔及倾覆力，施工工艺较为简单。
2.3钢制地锚基础
钢制地锚基础是一种较常规基础更为新颖的基础形式，其主体结构为一钢管，钢管周边焊接有螺纹状的叶片，施工时利用专门机具旋转钻入土中，施工速度较快。其受力特点是利用其叶片上覆土重、土自身的剪切力及其与土的摩擦力抵抗支架的上拔荷载，利用桩周土的嵌固作用抵抗水平力。因此，利用此种基础形式要求土具有较高的密实度；且因其施工的特殊性，主要运用于地形较为平坦、土层或强风化岩石层较厚的区域。若地形坡度较大，则因施工机具的限制可导致基础定位偏差较大；而土层密实度较小又可导致其水平承载力不足；另外，如土层内岩石较多或有下覆基岩，则无法打入土层内，可导致地锚在钻进过程中被破坏。利用钢制地锚基础形式可加快施工进度。同时，由于基础基本不存在开挖面，可大幅减小土石方的开挖量。
2.4植筋基础
对于基岩较为完整且风化程度较低的光伏支架基础，可采用植筋基础。其破坏工况一般为植筋钢筋的拉断或植筋胶粘结力不足导致钢筋从植筋孔中拔出，又或岩石等本身强度不足导致的剪切破坏，以其中抗力最小的一种工况为支架基础的设计控制工况。
植筋基础的施工过程为：定位、钻孔、洗孔、钢筋处理、注胶、植筋、固化养护、抗拔试验、绑扎钢筋浇筑混凝土。其施工工艺较为简单，可运用于基岩较为完整的石漠化场址；同时，在部分废弃厂矿的场址内有较厚的混凝土地面及原有大型设备基础，在这一区域内，也可采用植筋基础，从而最大限度地利用场址内现有条件，降低工程投资。
2.5岩石锚杆基础
岩石锚杆基础与植筋基础类似，其破坏工况为：1）钢筋与灌浆混凝土粘结强度不足，导致钢筋从混凝土中被拔出；2）灌浆混凝土与基岩的粘结强度不足，导致钢筋与混凝土整体从锚杆孔中被拔出；3）岩体强度不足或存在节理，导致岩体本身破坏，钢筋、灌浆混凝土与部分岩体被拔出。设计控制工况应以上述3种破坏形式中抗力最小的一种工况为准。另外，因支架底部有水平力，所以一般仍需验算钢筋的抗剪承载力。岩石锚杆基础主要运用于岩石出露且岩石完整性较差的场地，其施工过程需人工成孔、灌浆，最后浇筑基础顶部混凝土。岩石锚杆基础充分利用了锚杆抗拔能力强的特点，可有效减小工程量。
2.6预制桩（PC桩）基础
预制桩（PC桩）作为桩基础的一种形式，其桩身具备较高的抗弯与抗压（C50混凝土）性能；同时，因其直径较大（≥300mm）、桩长较长，压入土中后可充分发挥其抗拔与抗压性能。因此，预制桩（PC桩）基础设计控制工况为其水平承载力，即需满足桩基水平承载力特征值大于光伏支架基础水平反力。
预制桩（PC桩）基础被广泛的运用于滨江沿海滩涂地区、渔光互补光伏电站；同时，随着光伏电站建设用地类型的增加，预制桩（PC桩）基础因其可保证较高的出露地面长度而被运用于山地光伏电站中的农光、牧光互补光伏电站及在小台地（梯田）地形中建设的光伏电站。预制桩（PC桩）基础施工需采用打桩机打入地基中，因此，其主要适用于地形相对平坦、土层较厚的区域。桩顶部预埋件与支架一般采用焊接连接，焊接后需进行防腐处理。这种基础形式主要运用于单立柱支架。
2.7微型灌注桩基础
微型灌注桩基础因其具有承受抗压、抗拔较强的特性，能很好地抵抗光伏支架柱底反作用力，且其工程量较小，因此，目前被广泛运用于并网光伏电站中。在微型灌注桩基础设计过程中，除需要按常规桩基础设计考虑其竖向、水平、抗压承载力以外，由于其直径较小，还需要计算桩基桩身的抗弯、抗剪承载力。通过对多个采用微型灌注桩基础的光伏电站支架基础桩基承载力的计算分析，微型灌注桩承载力主要以水平承载力为控制因素，而其桩身配筋计算及桩身承载力则以基础所承受的水平力及桩顶弯矩为控制工况。微型灌注桩施工工艺较为简单，基本流程为：成孔、绑扎钢筋、注浆、振捣。其适应的地质条件多种多样，可运用于土层较厚区域，也可运用于土夹石的地基条件。目前运用较多的微型灌注桩基础形式主要有混凝土灌注桩基础及采用钢管与混凝土相互结合的灌注桩基础。
2.8各支架基础对比
各种基础形式设计控制荷载及其所适用的地形、地质条件等如表1所示。
表 1 不同支架基础特点及适用条件对比表
3、结语
在实际使用过程中，因场区条件的限制，植筋与岩石锚杆基础不可能大范围地运用于光伏电站建设中。因此，在并网光伏电站的建设过程中，应综合分析场区地形、地质条件、结合施工机具条件，人工和材料成本、工期进度要求等多种因素综合考虑支架基础方案，选择合适的支架基础形式，以满足工期、成本控制的要求。
参考文献
［1］［美林］同炎S．D．斯多台斯伯利．结构概念和体系［M］．北京：中国建筑出版社，2011．
［2］GB50797－2012．光伏电站设计规范［S］．北京：中国计划出版社，2012．
论文作者:姜文丰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/11
标签：基础论文; 支架论文; 光伏论文; 电站论文; 工况论文; 混凝土论文; 承载力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第14期论文;