非晶硅/非晶硅锗三叠层薄膜太阳能电池主厂房结构分析的探讨

[摘 要] 某非晶硅/非晶硅锗三叠层薄膜太阳能电池厂房结构形式为单层混

凝土框排架结构，建筑面积46337m2，建筑超长，屋面局部分布大荷载，针对该工程的特点，运用SATWE程序及ABAQUS程序进行分析，分析结果表明扭转效应明显，除了在设计中需要加强的部位，并对此类主厂房设计提出了一些建议，以供类似工程参考。

[关 键 词]太阳能电池主厂房；框排架结构；静态分析；扭转效应

1 工程概况

常规能源资源的有限性和环境压力的增加，太阳能产业已逐渐发展成国家重要产业，作为新型太阳能电池制造业的国内领头羊企业为了提高国际及国内竞争力，将扩大其生产规模，新建厂房。某非晶硅/非晶硅锗三叠层薄膜太阳能电池项目位于江苏省某市，其主厂房建筑面积46337m2，双侧支持区为框架结构，层高6.54m，中间核心区屋面为钢桁架，跨度30m层高为8.38m（详见图1，建筑剖面图）。

结构抗震设防类别为重点设防类（标准设防类），抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g。设计地震分组为第一组，建筑场Ⅲ类，特征周期0.45s，框架抗震等级为二级。支持区屋面使用荷载为局部为10kN/m2（分布于F~G/14~18），其余均为3.0 kN/m2，核心区钢桁架使用荷载为1.5 kN/m2。

2 结构方案

建筑外轮廓为367.0mX123.0m，支持区：A~C、F~G，其余为核心区区。柱网布置见图2。

本结构采用混凝土框排架结构，为满足使用功能，做大跨度，屋面采用钢桁架与柱顶铰接。

材料：混凝土强度等级均为C40。

钢材：1）钢筋均为HRB400；2）钢材均为Q345B。

2.1结构计算模型的确定

由于G~F为单跨，作为单跨静定结构，此处不易设缝；两边支持区即A~C、F~G轴线之间均未设缝采用与主体相连形式。在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）未明确规定框排架的结构形式，也未有针对这类建筑体型的计算要求，按照传统计算方式，排架一般简化为平面结构形式进行分析，但本建筑抗震设防烈度为8度，抗震要求的日益提高，考虑到这类屋面上大荷载局部分布、建筑超长及中间为排架的建筑体系的总体，由国内、外历次大地震震害也表明，这类结构在地震中会受到严重的破坏，本次设计不再采用单榀作为计算模型计算，对本结构的分析带来新的挑战，也将对类似的工程作为相应借鉴和参考。

本结构由长度方向分缝为一个计算模型，采用空间模式进行分析。本文将以6~18/A~G为例来进行分析探讨。

3 结构计算分析

3.1SATWE程序计算

建模过程中，考虑结构的复杂性，将原结构进行简化。屋架部分转化为刚性杆件与柱连接处均假设其理想铰接，排架部分的屋面采用钢筋混凝土大型屋面板，采用SATWE计算时，在设计信息中将不采用梁柱重叠部分简化为刚域。由于单层，计算时，地震信息中，将不考虑双向地震作用，只计算单向地震中的反应。通常情况下，这种结构体系，通常会伴随扭转振动。由于工业厂房的局部大荷载，以及结构的体型的特殊形式，又由于工艺条件的限制，结构计算satwe最后计算的结果，第一周期的平动系数刚好符合《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）相关要求。

SATWE计算结果

3.2ABAQUS分析

ABAQUS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有强健的计算功能和广泛的模拟性能，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程，对于分解静态和准静态问题，或者稳态和动态问题，都有超强的分析能力[2]。

考虑到结构的复杂形态，为了更好的了解排架与框架部分连接处情况，决定采用ABAQUS分析程序对本结构进行静态的分析。

在建模的过程中结构同样需要简化。1将实际结构中的结构梁、柱转化为空间杆，框架部分的楼板采用壳单元（ABAQUS中定义板）2考虑到屋架对整体结构的动力反应较小，屋架部分仍简化为轴力杆件，并赋予杆件质量值很小，为了更好描述结构的真实情况，在结构两侧及中间加上斜撑，整体性加强；排架屋面将不设楼板，刚性杆件与柱等效铰接。ABAQUS程序运算后，最终得到的如下振型（图3~图7）：

由图可知，ABAQUS程序第一振型伴随着扭转的平动为主，前三振型均与SATWE程序计算结果基本吻合。在分析过程中我们得到的第5振型（图7）值得注意，排架部分等效为框架部分抗震能力较弱。对于此种结果，正好验证了最初的担忧。在得到此种结果下，我们对横向每一榀桁架又进行单独计算，使每榀柱及连系梁发挥较好的抵御地震能力。

4结论

太阳能产业作为新兴生产力的行业，此类主厂房的建设会成为主要模式，有必要对其进行理论分析，找出相对不安全部位进行加强。通过对结构模型的分析，主要得出以下结论及建议：

1）本结构STAWE程序平面无限刚计算与ABAQUS程序计算程序对比，STAWE程序未反映出部分结构反应模态。

2）由ABAQUS第5振型（图7）得出，C~F之间排架在地震力单独作用下偏于不安全，建议排架处除空间计算外，进行相应的单榀框架计算。本结构计算结果显示，与原有整体计算排架处结果比较，柱配筋比原有计算小20%，梁配筋比原有计算大10%，基于此结果，排架处梁、柱做了相应调整。

3）由SATWE程序及ABAQUS程序分析均显示Y向方向变形一致，则Y向偏于安全，排架只需验算X向。

4）为了减小结构整体的扭转效应，建议类似结构的上、下处作为排架支点的框架结构，周期变形协调一致。

5）建议在条件允许的情况下，框排架处建议设缝，避免扭转效应对结构的不利影响。

6）ABAQUS分析方法需要进一步研究，可以对原结构进行较好的拟合，便于分析结构的静态模态的变形，对于主厂房结构设计有一定的指导意义。

7）欢迎接触到类似结构形式的同行们进一步的探讨切磋。

注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看