一种基于实测地形的山地双层柔性光伏支架受力分析方法及系统与流程

本发明属于光伏电站钢结构力学仿真分析，具体为一种基于实测地形的山地双层柔性光伏支架受力分析方法及系统。

背景技术：

1、全球清洁能源战略推动山地光伏大规模开发。传统刚性光伏支架应用于山地时，场地平整工程量大、生态破坏严重、大跨区域造价高。柔性光伏支架因其自重轻、地形适配性强、可保留下方农作物种植空间等优点，已成为山地大跨度光伏的主流方案。山地双层柔性光伏支架由承重索、组件索、抗风索及端柱、斜撑、内撑、三角撑等构件组成。

2、现有柔性支架受力分析存在以下问题：其一，有限元建模均采用平地统一标高简化模型，未导入现场实测山地高程点云，忽略山地高低落差、不规则地块、边跨与中间跨约束差异，计算挠度、钢绞线内力、端柱基础反力与现场真实受力偏差超20%，张拉后频繁出现跨中沉降超标、离地净空不足、边跨下挠过大等工程问题。其二，行业仅定性认知“增大索直径、提高预应力可减小支架下挠”，未区分承重索、组件索两类核心受力钢绞线对整体挠度的差异化影响效率，索径选型、张拉预应力配比依靠经验，易出现钢绞线规格过度冗余、建设成本大幅上升。其三，常规建模仅计入光伏自重，风、雪荷载采用整体均布加载，未采用双向节点导荷；山地25年重现期风振系数、正负风压体型系数未精细化区分，缺失正常使用极限状态、承载能力极限状态双工况校核，无法同步校验钢绞线是否存在超破断力断裂风险。

3、现有公开文献多针对平坦场地单层或双层柔性支架开展仿真分析。在建模环节，通常将支架两端支座置于同一标高，建立等高约束的简化有限元模型，未考虑实际山地地形中端柱与中柱的竖向高度差异。在参数优化环节，通常同步等比例调整承重索与组件索的直径或预应力，未对两类索的影响进行独立量化分析。在荷载施加环节，风荷载按均布面载整体施加，雪荷载和自重按集中力简单加载。在校核环节，主要关注跨中挠度是否满足规范限值，较少系统校核承载能力极限状态下钢绞线的破断力安全储备。

4、现有技术因平地简化建模，无法真实反映山地场地边跨约束薄弱、立柱不等高的力学边界，导致计算失真；因缺乏承重索与组件索的差异化影响量化数据，索径和预应力配比依赖经验，易造成过度冗余或取值偏低；因未区分精细化风压系数和双工况校核，无法同步保证2.5m离地净空和钢绞线不断裂。总体而言，现有技术尚未形成一套依托山地实测地形、量化双层柔性支架预应力变形影响、输出标准化选型张拉参数的完整受力分析流程，山地光伏柔性支架设计缺乏量化、标准化的技术手段。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于实测地形的山地双层柔性光伏支架受力分析方法及系统，解决了现有平地简化建模无法真实反映山地地形，缺乏承重索与组件索差异化量化依据，导致仿真失真和设计靠经验的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种基于实测地形的山地双层柔性光伏支架受力分析方法，包括以下步骤：

4、获取山地光伏项目的地形实测数据、结构设计参数及荷载参数，建立带坐标信息的三维地形点云数据集；

5、将所述三维地形点云数据导入有限元软件，按光伏阵列网格划分单元，使每一根立柱匹配独立实测标高，建立差异化地形的高精度有限元模型；

6、基于所述高精度有限元模型，采用控制变量法分别改变承重索和组件索的有效直径及张拉预应力，提取各组模型在正常使用极限状态下的跨中最大竖向挠度，拟合得到直径-挠度线性曲线和预应力-挠度线性曲线；

7、根据所述直径-挠度线性曲线和预应力-挠度线性曲线的斜率，确定承重索与组件索的直径匹配方案和张拉预应力配比方案；

8、采用所述直径匹配方案和张拉预应力配比方案对高精度有限元模型进行校核，输出优化方案。

9、根据本发明的一个实施方式，所述地形实测数据通过无人机对山地光伏阵列地块开展全域三维测量获取，包括地块边界、立柱定位坐标、边坡坡度和各立柱点位实测标高。

10、根据本发明的一个实施方式，所述荷载参数包括风振系数、正风压体型系数、风吸逆风体型系数和风压高度变化修正系数，所述结构设计参数包括标准大跨水平投影长度、光伏组件尺寸、竖向布置倾角、最小离地净空限值、结构设计工作年限和结构重要性系数，荷载施加采用双向节点导荷模式。

11、根据本发明的一个实施方式，所述高精度有限元模型中，承重索、组件索和抗风索采用框架单元模拟，框架单元端部铰接释放，通过修正框架单元惯性矩降低单元刚度以模拟钢绞线柔性力学特性，端柱底部与地梁固结，地梁与地基设置固定约束；抗风索末端锚固于端柱内撑与斜撑交界节点。

12、根据本发明的一个实施方式，所述高精度有限元模型设置有正常使用极限状态工况和承载能力极限状态工况，所述正常使用极限状态工况用于控制竖向挠度和校核离地净空，所述承载能力极限状态工况用于校核所有钢绞线内力是否小于对应钢绞线破断力。

13、根据本发明的一个实施方式，所述拟合得到直径-挠度线性曲线和预应力-挠度线性曲线中，固定预应力后分别改变承重索和组件索的有效直径，提取跨中最大竖向挠度，分别拟合组件索直径-挠度曲线和承重索直径-挠度曲线，计算组件索挠度影响斜率和承重索挠度影响斜率，固定索径后分别改变承重索和组件索的张拉预应力，提取跨中最大竖向挠度，分别拟合组件索预应力-挠度曲线和承重索预应力-挠度曲线，计算组件索预应力挠度斜率和承重索预应力挠度斜率。

14、根据本发明的一个实施方式，所述承重索与组件索的直径匹配方案和张拉预应力配比方案中，在结构安全储备范围内，组件索有效直径小于承重索有效直径，在同等钢绞线总截面积下，承重索直径更大的组合整体挠度更小，组件索施加预应力小于承重索施加预应力。

15、根据本发明的一个实施方式，所述校核包括：读取位移云图识别最大竖向下挠区域，若边跨竖向位移超出最小离地净空限值，则优先增大承重索有效直径，其次提升组件索张拉预应力，若风吸工况下支架向上抬升位移或水平位移超标，则在支架两侧增设侧拉索。

16、根据本发明的一个实施方式，所述优化方案包括承重索直径规格、组件索直径规格、分级张拉预应力数值、端柱基础截面优化参数和三角撑截面优化参数，以及不同索径和预应力组合的造价对比报表。

17、本发明还提供一种基于实测地形的山地双层柔性光伏支架受力分析系统，，包括：

18、数据采集模块，用于获取山地光伏项目的地形实测数据、结构设计参数及荷载参数，建立带坐标信息的三维地形点云数据集；

19、有限元建模模块，用于将所述三维地形点云数据导入有限元软件，按光伏阵列网格划分单元，使每一根立柱匹配独立实测标高，建立差异化地形的高精度有限元模型；

20、参数化仿真模块，用于基于所述高精度有限元模型，采用控制变量法分别改变承重索和组件索的有效直径及张拉预应力，提取各组模型在正常使用极限状态下的跨中最大竖向挠度，拟合得到直径-挠度线性曲线和预应力-挠度线性曲线；

21、优化匹配模块，用于根据所述直径-挠度线性曲线和预应力-挠度线性曲线的斜率，确定承重索与组件索的直径匹配方案和张拉预应力配比方案；

22、校核输出模块，用于采用所述直径匹配方案和张拉预应力配比方案对高精度有限元模型进行校核，输出优化方案。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种基于实测地形的山地双层柔性光伏支架受力分析方法，首先获取地形实测数据建立三维点云数据集，导入有限元软件后使每一根立柱匹配独立实测标高，建立差异化地形的高精度有限元模型，解决了传统平地简化模型忽略山地起伏和边跨约束差异导致的仿真失真问题，使挠度与内力计算更贴合实际工况。基于该模型采用控制变量法分别改变承重索和组件索的有效直径及张拉预应力，提取跨中最大竖向挠度并拟合直径-挠度曲线和预应力-挠度曲线，通过斜率对比量化两类索对挠度的差异化影响效率，使索径选型和预应力配比从经验依赖转向量化计算。最终校核输出优化方案，在满足山地最小离地净空约束和钢绞线强度安全的前提下实现工程造价最优，该方法形成了从地形采集到参数优化的完整分析流程，为山地光伏柔性支架设计提供了量化、标准化的技术手段。