前言

主要以一个简单的单层悬索案例来展开，仅作学习使用(限于水平有限，相应的一些知识点需要读者做甄别)

结构选型之受力特点分析

1. 结构组成：单层悬索结构一般由梁柱组成的主钢架、斜拉、平行于组件平面的支承索以及防风索等主要构件组成，是一种张力结构，索系形成下凹的单曲率曲面，索体两端通过锚固装置固定在支承结构上。

2. 受力特点：结构形式简单、受力模式单一，通过张拉组件支承索获得应力刚度形成自平衡体系。

3. 优点：可以布置成多种形式，构造和计算简单、施工方便，施工效率高。

4. 缺点：全柔性结构，整体刚度(索体刚度)弱，在强风作用下，会产生较大变形，容易整体失稳，组件存在隐裂风险，在实际应用时对其技术要求较高，并且要求具有相应的抗风措施。

5. 适用范围：适用于跨距不超过20m的小跨距柔性支架，可应用于随坡布置的复杂地形，布置成连续多跨的长阵列形式，挠度限值可适当降低，单块组件之间保持一定间隙，风压大的地区(如25年超过0.45)及10m以上跨距宜设置防风装置。

单层悬索的建模以及分析

单元类型

板单元

组件面板：组件面板只参与导荷，将作用于组件上的恒载、风荷载、雪荷载传递给拉索，不做受力分析，用板单元模拟组件，可以用虚面，也可以用零质量的薄板(纯sap2000里面的一些理论概念)。

框架单元

梁、柱、支撑：框架单元是柔性支架的主要单元类型，梁柱属于平面或空间梁单元(广义的)，支撑属于二力杆，拉索也可以定义为单向受拉的二力杆(前面的文章中有详细讲到相应的用框架单元模拟索的力学性质以及操作步骤：关于索结构的一些知识整理~初识)。

索单元

在SAP2000中拉索也可以用索单元(Cable)模拟。

建立CAD三维辅助线

1. 在CAD中定义图层，用直线命令绘制拟分析模型中单元的辅助线，将代表各单元的辅助线指定相应图层，将绘制好的CAD文件保存成DXF格式。

2. 新建分析模型，将上述CAD文件导入SAP2000中。

建立板单元

定义材料与截面属性

材质如下：

1. 边梁：H200X125X4X6 (Q355B)

2. 中梁：C170X60X20X2 (S350GD)

3. 边柱: 圆管89X4 (Q235B)

4. 中柱：圆管60X3 (Q235B)

5. 斜撑：圆管89X4 (Q235B)

6. 撑杆：C50X50X15X2 (S350GD)

7. 组件支承索：12.7mm

荷载类型介绍

荷载种类

1. 恒载：预拉力、组件自重、结构自重(拉索+钢结构自重)

2. 风荷载：风压力、风吸力

3. 雪荷载:

4. 施工检修荷载：作用于拉索上的集中荷载(很多时候用不到)

5. 温度作用：安装温度与使用温度的温差(跨度越大，温度效应越明显)

6. 地震作用：水平地震作用、竖向地震作用

荷载施加方法

• 组件自重、风荷载、雪荷载-采用面荷载施加方式，按照荷载等效原则，将作用于组件面板上的荷载折算为作用于拉索面域上的荷载，并最终将荷载导算到组件与拉索的接触节点上。(方向分别为：重力方向、局部轴方向、重力投影方向）；

• 预拉力-采用SAP2000中的降温法/目标力法施加；

• 施工检修荷载-按节点荷载施加；

• 温度作用-采用指定温度荷载；

• 地震作用-定义地震作用工况；

案例数据

1. 组件尺寸：2384x1086x35mmx32.6kg

2. 风荷载：0.3(25年)/0.3(50年)

3. 雪荷载：0.26(25年)/0.3(50年)

4. 项目地抗震设防烈度：6 度，设计基本地震加速度值：0.05g，多遇地震影响系数最大值αmax=0.04

5. 组件倾角：0度(实际组件角度不是0度，这里为了建模方便采用0度，不太影响相应的结构计算)

6. 拉索间距：1300mm

参数选择

备注：参数的选择因人和具体工程以及规范的选用和实际项目经验等等区别可能很大，仅作参考

1. 非线性效应：考虑 P-△效应与大位移效应

2. 结构重要性系数：1.0

3. 风荷载体型系数、积雪分布系数：按照 NB/T 10115-2018《光伏支架结构设计规程》取值

4. 风阵系数：按照 JGJ 257-2012《索结构技术规程》取为1.3

5. 山地地形修正引起的风压高度变化系数：1.5

三维拉伸图

荷载计算

恒载

柔性支架自重由程序自动计算，组件自重 32.6kg，乘以 1.1 的放大系数来考虑节点的重量。相邻两道组件支承索间距 1.3m，计算时换算为作用于组件面板的均布面荷载，面荷载取值为：32.6x9.8/2.384/1.086x2.384/1.3x1.1/1000=0.249 kN/m² ，恒荷载在模型中的施加示意如下：

风荷载 W 根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，风荷载标准值计算公式如下 Wk=βz·μs·μz·Wo 

式中：

Wk：风荷载标准值 

βz ：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 

Wo：基本风压 50年重现期基本风压：0.3 kN/m²， 

根据 NB/T 10115-2018 《光伏支架结构设计规程》表 4.1.3-1 取体型系数μs：0.8，-0.95

地面粗糙度类别：B 类 

山地项目考虑地形修正，取风压高度变化系数μz：1.3

高度 z 处的风振系数βz：1.5

50 年重现期风荷载标准值 

风压力标准值Wk：1.5x0.8x1.3x0.3=0.468 kN/m² 

风吸力标准值Wk：1.5x(-0.95)x1.3x0.3=-0.5558 kN/m² 

1）风压力 Wz 换算为作用于组件面板的均布面荷载：0.468x2.384/1.3 = 0.858 kN/m²，风压力在模型中的施加示意如下：

2) 风吸力 Wp 换算为作用于组件面板的均布线荷载：-0.5558 x2.384/1.3 = -1.019 kN/m²，风吸力在模型中的施加示意如下：

雪荷载 S 根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，雪荷载标准值计算公式如下 

Sk= μr.So 

式中：

Sk：雪荷载标准值（kN/m²） 

μr：屋面积雪分布系数 

So：基本雪压（kN/m²） 

项目所在地 50 年重现期基本雪压：0.3 kN/m² 

屋面积雪分布系数μr：1.0 (10 度) 

雪荷载标准值Sk：1.0x0.3=0.3 kN/m² 

换算为作用于拉索的均布面荷载：0.3*2.384/1.3 = 0.550 kN/m² ，雪荷载在模型中的施加示意如下：

地震作用

对于大跨度的，比如跨度超过60m的，建议考虑竖向地震作用，如果跨度小于60m,当为7度及以下的地区，都可以不用考虑地震的影响，一般要考虑也是考虑水平地震作用，如果都考虑的话那在水平地震和竖向地震之间也要考虑一个组合值系数。

项目地抗震设防烈度较低，地震加速度值较小，加之光伏支架本身为轻型结构，重力荷载代表值较小，故可忽略地震作用对光伏支架结构的影响，支架按非抗震进行设计。

温度荷载

升温荷载

降温荷载

荷载组合

1. 导入模板(大大提高效率)：还有里面的一些加载的顺序，结合前面整理的一些东西可以相互印证，直接导入s2k文件
2. 定义荷载工况需要注意的一些问题
3. 定义荷载组合基本组合：


1.3恒载+1.5风压+1.5*0.7雪压+预应力-风压主控
1.3恒载+1.5*0.6风压+1.5雪压+预应力-雪荷载主控
1.0恒载+1.5风吸+预应力-风吸主控


标准组合：

1.0恒载+预应力-初始态
1.0恒载+1.0风压+0.7雪压+预应力-风压主控
1.0恒载+0.6风压+1.0雪压+预应力-雪荷载主控
1.0恒载+1.0风吸+预应力-风吸主控

钢绞线参数设置

索应力-应变换算公式

• 胡克定律：

• △L=FL/EA

• △L/L=F/EA

• ε=σ/E

• ε=α△T

• 参数

• △L-变形量

• L-原长

• F-轴力

• A-横截面面积

• ε-线应变

• σ-横截面上的正应力

• α-温度线膨胀系数

• △T-温差

知识点

根据经验：初拉力一般在破断力的15%~25%之间，一般需要初步的判断施加多大的一个轴力值，保证索的挠度值在合理的范围之内，而且初始态的找形(施加完预拉力所产生的变形是可以抵消一部分组件的自重等荷载产生的变形的，以这个为前提来施加预拉力)，对于这种单层悬索结构，很难保证在初拉力状态下有很小的变形，可以有一定的一个较小的变形，也是可以放松的。

在荷载下，组件索不管是风压力还是风吸力下都不能有松弛的情况(松弛就是索的内力为0，这种情况是不允许的，对于多层索结构，可以允许部分索单元出现0的，也即应力松弛，比如鱼腹式结构，在风压力作用下，承重索起作用，稳定索不起作用，相应的轴力可以是0，在风吸力作用下，稳定索起作用，相应的承重索不起作用，可以为0，当然这是后面的一些内容要说的结构形式)

多单层索结构需要施加多大的预拉力？

对于公称直径是12.7的索(其中相应的有效直径为11.21mm，有效截面面积为98.7mm²)，强度等级取1860，相应的破断力为184kN(98.7mm²x1860N/mm²=184kN)，取15%，相应的轴力是27.6kN。

方式一：采用降温法

带入表格中进行相应的试算，带入表格计算后会有一个温差值，用这个温差值代入sap2000中采用降温法的方式，然后运行查看dead工况下的挠度(施加预拉力后再安装上组件之后的挠度，如果发现挠度很小，说明这个值还是施加的相对比较的靠谱)

方式二：采用目标力的方法

目标力法的核心是迭代计算，计算时间稍微长一点，有一定的偏差值。通过对这两种方式进行一个对比：使用降温法施加的内力大于目标力的施加的方式。(两种方式都可以采用：也即要么调整降温法的温度，要么调整目标力的大小)(有兴趣的话可以用两个小例子分别比较降温法和目标力法的一个区别)

更进一步，可以采用框架单元来模拟，并且还需要对三种方式做一个对比，看看有哪些差异(注意需要输入有效直径以及截面的属性进行修正：抗弯刚度，绕2/3轴的惯性矩 ，具体的一些操作步骤前面的文章也是有提到的)，既要将面与框架单元之间进行分割，也要将小段的框架进行内部剖分(200mm)。

    在当前的预应力值下，接着看标准组合下的一个挠度140mm，相对来说也还好(因为跨度是6000mm)，规范的要求是跨度的1/50，这样的情况离满足规范要求还差一点。

最终通过不断的试算，将组件的预拉力控制在40kN左右，此时的挠度满足相应的控制要求。

正常使用极限状态挠度控制

    初始态变形值25.2 mm，满足结构初始预应力状态下挠度容许值不大于L/250 的要求。(挠度的限值要求需要做一些相应的说明)

数据的提取

提取支座反力

备注：数据的提取是做了一定的修改的，原版的数据格式不是这样的，这里是为了后续的出来人为在导出的excel中做的处理。

另外考虑地震作用

直接考虑相应的荷载组合即可

•  1.0D+0.2Wz+1.0EX

• 1.0D+0.2Wz+1.0EY
  

后记

后续是一些设计的细节，余不赘述......