光伏支架結構設計軟件PV_SAP是由北京筑信達工程咨詢有限公司研發的專門用于光伏支架設計的軟件。PV_SAP基于SAP2000有限元分析平臺定制化開發，適用于光伏支架結構的建模、分析、設計、優化和計算書輸出。建模部分通過軟件內置的參數模板，實現支架形式定義、截面定義、荷載自動施加、自動生成SAP2000有限元分析模型。分析設計使用SAP2000軟件的分析與設計模塊，保證計算分析的準確性。PV_SAP支持鋼構件設計和冷彎薄壁桿件設計。本文介紹光伏支架設計軟件的各個功能。
多種支架類型
光伏支架結構設計軟件（以下簡稱PV_SAP）可以實現單支柱、雙支柱雙斜撐、雙支柱單斜撐、跟蹤支架1P、跟蹤支架2P五種類型支架的建模與設計。光伏支架結構設計軟件PV_SAP的操作界面如圖1所示。軟件界面包括菜單區、導航欄、視圖區、狀態欄。
圖1 光伏支架設計軟件界面
圖2 光伏支架類型
高效建模工具
光伏支架有固定式光伏、跟蹤式光伏、柔性光伏支架等多種形式，其中固定式光伏支架和跟蹤式光伏支架形式固定，可以通過參數化方式建模。光伏支架結構中的構件有鋼構件和冷彎薄壁構件兩種類型，在PV_SAP中支持多種類型截面的定義。整個建模過程中也做了一些自動化處理，提升建模效率。
1. 參數化建模
參數化建模根據支架形式輸入組件、支架、支點等信息，生成支架模型。生成的模型可以進行整體的編輯和調整。構件的截面設置、支撐設置等通過參數化窗口進行管理，在編輯支架時更加的方便。建模窗口中提供多種視圖顯示支架結構，分別為平面圖、立面圖和三維視圖。平面圖顯示是組件平面圖，可以查看組件的布置。
圖3 參數化建模窗口
2. 截面定義
截面形式有型鋼截面和冷彎薄壁桿件。在PV_SAP中可以定義標準的型鋼截面，冷彎薄壁桿件變化比較多，在PV_SAP中支持多種類型截面的定義。截面可以自定義，也內置了型鋼截面庫，鋼構件支持多國規范的型鋼庫，冷彎截面支持國標截面。
圖4 截面定義
軟件可以定義的冷彎截面形式如圖5所示，其中方鋼管、等邊角鋼、槽鋼、卷邊槽鋼、卷邊Z形鋼內置了《冷彎薄壁型鋼結構技術規程》附錄中的截面，可以按照截面名稱進行導入。
圖5 冷彎薄壁桿件截面形式
3. 模型編輯
截面形式有型鋼截面和冷彎薄壁桿件。在PV_SAP中可以定義標準的型鋼截面，冷彎薄壁桿件變化比較多，在PV_SAP中支持多種類型截面的定義。截面可以自定義，也內置了型鋼截面庫，鋼構件支持多國規范的型鋼庫，冷彎截面支持國標截面。
4. 荷載定義與指定
光伏支架結構中的主要荷載是組件荷載、風和雪荷載，組件荷載在參數話建模中進行指定，風和雪的參數在工程信息中進行輸入，荷載的具體計算是根據《光伏支架結構設計規程》中的相關條文進行進行計算，并將荷載施加到檁條上，荷載的具體計算過程可以在計算書中查看，荷載值可以直接在軟件中查看。
圖6 荷載查看
5. 自動化處理
在建模過程中做了自動化處理，如桿件端部約束關系的指定、荷載組合自動生成、荷載自動計算等，同時也提供編輯窗口可以對其進行編輯。荷載組合根據規范自動生成，集成了新舊版本的規范。荷載組合支持編輯，可以在軟件中直接編輯，也可以導出為Excel文件進行編輯。
圖7 荷載組合
分析及結果查看
建模完成后，調用SAP2000軟件生成模型，并進行分析與設計，生成的SAP2000模型是一個單獨的文件，分析完成后，可以在SAP2000中查看分析結果，也可以直接光伏支架軟件中查看分析結果，包括分析內力、變形、撓度等結果。
圖8 SAP2000模型內力顯示
光伏支架結構分析內力，可以選擇內力包絡圖或者某個荷載組合顯示桿件的軸力、剪力、扭矩、彎矩值。
圖9 PV_SAP分析結果顯示
變形結果顯示光伏支架結構變形圖，選擇某個荷載組合，顯示光伏支架的整體變形。
圖10 PV_SAP變形結果
完善的桿件設計
PV_SAP軟件可以進行鋼構件設計和冷彎薄壁桿件設計，并支持構件的優化設計。鋼構件設計使用SAP2000的設計結果，冷彎構件設計是根據SAP2000軟件分析的內力結果，在PV_SAP中依據規范進行構件的設計。設計完成后，可以查看各構件的應力比結果。如圖12所示。
圖11 應力比
冷彎構件的設計在PV_SAP中完成，顯示結果可以顯示應力比，也可以顯示冷彎構件的設計過程。使用冷彎設計細節功能，可以查看單構件在所有荷載情況下的強度設計結果和穩定設計結果（圖12）。單擊設計過程，可以查看設計過程中使用的各項參數（圖13）。
圖12 冷彎構件設計細節對話框
圖13 冷彎構件設計過程
設計完成后，使用優化設計功能對光伏支架進行桿件優化設計，根據設置的限定條件，選擇最優的桿件截面（最優截面是指滿足受力條件及應力比范圍的截面面積最小的桿件截面）。一根桿件的可選截面是指與該桿件指定的截面相同類型的所有截面的集合。例如，用戶指定了某支柱的截面為型鋼庫中的環形鋼管GB-SP180X8，則型鋼庫中的所有環形鋼管截面都是該支柱的可選截面；如果某個桿件的截面為自定義的箱型截面，則該桿件的可選截面為用戶自定義的所有箱型截面。
以某單支柱光伏支架為例，初選截面和優化后的截面及相應應力比如下表。從表中可知：當初選截面偏大時，優化后的截面會減小；反之則會增大；程序最終選到滿足要求的最小截面為止。下表中的斜梁和檁條，初選截面偏大，經過優化后，得到應力比為0.8的優化截面。對于下表中的柱斜撐，初選截面為C12，長細比不滿足限值要求，優化后程序按照最小長細比限值要求(1/120)確定合理截面C14a。對于下表中的支柱，初選截面為P127x7，計算后發現其受力較小，為長細比控制；程序最終優化的截面也是滿足長細比要求限值(1/150)的截面P121x4。
表1 優化設計結果
a）優化前設計結果 |
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b）優化后設計結果 |
圖14 桿件優化
詳細的計算書
計算書部分可以設置輸出的計算內容，在輸出冷彎構件的設計結果時，可以按照表格方式輸出，也支持設計過程輸出。如圖15所示。在計算書中，也輸出了荷載簡圖和內力簡圖。
圖15 計算書設置選項
圖16 荷載簡圖和內力簡圖輸出