《大跨度钢屋面及光伏一体化系统抗强台风关键技术研究》

来源：《钢结构（中英文）》

中文标题：《大跨度钢屋面及光伏一体化系统抗强台风关键技术研究》

英文标题：Research on Key Techniques for LongSpan Steel Roofs and Rooftop PV Systems Against Strong Typhoons

作者：徐康，王元清，辛志勇，周猛，钟启鸿，李威

发表期刊：《钢结构（中英文）》(STEEL CONSTRUCTION (Chinese & English))

发表信息：2025 年第 40 卷第 10 期，第 2233 页 · DOI：10.13206/j.gjgS25091801

作者单位：清华大学土木工程系；中建西南勘察设计研究院有限公司

基金项目：国家重点研发计划子课题（2022YFC3800804）

摘要

在厂房、会展中心等大跨度钢结构屋面上铺设光伏组件，实现钢屋面光伏一体化，是建筑实现光伏发电、降低建筑碳排放的重要路径。我国东南沿海台风多发，强台风带来的强负压风吸力经常造成屋面围护系统撕裂、光伏板整体掀翻脱落，带来严重安全事故与经济损失。本文针对大跨度钢屋面光伏一体化系统开展风洞试验、构件静力试验与整体有限元数值模拟，研究光伏组件对屋面风荷载分布的干扰效应，分析支座夹具、檩条、屋面压型钢板的破坏失效模式，研究夹具夹紧力、檩条截面选型、光伏排布方式、抗风加固措施对系统抗台风能力的影响。研究发现：光伏板会改变屋面气流场，局部区域风吸力显著放大；夹具滑移、压型钢板撕裂是一体化系统最主要失效模式。提出夹具扭矩控制、檩条加强、光伏板排布优化、增设抗风压条成套抗台风技术措施。研究成果可为沿海台风区钢屋面光伏一体化工程设计提供参考。

English Abstract

Integrating photovoltaic(PV) modules on longspan steel roofs is an important way to realize power generation and reduce building carbon emission. In southeast coastal China frequently hit by typhoons, strong negativepressure suction under typhoon often causes tearing of roof enclosure systems and overall overturning of PV panels, resulting in severe safety accidents and economic losses. Wind tunnel tests, component static tests and overall finiteelement numerical simulations were carried out for longspan steelroofPV integrated systems. The interference effect of PV panels on roof windload distribution was studied, and failure modes of clamps, purlins and profiled steel sheets were analyzed. Influences of clamp pretightening force, purlin section selection, PV layout and antityphoon reinforcement measures on windresistance performance were investigated. The results indicate that PV panels alter roof airflow field and amplify local wind suction. Clamp slippage and profiledsteelsheet tearing are dominant failure modes of integrated systems. A set of antityphoon technical countermeasures including torque control for clamps, purlin reinforcement, layout optimization of PV panels and additional windresistant pressure strips were proposed. The findings provide reference for design of steelroofPV integrated projects in typhoonprone coastal regions.

研究背景

一、钢屋面光伏一体化应用趋势

“双碳” 战略推动建筑光伏快速发展，大跨度钢结构厂房、会展场馆屋面面积大，非常适合布置光伏组件。钢屋面光伏一体化系统，不需要额外设置混凝土基座，直接使用金属夹具把光伏支架固定在压型钢板屋面上，建设速度快，经济性好，近几年应用规模爆发式增长。

二、沿海台风地区突出工程痛点

我国东南沿海每年多次遭遇强台风。工程事故调研表明：台风作用下，钢屋面光伏系统破坏不是光伏板自身破坏居多，更多是夹具滑移、压型钢板被撕裂，造成成片光伏组件被整体掀飞，坠落物对地面人员设备构成重大安全威胁。光伏板的存在改变屋面表面气流，会改变屋面风吸力大小与分布；很多工程直接照搬内陆无风台风地区做法，没有考虑光伏带来风荷载放大效应，围护构件、夹具选型不足，存在巨大安全隐患。

三、现有研究的短板

现有风荷载规范主要针对裸屋面，对铺设光伏组件之后屋面风荷载干扰效应研究尚不充分；对夹具压型钢板连接节点抗风揭性能、系统失效演化机理缺少系统试验，缺少成套可落地的抗台风构造措施，工程设计主要依靠经验。因此开展大跨度钢屋面光伏一体化系统抗强台风关键技术研究，具有显著工程价值。

研究内容

（一）屋面风洞试验研究

开展缩尺屋面风洞测压试验，分别测试裸屋面、不同排布方案光伏屋面的风压分布，对比分析光伏组件对屋面局部风吸力放大效应。试验结果：屋面边角、檐口区域本身风吸力最大；布置光伏板之后，光伏板与屋面之间形成气流通道，檐角、屋面边缘位置局部风吸力进一步放大，该部位是抗风设计关键危险区。

（二）连接节点抗风揭静力试验

开展夹具压型钢板连接节点抗风揭静力试验，变量包括夹具扭矩、夹具型号、压型钢板基板厚度。主要失效模式分为两类：①夹具预紧扭矩不足，发生夹具滑移脱出；②扭矩足够情况下，压型钢板波峰位置被撕裂破坏。夹具扭矩过小发生滑移；扭矩过大又会造成压型钢板局部压溃损伤，存在合理扭矩控制区间。

（三）整体系统有限元参数分析

建立包含压型钢板、檩条、夹具、光伏支架的精细化整体有限元模型，模拟风吸力逐级增大下的失效全过程。参数变量：檩条截面规格、压型钢板厚度、光伏板排布间距、是否增设抗风压条。分析表明：屋面边缘区域檩条受力远大于中部屋面；仅加厚压型钢板效果有限，必须同步加强檩条，并且对边角区域增设抗风压条约束光伏支架。

（四）成套抗台风工程技术措施总结

1）风荷载取值：屋面檐口、转角边角区域，需要考虑光伏板引起的风吸力放大系数，不可直接套用裸屋面风压； 2）夹具施工：严格控制夹具螺栓扭矩，扭矩过小易滑移，过大压溃钢板，给出推荐扭矩区间，现场采用扭矩扳手管控； 3）构件选型：屋面边角危险区域，提高压型钢板基板厚度，加密或者加大檩条截面； 4）光伏排布：屋面檐口周边预留无风光伏的边缘带，不在风压最大的边角满铺光伏组件； 5）构造加强：屋面边角部位增设抗风压条，把光伏支架压紧在屋面板上，阻止夹具滑移。

结论

（1）光伏组件会改变大跨度钢屋面气流场，屋面檐口、转角边角局部风吸力出现放大，该区域是钢屋面光伏一体化系统抗台风的薄弱部位。 （2）一体化系统主要失效模式：夹具滑移脱出、压型钢板波峰撕裂，其次才是檩条弯曲破坏；单纯加厚屋面板不能完全解决抗风揭问题，需要夹具、屋面板、檩条协同加强。 （3）夹具螺栓预紧扭矩存在合理区间，扭矩不足发生滑移，扭矩过高造成压型钢板局部压溃，现场施工需要扭矩扳手进行质量管控。 （4）提出包括风荷载放大取值、夹具扭矩控制、构件选型优化、光伏排布、增设抗风压条的成套抗台风技术，可供台风多发沿海地区钢屋面光伏一体化工程设计、施工参考。 （5）后续建议进一步开展足尺系统风揭循环加载试验，研究反复风荷载下夹具扭矩松弛规律，完善相关行业技术规程。