• 作者：袁毅　　
• 出处：《钢结构（中英文）》，2026，41 (03) 　　
• 主题：针对光伏钢结构支架的新型截面主梁，研究抗扭性能、受力特点与设计优化方法
• 平单轴光伏跟踪支架属于典型风敏感轻型钢结构体系，大风作用下光伏阵列会对主梁产生显著扭转荷载，主梁抗扭承载力直接决定整套跟踪支架运行安全与使用寿命。现行钢结构设计规范存在明显空白：国外 AISC 标准仅给出矩形、圆形闭口钢管截面抗扭设计计算公式，并未针对工程中广泛应用的多边形薄壁管建立配套验算方法；国内现行钢结构规范也缺少薄壁构件扭转承载力完整计算体系，多边形主梁设计长期缺乏理论依据。本文结合薄壁壳单元屈曲稳定理论、国外钢结构规范基本原理，搭配精细化有限元数值模拟手段，系统对比不同边数、不同宽厚比多边形闭口截面主梁的纯扭转受力、约束扭转屈曲演化规律，量化截面几何参数对抗扭极限承载力、扭转刚度、临界屈曲剪应力的影响规律。计算结果表明，当多边形管壁宽厚比控制在规范限定区间内时，基于稳定理论推导的理论计算公式与有限元仿真结果吻合度较高，据此文章推导适配多边形主梁的抗扭承载力简化计算式；同时结合平单轴跟踪支架主梁弯扭耦合受力特征，从截面边数、壁厚、圆角过渡、截面轮廓尺寸等维度给出轻量化优化设计方案，可为地面光伏电站多边形跟踪主梁工程设计、行业专项设计标准编制提供理论支撑与计算参考。

一、研究背景与工程痛点

光伏平单轴跟踪系统依靠主梁（扭矩管）承载整片光伏组件，可沿南北向转轴旋转调节太阳入射角，显著提升光伏发电量。整套支架自重轻、迎风面积大，风荷载为控制设计的主导荷载；不同风向、不同跟踪倾角下，风压分布不均匀，会在主梁内部形成持续交变扭矩，极易引发主梁扭转变形、局部管壁屈曲，严重时造成跟踪机构卡滞、光伏组件倾覆损毁。

当前工程主流主梁分为三类截面：圆形钢管、矩形方管、多边形闭口薄壁管（六边形、八边形为主）。多边形截面兼顾抗弯、抗扭双重优势，相同用钢量下综合力学性能优于传统方管，且型材轧制、现场连接件匹配性更好，近年在大型地面光伏电站大规模推广。但设计层面存在关键短板：

1. 规范缺失：国内外钢结构标准仅覆盖圆管、矩形管扭转验算，无多边形截面专用抗扭承载力计算公式，设计师只能近似套用矩形管公式，计算误差大，易出现设计偏保守或安全储备不足问题；
2. 受力复杂：平单轴主梁同时承受横向弯曲、轴向力与交变扭矩，属于典型弯扭耦合构件，单纯依靠单一截面模量无法准确评估扭转屈曲风险；
3. 薄壁失稳风险：光伏主梁普遍采用冷轧薄壁型材，扭转作用下管壁易发生局部剪切屈曲，大幅降低极限抗扭承载力，现有研究缺少多边形管扭转屈曲临界应力量化分析。基于以上行业设计难题，论文以多边形闭口薄壁主梁为研究对象，构建统一抗扭计算理论，总结适配光伏跟踪支架的截面优化策略。

二、多边形闭口截面扭转基础理论与分析方法

（一）薄壁闭口截面扭转力学机理

多边形主梁属于单室闭口薄壁构件，扭转分为圣维南自由扭转与约束扭转两类工况：

1. 自由扭转：主梁两端无转动约束，扭矩产生沿管壁均匀分布的剪切应力，截面仅发生整体扭转变形，无纵向翘曲正应力；
2. 约束扭转：主梁与驱动电机、支撑立柱连接位置存在转角约束，扭转时截面翘曲受到限制，额外产生翘曲正应力，会降低构件临界屈曲荷载。圆管截面扭转应力完全均匀，矩形管转角位置应力集中显著；多边形截面通过多段直线 + 圆弧过渡，能够分散扭转剪应力，缓解局部应力集中现象，这也是多边形管抗扭性能优于等截面积方管的核心原因。

（二）分析技术路线

论文采用理论推导 + 参数化有限元数值模拟双向对照研究方案：

1. 理论层面：基于薄板弹性屈曲稳定方程，引入多边形截面扭转常数、翘曲常数、宽厚比修正系数，推导扭转屈曲临界剪应力理论表达式；参考 AISC 规范抗力分项系数、承载力折减逻辑，构建多边形主梁抗扭极限承载力计算公式；
2. 数值模拟层面：采用壳单元建立多组六边形、八边形薄壁多边形管精细化有限元模型，定义钢材弹塑性本构，施加纯扭转荷载、弯扭耦合荷载，捕捉管壁局部屈曲发生顺序、极限扭矩、扭矩 - 转角全过程曲线；
3. 验证校准：对比不同宽厚比、不同边数构件的理论计算值与有限元仿真极限扭矩，修正公式修正系数，明确公式适用宽厚比区间。

三、多边形主梁抗扭性能参数化分析结果

（一）截面边数对抗扭承载力影响

在钢材截面积、管壁壁厚完全一致的前提下开展对比：

1. 四边矩形管：截面转角应力集中严重，扭转屈曲临界剪应力最低，极限抗扭承载力最小；
2. 六边形、八边形多边形管：随截面边数增加，截面轮廓趋近圆形，扭转剪应力分布均匀性持续提升，极限扭矩与扭转刚度同步增大；八边形管综合抗扭性能最优，但型材轧制成本高于六边形管；
3. 工程优选结论：地面光伏平单轴支架优先选用六边形、八边形闭口多边形主梁，平衡抗扭性能与型材加工造价。

（二）管壁宽厚比的控制作用

宽厚比是决定薄壁多边形管是否发生扭转局部屈曲的核心参数：

1. 宽厚比过大：管壁薄板刚度不足，较小扭矩下即出现局部鼓曲屈曲，构件提前丧失承载能力，极限扭矩大幅折减；
2. 宽厚比处于论文推导限值区间：构件先进入材料塑性屈服，后发生屈曲，材料强度充分发挥，理论计算公式与模拟结果误差控制在 5% 以内；
3. 宽厚比过小：管壁过厚，材料利用率偏低，主梁自重上升，违背光伏支架轻量化降本需求。文章给出适配光伏跟踪主梁的宽厚比控制阈值，为型材规格选型提供量化指标。

（三）圆角过渡构造优化效果

多边形截面直线段转角设置圆弧过渡，可显著消除尖角位置应力集中：同等扭矩工况下，带圆角多边形管峰值剪应力相比直角多边形管下降 20%~30%，有效延缓管壁剪切屈曲产生，提升交变风荷载下疲劳耐久性能，适合沿海强风、台风区域光伏项目。

（四）弯扭耦合受力下承载特性

平单轴主梁并非单纯受扭，同时承担光伏组件自重、雪荷载产生的竖向弯矩，论文开展弯扭组合加载模拟：

1. 弯矩与扭矩共同作用会互相降低构件极限承载能力，存在明显耦合折减效应；
2. 多边形截面因扭转刚度储备更高，弯扭耦合下承载力折减幅度远小于矩形管主梁，在大跨度、双竖排大功率平单轴支架中优势突出。

四、多边形主梁截面轻量化优化设计方法

结合平单轴光伏跟踪支架主梁实际受力工况，文章从四大维度提出成套优化设计思路：

1. 截面边数选型：普通内陆小风区选用六边形多边形管，沿海台风、高风压区域采用八边形截面，提升抗扭安全储备；
2. 壁厚分级优化：主梁跨中扭矩较小区域选用薄规格型材，驱动端、支撑立柱附近扭矩集中区段局部加厚管壁，在不增加整体用钢量前提下强化薄弱段抗扭能力；
3. 轮廓尺寸匹配：依据支架跨度、光伏组件排布宽度调整多边形外接圆尺寸，优先增大截面水平向轮廓尺寸，提升抗扭刚度，控制主梁扭转变形量；
4. 构造细节优化：全部转角设置标准轧制圆角，取消直角尖角；主梁端部与电机支座、立柱连接位置增设内衬套管，降低端部约束扭转翘曲应力。

五、现有行业技术局限梳理

1. 规范体系缺失：国内外现行钢结构设计标准未纳入多边形薄壁管抗扭计算条款，工程设计只能近似借用矩形管公式，计算精度不足；
2. 型材配套不完善：国内多边形光伏专用钢管标准化规格少，中小光伏项目定制轧制成本偏高；
3. 弯扭耦合验算工具匮乏：常规光伏支架设计软件仅内置圆管、方管截面库，缺少多边形截面扭转承载力自动验算模块；
4. 交变风振疲劳研究不足：当前研究多聚焦静态极限抗扭承载力，多边形主梁长期风致交变扭矩下疲劳损伤演化规律有待进一步试验验证。

六、论文核心研究结论与工程应用价值

1. 多边形闭口薄壁主梁相比同等截面积矩形钢管，扭转应力分布更均匀，极限抗扭承载力、扭转刚度更优，可有效抵抗平单轴跟踪支架风致交变扭矩，降低主梁扭转变形与局部屈曲失效风险；
2. 多边形截面管壁宽厚比、截面边数、圆角过渡半径是决定主梁抗扭承载性能的关键几何参数，宽厚比需控制在合理区间，保障理论计算公式计算精度；
3. 基于薄壁屈曲稳定理论推导的多边形主梁抗扭承载力简化公式，在规范限定宽厚比范围内与有限元仿真结果高度吻合，可直接用于光伏跟踪主梁结构验算，弥补现有设计规范空白；
4. 六边形、八边形多边形主梁适配不同风荷载分区光伏电站，搭配局部加厚、圆角过渡等构造优化措施，可实现轻量化降本与抗扭安全双重目标，适合大跨度、大功率平单轴光伏跟踪系统；
5. 本文建立的多边形薄壁管扭转数值模拟方法、弯扭耦合受力分析思路、截面优化策略，可为光伏钢结构设计人员提供完整验算手段，同时为光伏支架专项行业标准编制、新型多边形型材开发提供理论依据。