預裝式變電站預制艙吊具設計與有限元分析

燕飛飛 王說說 許天元

（無錫固亞德電力設備有限公司，江蘇無錫214100）

0 引言

箱式變電站，又叫預裝式變電所或預裝式變電站，是一種高壓開關設備、配電變壓器和低壓配電裝置按一定接線方案排成一體的工廠預制戶內、戶外緊湊式配電設備，即將變壓器降壓、低壓配電等功能有機地組合在一起的可移動鋼結構箱。我國于20世紀70年代后期，從法國、德國等國引進和仿制了箱式變電站，其具有以下優點：（1）占地面積小，適合在一般城市負荷密集地區、農村地區、住宅小區等安裝，有利于高壓延伸，減小低壓線路的供電半徑，降低線損；（2）減少土建基礎費用，可以工廠化生產，縮短現場施工周期，投資較少，收效明顯；（3）體積小，重量輕，安裝移動方便等。

近年來，隨著我國經濟建設飛速發展，對預裝式變電站預制艙的需求越來越旺盛，預裝式變電站預制艙的體積和重量也越來越大。目前，國內已有很多家設計、生產預裝式變電站預制艙的企業，產品重量從10 t到40 t不等，甚至較重的重量已超過80 t。吊具是連接吊鉤與被吊物的關鍵部件，在被吊物跨距較大時，若不采用吊具而直接用鋼絲繩與被吊物連接，鋼絲繩產生的水平力是巨大的，將直接導致被吊物由于剛性不夠而產生損傷[1]，因此，一般需要設計專用吊具進行預裝式變電站預制艙的吊裝。在工程實踐當中，吊具設計不合理造成的安全事故時有發生，通常會發生變形較大問題、強度破壞問題，嚴重的甚至會發生失穩問題。

為杜絕安全事故的發生、避免經濟損失，必須對預裝式變電站預制艙吊具進行力學設計與分析。本文針對某背靠背槽鋼梁式吊具出現的穩定性問題進行了分析，指出了其薄弱環節和設計、吊裝過程中存在的問題，最后通過有限元方法對其進行了加載驗證。

1 預裝式變電站預制艙吊具介紹

預裝式變電站預制艙的起吊現場情況如圖1、圖2所示，圖1為車間室內行車吊裝，圖2為室外吊車吊裝。

圖1 室內吊裝（2個吊具）

圖2 室外吊裝（1個吊具）

起重吊鉤鉤住吊具上兩根具有一定夾角的鋼絲繩，鋼絲繩通過卸扣連接在吊具兩端。吊具橫梁下面四根鋼絲繩，上面用卸扣與橫梁下孔連接，四根鋼絲繩下端分別套在箱體專用吊桿上。

某吊具結構如圖3所示，采用兩根20號槽鋼背靠背組成，中間以厚度為25 mm的鋼板間隔焊接而成。吊具長度4 400 mm，吊裝重量40 t，截面慣性矩為Ix=9 028 954.74 mm4，Iy=35 393 074.35 mm4，吊鉤處鋼絲繩夾角為120°，吊裝過程中發生了吊具失穩問題，如圖4所示。

圖3 某槽鋼吊具結構

圖4 某吊具失穩問題

2 吊具受力分析

針對上述吊具問題進行受力分析，上、下鋼絲繩與吊具的連接均為卸扣連接，屬于鉸鏈連接，因此鋼絲繩在鉸接處只能傳遞拉力，不能傳遞彎矩。對于吊具來說，只受軸向力壓力作用（由于吊耳不在軸線上，實際上還存在一個小量的彎矩，在斜向上鋼絲繩的拉力作用向軸線的延長與軸線的交點，該交點與下鋼絲繩不交于一點，這里先忽略該彎矩），受力情況如圖5所示。

圖5 吊具受力示意圖

采用隔離體法進行分析[2]：

對于A點：

由式（2）可知，吊具受到的軸向壓力是上部鋼絲繩夾角一半的正切函數，由正切函數性質可知，隨著夾角α逐漸增大，一開始軸向壓力增加較慢，但當超過30°，軸向壓力將急劇增加，即鋼絲繩夾角2α超過60°以后，軸力將迅速增加，如圖6所示。對于該吊具，吊裝重量40 t，當鋼絲繩夾角為60°時，α=30°，吊具軸向壓力NBC=113 160.7 N；當鋼絲繩夾角為120°時，α=60°，吊具軸向壓力NBC=339 481.9 N。鋼絲繩夾角為120°時的軸向壓力是60°時的3倍。

圖6 吊具軸向壓力隨鋼絲繩夾角變化曲線

以下對該吊具進行穩定性校核[3]：

吊具長度l=4 400 mm，吊裝重量40 t，截面慣性矩為Ix=9 028 954.74 mm4（槽鋼開口方向），Iy=35 393 074.35 mm4，截面積A=5 727.9 mm2，材料為Q235，E=200 GPa，a=304 MPa，b=1.12 MPa，σp=200 MPa，σs=235 MPa，可以由下式計算桿的柔度λ、λ0和λp：

得：λx=110.8，λy=56.0，λp=99.3，λ0=61.6。可知在x向，即沿槽鋼開口方向，該吊具屬于大柔度桿，可能會發生穩定性問題。進一步采用下式計算失穩臨界載荷：

沿x向：Pcr=920 580 N；沿y向，屬于短粗桿，不會發生失穩。

根據GB/T 26079—2010《梁式吊具》7.4節要求[4]，受軸向壓力的梁體其穩定安全系數為5.0，要求設計的吊具的失穩臨界載荷應大于5倍的軸向力。

由前面計算的軸向力知：當鋼絲繩夾角為60°時，α=30°，吊具軸向壓力的5倍為565 803 N＜Pcr，不會失穩。

當鋼絲繩夾角為120°時，α=60°，吊具軸向壓力5倍為1 697 409.5 N＞Pcr，可能會發生失穩，實際上已經發生失穩。此時雖然軸力本身NBC=339 481.9 N不超過失穩臨界載荷Pcr，但根據規范要求需要5倍的安全系數，以防范實際吊裝過程中可能發生的小量的受力歪斜、吊繩不對稱等問題。從這個實際案例可見，對于穩定性問題，足夠的安全系數很重要，同時吊裝鋼絲繩夾角應控制在60°以內。

3 有限元驗證

根據壓桿穩定性理論，兩端鉸支長度為L的桿的臨界失穩載荷與一端固支、一端鉸支、長度為L/2的桿的臨界失穩載荷等效。對于該吊具建立有限元模型，建立一半模型進行分析，采用六面體單元劃分網格，共8 769個單元，一端固定約束，一端自由加載荷，有限元模型如圖7、圖8所示，兩個方向的臨界失穩載荷如圖9、圖10所示。

圖7 吊桿有限元模型

圖8 約束和載荷

有限元計算所得的x向臨界失穩載荷P=832 850 N，小于理論計算值920 580 N，這主要是由于兩個槽鋼背靠背間隔焊接，理論計算時忽略了這點引起的。

4 吊具的改進

由第3節分析可知，槽鋼背靠背焊接而成的吊具，橫截面的兩個方向上的失穩臨界載荷存在很大差距。在槽鋼開口方向（x向）更易發生失穩，主要原因是開口方向的慣性矩較小，因此可以采用兩個方向慣性矩相當或相等的截面形式提高臨界失穩載荷。可以考慮采用方管鋼型材對上述吊具進行改進。如圖11所示，選用200 mm×200 mm×7 mm的Q235方管鋼進行設計，分別計算桿的柔度λ、λ0和λp：λ=λx=λy=53.6，λp=99.3，λ0=61.6，λ＜λ0，屬于短粗桿，設計上不會失穩，并采用有限元對其進行強度校核，如圖12、圖13所示，最大應力133.61 MPa，滿足強度要求。

圖9 沿x向臨界失穩載荷

圖10 沿y向臨界失穩載荷

圖11 改進后的吊具

圖13 應力云圖（133.61 MPa）

5 結語

本文針對某預裝式變電站預制艙背靠背槽鋼梁式吊具出現的穩定性問題進行了分析，可以得到以下結論：吊具計算時需考慮壓桿失穩問題，并留夠足夠的安全系數；吊具受到軸向壓力作用，壓力隨上吊鉤處鋼絲繩夾角的增大將迅速增大，且服從正切函數關系，實際操作過程中需嚴格控制鋼絲繩夾角，最好在60°以內；吊具設計時，應盡量設計成兩個方向等慣性矩的截面，以提升臨界失穩載荷。