施工電源抗風(fēng)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析*

殷建剛， 祁 利， 鄒 俊， 閆 凱， 李立東

(1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司 建設(shè)部， 武漢 430077； 2. 國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司， 武漢 430063； 3. 許繼電氣股份有限公司 電氣保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)分公司， 河南 許昌 461000； 4. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 武漢 430074)

施工電源是在建設(shè)施工過程中能夠滿足多方面用電需求的設(shè)備，可以為整個(gè)建設(shè)施工中的電焊機(jī)、切割機(jī)、濾油機(jī)、真空泵等電氣設(shè)備及工人日常所用的取暖設(shè)備等供電.目前箱式變壓器主要采用鋼結(jié)構(gòu)框架，其空間力學(xué)性能分析已逐步完善[1-3]，鋼結(jié)構(gòu)在搭建低層建筑時(shí)也擔(dān)當(dāng)重要的受力作用[4-5].而施工電源也采用鋼結(jié)構(gòu)作為主體框架，與其具有相似性，并隨著施工過程中機(jī)械化設(shè)備對用電需求的不斷增加，施工電源體積逐漸變大，故對電源的抗風(fēng)穩(wěn)定性提出了要求.

施工電源長方體具有較大的迎風(fēng)面積，遇大風(fēng)時(shí)將承受較大的風(fēng)壓.為了防止風(fēng)荷載導(dǎo)致的施工電源事故，必須對其進(jìn)行抗風(fēng)能力校核[6-8].本文主要以10 kV高壓側(cè)施工電源的框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及抗風(fēng)傾覆、抗風(fēng)滑移作為研究對象，對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析.

1 風(fēng)壓分析和計(jì)算

基本風(fēng)壓是指在空曠平坦地面以上10 m處，統(tǒng)計(jì)得到10 min平均最大風(fēng)壓.根據(jù)重現(xiàn)期，可以分為10年、50年和100年三種.本文以湖北省為例，通過查詢?nèi)珖鞘械娘L(fēng)壓氣象資料，摘錄了幾處重要地區(qū)的歷史風(fēng)壓資料，如表1所示.

表1 湖北省部分城市基本風(fēng)壓值Tab.1 Basic wind pressure values in some cities of Hubei province

通過表1可以查出，湖北省100年一遇大風(fēng)的最大基本風(fēng)壓W0=0.45 kN/m2，為使得此施工電源在全國范圍內(nèi)更具有推廣性，選取12級大風(fēng)，通過公式計(jì)算可得W0=0.66 kN/m2.

等效風(fēng)壓Wz由基本風(fēng)壓W0與脈動(dòng)風(fēng)壓兩部分組成，工程上為了計(jì)算簡便，通過引入風(fēng)振系數(shù)βz來修正等效風(fēng)壓，修正表達(dá)式為

Wz=βzμsμzW0

(1)

式中：μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為風(fēng)壓體型系數(shù)；βz為風(fēng)振系數(shù)，通過查閱文獻(xiàn)[9]得βz=1.8.

國家標(biāo)準(zhǔn)將地形分為A，B，C，D共四類：A類指近海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)與大城市郊區(qū)；C類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū).

考慮到施工電源周圍通常為正在建設(shè)的變電站、樓房等，因此本文采用B類地貌.高壓側(cè)10 kV施工電源全部為箱體式電源，高壓室、變壓器室與低壓室一字排列.電源高度為2.4 m，迎風(fēng)寬度為3.4 m，風(fēng)向與電源側(cè)面夾角θ取90°，通過查閱文獻(xiàn)[9]得μs=1.15.

風(fēng)速隨海拔高度增加而增大，施工電源通常直接安置在地面上，且高度低于10 m，故需要增加風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)，B類地貌風(fēng)壓高度變化系數(shù)計(jì)算表達(dá)式為

(2)

式中：λ為風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)，本文取值為1；d為電源迎風(fēng)面高度.因此，等效風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值為

Wz=βzμsμzW0=1.8×1.15×1×0.66=

1.37 kN/m2

(3)

本文取安全系數(shù)為1.5，則風(fēng)壓荷載設(shè)計(jì)值為

W=1.5Wz=2.05 kN/m2

(4)

2 施工電源結(jié)構(gòu)

根據(jù)湖北鄂州500 kV變電站臨時(shí)施工電源使用情況進(jìn)行研究，在施工過程中采用10 kV開關(guān)柜.施工電源由高壓模塊、變壓器模塊、低壓模塊拼裝組合而成.通過一體式底座承載各模塊，保證整體機(jī)械強(qiáng)度及吊裝要求.

開關(guān)柜主要由固定柜體和可移開的真空斷路器手車組成，其柜體外部通過一些較為精密的機(jī)床進(jìn)行加工、折彎、拼接.開關(guān)柜具有較高的穩(wěn)定性，其機(jī)械程度較高，在折彎過程中主要以冷軋鋼板進(jìn)行折彎，并通過靜電噴涂直至烘干為止，從而使開關(guān)柜的外觀光滑平整，同時(shí)具有一定的抗腐蝕性與耐沖擊性.開關(guān)柜所在的內(nèi)部空間主要由低壓室、手車室、母線室、電纜室組成，各組成部門均有各自功能，保證開關(guān)柜在使用過程中的穩(wěn)定性.箱體總計(jì)長3.4 m，高2.6 m，寬2.4 m.施工電源的總裝配圖如圖1所示.

圖1 施工電源總裝配圖Fig.1 Total assembly of construction power supply

箱體框架為鍍鋅鋼板焊接框架，底座為槽鋼底座，底座集成有起吊和地腳固定裝置，能保證足夠的強(qiáng)度與剛度.箱體材料為Q235B，其楊氏模量為200 GPa，泊松比為0.3，材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為375～460 MPa，許用應(yīng)力取113 MPa.箱體框架的頂部及底部結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 施工電源框架細(xì)節(jié)圖Fig.2 Frame details of construction power supply

3 仿真計(jì)算

風(fēng)壓在施工電源迎風(fēng)面產(chǎn)生的風(fēng)荷載可以表示為

F=WS

(5)

式中，S為迎風(fēng)面面積.本文設(shè)計(jì)的施工電源迎風(fēng)面S=8.84 m2，故計(jì)算可得F=18.12 kN.測算可以得到施工電源內(nèi)部高低壓側(cè)與變壓器的總質(zhì)量約為6 000 kg，則施工電源底面所受重力G為60 kN.

施工電源框架結(jié)構(gòu)的破壞可能存在于任意位置，尤其是各個(gè)結(jié)構(gòu)的連接處，故需要建立完整的三維模型進(jìn)行計(jì)算.由于施工電源框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中不能出現(xiàn)塑性變形，故在仿真計(jì)算中主要采用第四強(qiáng)度理論作為判斷施工電源是否發(fā)生破壞的依據(jù).同時(shí)在計(jì)算過程中，采用MISES應(yīng)力對施工電源是否安全進(jìn)行判斷.運(yùn)行Comsol軟件，采用固體力學(xué)模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，圖3給出了施工電源框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分圖像.

圖3 施工電源框架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖像Fig.3 Mesh generation for frame structure of construction power supply

假設(shè)施工電源與地面基礎(chǔ)之間剛性連接，且基礎(chǔ)整體具有無限大的剛度，同時(shí)未出現(xiàn)沉降現(xiàn)象.因此對框架地面施加固定約束，即x、y、z三個(gè)方向的位移為0.

施工電源的結(jié)構(gòu)中包括了較多隔斷、鋁門等非承力結(jié)構(gòu)，為了簡化施工電源的承載，同時(shí)為了充分考慮施工電源的抗風(fēng)穩(wěn)定性，減少復(fù)雜結(jié)構(gòu)造成的仿真計(jì)算困難，將原本通過槽鋼與鍍鋅鋼板搭建的承力結(jié)構(gòu)抽象為梁結(jié)構(gòu)，簡化后的梁結(jié)構(gòu)模型如圖4所示.相比于原本的有限元結(jié)構(gòu)模型，梁結(jié)構(gòu)線模型忽略了構(gòu)件本身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能夠更加直觀地觀察到拉壓應(yīng)力的大小和方向.

圖4 施工電源框架梁結(jié)構(gòu)模型圖Fig.4 Model for frame beam structure of construction power supply

4 仿真結(jié)果分析

施工電源的抗風(fēng)穩(wěn)定性主要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗風(fēng)側(cè)翻和抗風(fēng)滑動(dòng)這3個(gè)方面進(jìn)行考慮.

4.1 抗風(fēng)機(jī)械強(qiáng)度校核

12級風(fēng)工況下施工電源框架應(yīng)力分布和位移云圖如圖5、6所示.由圖5、6可以看出，零部件應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在框架立柱上部與頂部連接處，大小為38 MPa，小于Q235B鋼113 MPa的許用應(yīng)力.最大變形發(fā)生在框架頂部中間部位，為1.5 mm.變形較大原因在于中間變壓器體積較大，橫梁也較長.因此可以判斷，在12級風(fēng)作用下，施工電源框架結(jié)構(gòu)抗風(fēng)壓性能較好.

對施工電源應(yīng)力最大值部位局部放大，結(jié)果如圖7所示.從圖7中可以看出，應(yīng)力分布集中在立柱和橫梁的連接處，此時(shí)應(yīng)力仍較小，可以保證框架整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.但同時(shí)由于施工電源放置地點(diǎn)通常環(huán)境惡劣，風(fēng)荷載導(dǎo)致的振動(dòng)將成為此處磨損的重要原因，因此，在維護(hù)過程中，應(yīng)當(dāng)對連接處的螺栓進(jìn)行檢查.

施工電源頂部橫梁是受風(fēng)荷載影響最大的位置，沿長度方向繪制橫梁的應(yīng)力和形變曲線如圖8所示.從圖8中可以看出，應(yīng)力曲線具有3個(gè)峰值區(qū)域，分別對應(yīng)變壓器室頂部橫梁約中點(diǎn)位置，以及兩側(cè)立柱頂部位置.3個(gè)峰值的產(chǎn)生原因不同，橫梁中點(diǎn)處應(yīng)力較大的主要原因在于：變壓器室體積大、橫梁長.橫梁較大的形變也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，而立柱頂部應(yīng)力峰值產(chǎn)生的原因在于立柱與橫梁連接處的集中應(yīng)力.形變的峰值僅有一處，位于橫梁中點(diǎn)位置.過大的形變將大幅度提高施工電源的密封難度，同時(shí)導(dǎo)致頂部蓋板的嚴(yán)重變形.而立柱對減小形變有明顯的作用，立柱采用了剛性較大的槽鋼制成，有效地連接頂部與底面基座，抑制了形變.

圖5 施工電源框架應(yīng)力分布云圖Fig.5 Stress distribution nephogram of construction power supply frame

圖6 施工電源框架位移云圖Fig.6 Displacement nephogram of construction power supply frame

圖7 施工電源框架應(yīng)力最大值部位放大云圖Fig.7 Magnified nephogram of maximum stress location of construction power supply frame

圖8 迎風(fēng)面頂部橫梁應(yīng)力和形變曲線圖Fig.8 Stress and deformation curves of top cross-beam on windward side

4.2 抗風(fēng)傾覆仿真分析

施工電源的側(cè)面受風(fēng)壓作用產(chǎn)生風(fēng)荷載及繞底座最外端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的傾覆力矩.在實(shí)際運(yùn)行過程中，施工電源的自身重力也產(chǎn)生了以最外端點(diǎn)為鉸支點(diǎn)的抗傾覆力矩.在4個(gè)基座處各采用一個(gè)彈簧基礎(chǔ)進(jìn)行約束，通過考察近點(diǎn)處彈簧基礎(chǔ)是否承受垂直方向的下壓力來判定施工電源是否傾覆.將載荷施加于模型上，計(jì)算可得軸力如圖9所示(單位：N).

圖9 風(fēng)載荷下施工電源承力結(jié)構(gòu)軸力圖Fig.9 Axis force on bearing structure of construction power supply under wind loads

由圖9可知，四角處彈簧基礎(chǔ)所受作用力分別為-3 036、-28 876、-26 222、-442 N，全部為下壓力，說明此時(shí)不存在抗風(fēng)傾覆危險(xiǎn).

4.3 抗風(fēng)滑移計(jì)算分析

施工電源為便于安裝使用，一般將框架吊裝后直接放置在平整過的地基上，不用基礎(chǔ)建筑，因此，在較大風(fēng)載荷下的滑移也是在實(shí)際使用中要規(guī)避的風(fēng)險(xiǎn).由于高壓室、變壓器室、低壓室一字排開，認(rèn)為裝置的重心位于中間部位，不存在繞中心旋轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，故本文僅考慮風(fēng)荷載下的平移運(yùn)動(dòng).

為防止施工電源產(chǎn)生滑移，所需的地面摩擦系數(shù)為

(6)

在12級風(fēng)作用下地面摩擦系數(shù)為0.302時(shí)，可以保證施工電源不會(huì)出現(xiàn)滑移，但此項(xiàng)要求在實(shí)際工程中難以達(dá)到.為了防止出現(xiàn)滑移，使用過程應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際狀況添加固定裝置.

5 結(jié) 論

通過上述理論分析和計(jì)算表明：

1) 施工電源在12級大風(fēng)的作用下，能夠保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但頂部可能出現(xiàn)較大的變形，會(huì)對整體的密封性能產(chǎn)生影響，需要采取措施提高剛度或加強(qiáng)密封性能；

2) 施工電源在水平地面上，能夠承受12級大風(fēng)的傾覆作用力；

3) 對于滑移現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)確保施工電源與地面的緊密貼合，做好地基表面的處理工作，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)添加固定或擋風(fēng)裝置.

施工電源在使用時(shí)通常周圍均是平整過的土地，且地面粗糙度低、風(fēng)速大，這導(dǎo)致施工電源側(cè)向會(huì)承受較大的風(fēng)荷載.應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場情況，充分考慮承受風(fēng)荷載時(shí)的安全性和穩(wěn)定性，并建議在實(shí)際使用過程中，使施工電源順風(fēng)安裝，以進(jìn)一步降低風(fēng)荷載.