環(huán)境荷載下智能變電站預制艙有限元仿真研究

左濤，劉建濤，李敏，宋英杰

環(huán)境荷載下智能變電站預制艙有限元仿真研究

左濤1，劉建濤2，李敏3，宋英杰1

（1.樂山一拉得電網(wǎng)自動化有限公司，四川 樂山 614000；2.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 611756；3.樂山師范學院，四川 樂山 614000）

為了驗證環(huán)境荷載下高性能纖維雙層立體組合預制艙的結構強度，以四川省樂山市某110kV智能變電站新建工程高性能纖維雙層立體組合預制艙為抗環(huán)境荷載性能評估對象，采用有限元動力時程分析方法，并應用SolidWorks、Hypermesh、Ansys等非線性有限元仿真軟件，分析并校核了該立體組合預制艙結構在雪荷載及屋面活荷載、10級強風、8級抗震設防烈度荷載作用下是否發(fā)生破壞，艙體結構強度是否滿足環(huán)境荷載要求，是否滿足相應服役地區(qū)的使用要求。提出了強化雙層立體組合預制艙結構強度的建議措施，對確保智能變電站預制艙設備安全穩(wěn)定運行提供了有價值的借鑒和參考。研究方法可用于復雜框架式結構的強度與剛度計算和評估。

環(huán)境荷載；高性能纖維；立體組合預制艙；結構強度；有限元；仿真

智能變電站預制艙結構可靠性是變電站設備安全穩(wěn)定運行的基礎保障，尤其是在積雪及屋面活荷載、強風和地震等環(huán)境荷載下，預制艙結構的穩(wěn)定性能更是重點關注對象。預制艙體圍護結構有金屬與非金屬兩種材質(zhì)形式，目前關于預制艙環(huán)境荷載下結構穩(wěn)定性能方面的文獻，普遍研究對象是艙體材料和整體架構為金屬鋼材的預制艙，現(xiàn)有公開發(fā)表的文獻資料中，祝德春等[1]和聶建春等[2]研究了以鋼型材焊接成型的單層艙體結構體系在環(huán)境荷載下的結構穩(wěn)定性能，李俊等[3]研究了以鋼型材為骨架，外蒙玻璃鋼單板的單層預制艙在環(huán)境荷載下的結構穩(wěn)定性能，方春陽等[4]研究了雙層鋼結構預制艙受12級風荷載的結構強度，尚未見以高性能纖維（尤其是玄武巖纖維）復合預制件為艙體圍護結構的非金屬雙層預制艙抗環(huán)境荷載的研究文獻。因此，開展環(huán)境荷載下智能變電站高性能纖維雙層預制艙結構強度的研究，對推動非金屬預制艙式智能變電站的發(fā)展與應用具有重大意義。

本文以四川省樂山市某110 kV智能變電站新建工程高性能纖維雙層立體組合預制艙為抗環(huán)境荷載性能評估對象，采用有限元動力時程分析方法，并應用SolidWorks、Hypermesh、ANSYS等非線性有限元仿真軟件，分析并校核了該雙層預制艙結構在雪荷載及屋面活荷載、10級強風、8級地震作用下是否發(fā)生破壞，是否滿足相應服役地區(qū)的使用要求。提出了強化雙層立體組合預制艙結構強度的建議措施，對確保智能變電站預制艙設備安全穩(wěn)定運行提供了有價值的借鑒和參考。

1 高性能纖維雙層預制艙立體結構

為節(jié)約變電站建設用地，受兒童積木玩具啟發(fā)，將預制艙設計成上下雙層立體組合結構，像搭建積木一樣，上層二次組合設備預制艙置于下層一次設備預制艙上面，如圖1所示。下層10 kV開關設備預制艙尺寸為長32 100 mm、寬5 000 mm、高3 100 mm，上層二次組合設備預制艙尺寸為長26 400 mm、寬5000 mm、高2900 mm，每一層由多個拼接單元并列焊接組成，上下艙之間通過多點螺栓鎖緊和斷續(xù)焊的形式固定，以增強上下艙之間的連接強度。按此設計既可節(jié)約土地資源，又可縮短建設周期和節(jié)省工程投資[5]。

圖1 高性能纖維預制艙雙層立體結構

預制艙整體結構可分為艙體、艙頂和艙底三部分。艙底采用交叉布置的U型鋼架支撐，梁采用H形布置的方鋼支撐，艙底板采用鋼板，與支撐鋼架焊接牢固。艙體和艙頂圍護結構均采用玄武巖纖維復合預制件，通過干式工法拼裝而成。該預制件是一種將玄武巖纖維絲（網(wǎng)、布）、高分子保溫材料（巖棉或聚苯乙烯泡沫等）、快硬硫鋁酸鹽水泥、水、砂、化合物等多種材料按特定比例，經(jīng)攪拌高壓噴射澆筑在用槽鋼、鋼筋制作成型的模具內(nèi)，經(jīng)24小時靜置形成的高性能纖維復合材料。由于該復合預制件聚集了高性能纖維、高分子材料和金屬鋼材的性能優(yōu)勢，從而具有抗沖擊能力強、防腐能力強、防輻射性強、隔熱性能好、抗凍性能好、隔音性能好、燃燒性能等級高、耐火性能長、耐候性能好等物理性能[6-7]。

其物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 玄武巖纖維復合預制件物理性能參數(shù)

2 雙層立體組合預制艙有限元分析模型的建立

進行環(huán)境荷載下智能變電站高性能纖維雙層預制艙結構強度研究的前提是建立科學的有限元分析模型。

2.1 模型簡化

將連接下層和上層預制艙的樓梯部分去除，簡化預制艙上層頂蓋的形狀，將其視為一定傾角的斜坡頂。

將U型鋼架（結構尺寸為160 mm×65 mm）和方鋼架（結構尺寸為160 mm×1600 mm）視為統(tǒng)一整體。

2.2 幾何模型

依照高性能纖維雙層預制艙實物測量和工程圖測量，利用SolidWorks軟件進行編輯，可以建立研究對象幾何模型，如圖2所示。該模型可以表征雙層預制艙的實際幾何尺寸和元件連接關系。

圖2 雙層立體組合預制艙幾何模型示意圖

2.3 雙層立體組合預制艙有限元分析模型

下層10 kV開關設備預制艙內(nèi)部沿長度方向布置一列18臺KYN28-12kV金屬鎧裝移開式開關柜，上層二次組合設備預制艙內(nèi)部沿長度方向布置兩列電力二次設備屏柜，每列各20面二次設備屏柜，預制艙總質(zhì)量（含設備載荷及預制艙體結構自重）128 000 kg，以均布載荷分布到預制艙底框梁上。將圖2的雙層立體組合預制艙幾何模型導入Hypermesh有限元分析軟件，選取艙體拼接單元作為有限元分析單元，建立預制艙整體模型。該模型零件總數(shù)1 037個，共劃分為133 726個有限元網(wǎng)絡單元，193 687個有限元節(jié)點。

按照劃分的模型網(wǎng)絡，加入表1中材料的物理參數(shù)，考慮室溫環(huán)境、重力和殘余應力引起結構變形的情況，具體相關邊界及載荷等情況如下：

（1）約束條件：對艙底部預埋部分（高度約500 mm）完全固定；

（2）熱邊界條件：室溫25℃；

（3）整體受重力：重力加速度取9.8 m/s2；

（4）靜強度載荷分布：將變電站設備自重、人員等簡化為平面靜力載荷。

據(jù)此形成的雙層立體組合預制艙靜態(tài)強度性能有限元分析模型如圖3所示。

圖3 立體組合預制艙有限元分析模型

3 立體組合預制艙雪荷載及屋面活荷載仿真分析

積雪以靜荷載的形式對預制艙頂部施加壓力，使艙頂構件產(chǎn)生形變，積雪冰凍后溫度變化也會改變鋼型材結構的剛度特性[8]。屋面水平投影面上的雪荷載標準值按下式計算：

式中：S為雪荷載標準值，kN/m2；μ為屋面積雪分布系數(shù)；0為基本雪壓，kN/m2。

四川樂山地區(qū)基本雪壓按樂山峨眉山50年重現(xiàn)期的雪壓0.55 kN/m2計算；預制艙結構屋面為單跨雙坡面，其屋面坡度角為6°；根據(jù)文獻[10]，當屋面坡度角≤25°時，雪載應按均勻分布考慮，故μ為1.0。分析四川樂山地區(qū)冬季覆雪情況后設定預制艙結構頂部積雪厚度為0.3 m，雪的密度取0.7 kg/m3。最后計算得到實際雪載荷S＝5.39 Pa。

根據(jù)文獻[10]，屋面活荷載中主要考慮的僅是施工或維修荷載，選取設備和人員荷載為L＝500 Pa。由于實際雪載荷相較設備和人員載荷較小，故仿真時選取的靜荷載為500 Pa。

帶入ANSYS有限元分析軟件，最后分析得到的雪荷載及屋面活荷載響應位移云圖及響應應力云圖如圖4所示。

當立體組合預制艙加入雪荷載及屋面活荷載后，整體結構最大應力值為13.84 MPa，最大變形值為0.709 mm，變形量最大位置主要集中在預制艙頂部的中間區(qū)域，仿真分析結果表明：預制艙最大應力遠小于Q235鋼材235 MPa屈服強度，整艙最大應變屬于彈性變形區(qū)間，預制艙最大應力遠小于Q235鋼材215 MPa抗彎強度，因此艙體結構強度是足夠保證的。

圖4 雪荷載及屋面活荷載作用下的預制艙云圖

4 立體組合預制艙風荷載分析

橫風對立體組合預制艙體受力最大，艙體正面由于面積最大，也是風荷載最為集中的地方[9]，故考慮將10級風荷載（風速約為28.4 m/s）形成的風壓全部作用在上下預制艙正面，并轉化為預制艙迎風面的各個節(jié)點受到的等值節(jié)點力，計算出相關節(jié)點的應力變形、位移變形的分布圖，從而驗證結構的強度和設計方案的合理性。

風載荷計算方法按照文獻[10]，垂直于建筑物表面的風荷載標準值按下式計算：

式中：W為風荷載標準值，kN/m2；β為高度處的風振系數(shù)，按規(guī)定，預制艙結構可不考慮風壓脈動對結構產(chǎn)生風振的影響，遂取值1.0；μ為風荷載體型系數(shù)，按文獻[10]第8.3.1條，當屋面坡度角≤15°時，取值0.6；μ為風壓高度變化系數(shù)，取值1.0；0為基本風壓，kN/m2。基本風壓按10級強風計算，得到的風荷載標準值W＝0.504 kN/m2。

根據(jù)艙體尺寸，可得下層預制艙正面迎風面面積A＝32 100 mm×3 100 mm≈99.51 m2；上層預制艙正面迎風面面積A＝26 400 mm× 2 900 mm≈76.56 m2。

經(jīng)計算可知，10級強風對下層預制艙正面迎風面產(chǎn)生的風壓力F＝50 153.04 N；10級風對上層預預制艙正面迎風面產(chǎn)生的風壓力F＝38 586.24 N。

代入ANSYS有限元分析軟件，添加風荷載約束后得到的立體組合預制艙位移云如圖5所示。

可見，通過有限元分析結果可知，該立體組合預制艙最大變形處位移為0.061 mm，位于上層艙底部與下層艙結合部位，這是因為當大風來襲時，由于預制艙體的傳導作用，艙體迎風面受到了的風壓力，被分散到艙體各個支撐節(jié)點進行受力平衡，而上下層艙通過多點螺栓鎖緊和斷續(xù)焊的形式固定的，因此該部位是整個艙體受力最薄弱點，受到力矩最大，造成變形量最大。但是該位移變形量在材料物理參數(shù)的約束允許范圍內(nèi)，因此艙體結構整體完好，可以保持穩(wěn)定不被破壞。

圖5 風載荷作用下的預制艙結構位移云圖

5 立體組合預制艙地震荷載分析

為了準確分析雙層立體組合預制艙抗震性能（隨機振動性能），首先需要分析立體組合預制艙在1～6階六個自由度的響應情況。

5.1 立體組合預制艙結構模態(tài)性能分析

與高層建筑結構自振周期特性不同，立體組合預制艙結構通過玄武巖纖維復合預制件干式工法拼裝形成。其固有頻率應按模態(tài)分解法計算。設立1～6階的響應，取1～6階振動頻率如表2所示。

表2 振動階數(shù)對應頻率

將振動頻率帶入有限元分析軟件中，將形變大小擴展到5000倍后，得到1～6階模態(tài)振動相應云圖。

5.2 加速度反應頻譜

反應譜依照國家強震動觀測數(shù)據(jù)庫提供的2008年5月12日四川省汶川8級強震的地震加速度反應譜數(shù)據(jù)，以及強震動記錄時間歷程數(shù)據(jù)。通過對地震數(shù)據(jù)的位置進行篩選，選取綿陽市安州區(qū)（安縣）塔水站臺獲取的信息作為樣本。挑出樣本中NS（南北）方向，即朝著立體組合預制艙正面的方向（坐北朝南）進行有限元仿真分析。

通過Matlab軟件對數(shù)據(jù)做傅里葉變換，獲得加速度反應頻譜如圖6所示，取NS方向加速度頻譜進行地震仿真。

5.3 立體組合預制艙抗震性能分析

通過有限元分析軟件，在固有頻率性能分析基礎上，輸入NS方向加速度反應頻譜（PSD加速度），得到8級地震振動情況下的位移云圖、應力云圖如圖7所示。

圖6 加速度頻譜（NS方向）

可見，通過有限元分析結果可知，該立體組合預制艙最大變形處位移為0.921 mm，位于上層艙頂部位，這是因為地震波來襲時，預制艙的水平載荷和垂直載荷被分散到艙體的支撐點進行受力平衡，各支撐點由型鋼固接構成無鉸鋼架受力結構，最大應力處受壓為18.81 MPa，發(fā)生在下層預制艙頂部（即上層預制艙底部）部位，這是因為鋼架的上梁中部是受力薄弱點。但是該位移變形量和最大應力，均在材料物理參數(shù)的約束允許范圍內(nèi)，因此立體組合預制艙結構整體完好，可保持穩(wěn)定不被破壞。

圖7 8級地震作用下的預制艙云圖

6 結束語

從仿真研究結果可以得出如下結論：

（1）在雪荷載及屋面活荷載、10級強風、8級地震等荷載作用下，該二次組合設備和開關設備立體組合預制艙結構整體完好，可以保持穩(wěn)定不被破壞，滿足規(guī)范要求，能夠滿足相應服役地區(qū)的使用要求。

（2）對玄武巖纖維復合預制件生產(chǎn)質(zhì)量的控制好壞和對干式工法拼裝工藝的過程控制好壞，決定了雙層立體組合預制艙的整體結構力學性能。

（3）焊接形式對提高局部力學性能有著重要作用，而上下層艙就是通過多點螺栓鎖緊和斷續(xù)焊的形式固定的，本次仿真結果也是基于焊接過程無虛焊、漏焊的前提條件下計算而得的，因此應當特別重視焊接過程的工藝控制，減少焊接連接處的腐蝕，確保焊接質(zhì)量。

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[5]左濤，張新太. 高性能纖維預制艙式智能變電站研究與應用[J]. 高電壓技術，2021，47（ZK1）：7-12.

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Finite Element Simulation Study of Prefabricated Cabin in Intelligent Substation Subjected to Environmental Loads

ZUO Tao1，LIU Jiantao2，LI Min3，SONG Yingjie1

(1.Leshan ELECT Electrified Wire Netting Automation Co.,Ltd., Leshan 614000,China;2. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong Universit, Chengdu 610031,China; 3.Leshan Normal University, Leshan 614000,China)

The purpose of this paper is to verify the structural strength of the high-performance fiber double-layer three-dimensional combination prefabricated cabin subjected to environmental loads. The prefabricated cabin of a new 110 kV intelligent substation in Leshan city, Sichuan province is used as the object of environmental load performance evaluation. Finite element dynamic time history analysis is adopted. Nonlinear finite element simulation softwares such as SolidWorks, Hypermesh, and ANSYS are applied to analyze and verify the occurrence of damage subjected to the snow load and roof live load, whole gale, and the 8-level seismic fortification. Whether the structural strength of the cabin body meets the environmental load requirements, and whether it meets the requirements for use in the corresponding service areas, are also analyzed and verified. Measures to strengthen the structural strength of the prefabricated cabin are proposed, which provides valuable reference for ensuring the safe and stable operation of the prefabricated cabin equipment in the intelligent substation. The research methods can be used to calculate and evaluate the strength and stiffness of complex framing structures.

environmental loads；high-performance fibers；three-dimensional combination prefabricated cabin；structural strength；finiteelement；simulation

O242.21

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.09.008

1006-0316 (2023) 09-0053-07

2022-10-17

2020年四川省科學技術廳第一批省級科技計劃項目——220kV環(huán)保型模塊化智能變電站（2020ZHCP0024）

左濤（1977－），男，四川彭山人，碩士，教授級高級工程師，主要從事500 kV及以下成套電力開關設備的研發(fā)和設計、制造工作，E-mail：77733484@qq.com；劉建濤（1982－），男，河北石家莊人，博士后，副研究員，主要研究方向為機械和電力設計及理論、計算力學與CAE開發(fā)等。