施工電源抗風穩(wěn)定性及結構強度分析*

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 電氣保護自動化系統(tǒng)分公司， 河南 許昌 461000； 4. 華中科技大學 電氣與電子工程學院， 武漢 430074)

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

施工電源長方體具有較大的迎風面積，遇大風時將承受較大的風壓.為了防止風荷載導致的施工電源事故，必須對其進行抗風能力校核[6-8].本文主要以10 kV高壓側施工電源的框架結構強度以及抗風傾覆、抗風滑移作為研究對象，對其進行穩(wěn)定性分析.

1 風壓分析和計算

基本風壓是指在空曠平坦地面以上10 m處，統(tǒng)計得到10 min平均最大風壓.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，通過查詢全國城市的風壓氣象資料，摘錄了幾處重要地區(qū)的歷史風壓資料，如表1所示.

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

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

等效風壓Wz由基本風壓W0與脈動風壓兩部分組成，工程上為了計算簡便，通過引入風振系數(shù)βz來修正等效風壓，修正表達式為

Wz=βzμsμzW0

(1)

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

國家標準將地形分為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的變電站、樓房等，因此本文采用B類地貌.高壓側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，迎風寬度為3.4 m，風向與電源側面夾角θ取90°，通過查閱文獻[9]得μs=1.15.

風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，故需要增加風壓高度變化修正系數(shù)，B類地貌風壓高度變化系數(shù)計算表達式為

(2)

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

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，則風壓荷載設計值為

W=1.5Wz=2.05 kN/m2

(4)

2 施工電源結構

根據(jù)湖北鄂州500 kV變電站臨時施工電源使用情況進行研究，在施工過程中采用10 kV開關柜.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，保證整體機械強度及吊裝要求.

開關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床進行加工、折彎、拼接.開關柜具有較高的穩(wěn)定性，其機械程度較高，在折彎過程中主要以冷軋鋼板進行折彎，并通過靜電噴涂直至烘干為止，從而使開關柜的外觀光滑平整，同時具有一定的抗腐蝕性與耐沖擊性.開關柜所在的內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，保證開關柜在使用過程中的穩(wěn)定性.箱體總計長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，材料的屈服強度為235 MPa，抗拉強度為375～460 MPa，許用應力取113 MPa.箱體框架的頂部及底部結構如圖2所示.

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

3 仿真計算

風壓在施工電源迎風面產生的風荷載可以表示為

F=WS

(5)

式中，S為迎風面面積.本文設計的施工電源迎風面S=8.84 m2，故計算可得F=18.12 kN.測算可以得到施工電源內部高低壓側與變壓器的總質量約為6 000 kg，則施工電源底面所受重力G為60 kN.

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

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

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

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

圖4 施工電源框架梁結構模型圖Fig.4 Model for frame beam structure of construction power supply

4 仿真結果分析

施工電源的抗風穩(wěn)定性主要從結構強度、抗風側翻和抗風滑動這3個方面進行考慮.

4.1 抗風機械強度校核

12級風工況下施工電源框架應力分布和位移云圖如圖5、6所示.由圖5、6可以看出，零部件應力最大點發(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級風作用下，施工電源框架結構抗風壓性能較好.

對施工電源應力最大值部位局部放大，結果如圖7所示.從圖7中可以看出，應力分布集中在立柱和橫梁的連接處，此時應力仍較小，可以保證框架整體的結構強度.但同時由于施工電源放置地點通常環(huán)境惡劣，風荷載導致的振動將成為此處磨損的重要原因，因此，在維護過程中，應當對連接處的螺栓進行檢查.

施工電源頂部橫梁是受風荷載影響最大的位置，沿長度方向繪制橫梁的應力和形變曲線如圖8所示.從圖8中可以看出，應力曲線具有3個峰值區(qū)域，分別對應變壓器室頂部橫梁約中點位置，以及兩側立柱頂部位置.3個峰值的產生原因不同，橫梁中點處應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生了較大的應力，而立柱頂部應力峰值產生的原因在于立柱與橫梁連接處的集中應力.形變的峰值僅有一處，位于橫梁中點位置.過大的形變將大幅度提高施工電源的密封難度，同時導致頂部蓋板的嚴重變形.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 迎風面頂部橫梁應力和形變曲線圖Fig.8 Stress and deformation curves of top cross-beam on windward side

4.2 抗風傾覆仿真分析

施工電源的側面受風壓作用產生風荷載及繞底座最外端點旋轉的傾覆力矩.在實際運行過程中，施工電源的自身重力也產生了以最外端點為鉸支點的抗傾覆力矩.在4個基座處各采用一個彈簧基礎進行約束，通過考察近點處彈簧基礎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，計算可得軸力如圖9所示(單位：N).

圖9 風載荷下施工電源承力結構軸力圖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，說明此時不存在抗風傾覆危險.

4.3 抗風滑移計算分析

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，不用基礎建筑，因此，在較大風載荷下的滑移也是在實際使用中要規(guī)避的風險.由于高壓室、變壓器室、低壓室一字排開，認為裝置的重心位于中間部位，不存在繞中心旋轉的風險，故本文僅考慮風荷載下的平移運動.

為防止施工電源產生滑移，所需的地面摩擦系數(shù)為

(6)

在12級風作用下地面摩擦系數(shù)為0.302時，可以保證施工電源不會出現(xiàn)滑移，但此項要求在實際工程中難以達到.為了防止出現(xiàn)滑移，使用過程應當根據(jù)實際狀況添加固定裝置.

5 結 論

通過上述理論分析和計算表明：

1) 施工電源在12級大風的作用下，能夠保證結構強度，但頂部可能出現(xiàn)較大的變形，會對整體的密封性能產生影響，需要采取措施提高剛度或加強密封性能；

2) 施工電源在水平地面上，能夠承受12級大風的傾覆作用力；

3) 對于滑移現(xiàn)象，應當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，必要時應當添加固定或擋風裝置.

施工電源在使用時通常周圍均是平整過的土地，且地面粗糙度低、風速大，這導致施工電源側向會承受較大的風荷載.應當結合現(xiàn)場情況，充分考慮承受風荷載時的安全性和穩(wěn)定性，并建議在實際使用過程中，使施工電源順風安裝，以進一步降低風荷載.