施工电源抗风稳定性及结构强度分析*

殷建刚， 祁 利， 邹 俊， 闫 凯， 李立东

(1. 国网湖北省电力有限公司 建设部， 武汉 430077； 2. 国网湖北送变电工程有限公司， 武汉 430063； 3. 许继电气股份有限公司 电气保护自动化系统分公司， 河南 许昌 461000； 4. 华中科技大学 电气与电子工程学院， 武汉 430074)

施工电源是在建设施工过程中能够满足多方面用电需求的设备，可以为整个建设施工中的电焊机、切割机、滤油机、真空泵等电气设备及工人日常所用的取暖设备等供电.目前箱式变压器主要采用钢结构框架，其空间力学性能分析已逐步完善[1-3]，钢结构在搭建低层建筑时也担当重要的受力作用[4-5].而施工电源也采用钢结构作为主体框架，与其具有相似性，并随着施工过程中机械化设备对用电需求的不断增加，施工电源体积逐渐变大，故对电源的抗风稳定性提出了要求.

施工电源长方体具有较大的迎风面积，遇大风时将承受较大的风压.为了防止风荷载导致的施工电源事故，必须对其进行抗风能力校核[6-8].本文主要以10 kV高压侧施工电源的框架结构强度以及抗风倾覆、抗风滑移作为研究对象，对其进行稳定性分析.

1 风压分析和计算

基本风压是指在空旷平坦地面以上10 m处，统计得到10 min平均最大风压.根据重现期，可以分为10年、50年和100年三种.本文以湖北省为例，通过查询全国城市的风压气象资料，摘录了几处重要地区的历史风压资料，如表1所示.

表1 湖北省部分城市基本风压值Tab.1 Basic wind pressure values in some cities of Hubei province

通过表1可以查出，湖北省100年一遇大风的最大基本风压W0=0.45 kN/m2，为使得此施工电源在全国范围内更具有推广性，选取12级大风，通过公式计算可得W0=0.66 kN/m2.

等效风压Wz由基本风压W0与脉动风压两部分组成，工程上为了计算简便，通过引入风振系数βz来修正等效风压，修正表达式为

Wz=βzμsμzW0

(1)

式中：μz为风压高度变化系数；μs为风压体型系数；βz为风振系数，通过查阅文献[9]得βz=1.8.

国家标准将地形分为A，B，C，D共四类：A类指近海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的中小城镇与大城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区.

考虑到施工电源周围通常为正在建设的变电站、楼房等，因此本文采用B类地貌.高压侧10 kV施工电源全部为箱体式电源，高压室、变压器室与低压室一字排列.电源高度为2.4 m，迎风宽度为3.4 m，风向与电源侧面夹角θ取90°，通过查阅文献[9]得μs=1.15.

风速随海拔高度增加而增大，施工电源通常直接安置在地面上，且高度低于10 m，故需要增加风压高度变化修正系数，B类地貌风压高度变化系数计算表达式为

(2)

式中：λ为风压高度变化修正系数，本文取值为1；d为电源迎风面高度.因此，等效风压标准值为

Wz=βzμsμzW0=1.8×1.15×1×0.66=

1.37 kN/m2

(3)

本文取安全系数为1.5，则风压荷载设计值为

W=1.5Wz=2.05 kN/m2

(4)

2 施工电源结构

根据湖北鄂州500 kV变电站临时施工电源使用情况进行研究，在施工过程中采用10 kV开关柜.施工电源由高压模块、变压器模块、低压模块拼装组合而成.通过一体式底座承载各模块，保证整体机械强度及吊装要求.

开关柜主要由固定柜体和可移开的真空断路器手车组成，其柜体外部通过一些较为精密的机床进行加工、折弯、拼接.开关柜具有较高的稳定性，其机械程度较高，在折弯过程中主要以冷轧钢板进行折弯，并通过静电喷涂直至烘干为止，从而使开关柜的外观光滑平整，同时具有一定的抗腐蚀性与耐冲击性.开关柜所在的内部空间主要由低压室、手车室、母线室、电缆室组成，各组成部门均有各自功能，保证开关柜在使用过程中的稳定性.箱体总计长3.4 m，高2.6 m，宽2.4 m.施工电源的总装配图如图1所示.

图1 施工电源总装配图Fig.1 Total assembly of construction power supply

箱体框架为镀锌钢板焊接框架，底座为槽钢底座，底座集成有起吊和地脚固定装置，能保证足够的强度与刚度.箱体材料为Q235B，其杨氏模量为200 GPa，泊松比为0.3，材料的屈服强度为235 MPa，抗拉强度为375～460 MPa，许用应力取113 MPa.箱体框架的顶部及底部结构如图2所示.

图2 施工电源框架细节图Fig.2 Frame details of construction power supply

3 仿真计算

风压在施工电源迎风面产生的风荷载可以表示为

F=WS

(5)

式中，S为迎风面面积.本文设计的施工电源迎风面S=8.84 m2，故计算可得F=18.12 kN.测算可以得到施工电源内部高低压侧与变压器的总质量约为6 000 kg，则施工电源底面所受重力G为60 kN.

施工电源框架结构的破坏可能存在于任意位置，尤其是各个结构的连接处，故需要建立完整的三维模型进行计算.由于施工电源框架结构在实际使用中不能出现塑性变形，故在仿真计算中主要采用第四强度理论作为判断施工电源是否发生破坏的依据.同时在计算过程中，采用MISES应力对施工电源是否安全进行判断.运行Comsol软件，采用固体力学模块进行仿真计算，图3给出了施工电源框架结构的网格划分图像.

图3 施工电源框架结构网格划分图像Fig.3 Mesh generation for frame structure of construction power supply

假设施工电源与地面基础之间刚性连接，且基础整体具有无限大的刚度，同时未出现沉降现象.因此对框架地面施加固定约束，即x、y、z三个方向的位移为0.

施工电源的结构中包括了较多隔断、铝门等非承力结构，为了简化施工电源的承载，同时为了充分考虑施工电源的抗风稳定性，减少复杂结构造成的仿真计算困难，将原本通过槽钢与镀锌钢板搭建的承力结构抽象为梁结构，简化后的梁结构模型如图4所示.相比于原本的有限元结构模型，梁结构线模型忽略了构件本身的复杂结构，能够更加直观地观察到拉压应力的大小和方向.

图4 施工电源框架梁结构模型图Fig.4 Model for frame beam structure of construction power supply

4 仿真结果分析

施工电源的抗风稳定性主要从结构强度、抗风侧翻和抗风滑动这3个方面进行考虑.

4.1 抗风机械强度校核

12级风工况下施工电源框架应力分布和位移云图如图5、6所示.由图5、6可以看出，零部件应力最大点发生在框架立柱上部与顶部连接处，大小为38 MPa，小于Q235B钢113 MPa的许用应力.最大变形发生在框架顶部中间部位，为1.5 mm.变形较大原因在于中间变压器体积较大，横梁也较长.因此可以判断，在12级风作用下，施工电源框架结构抗风压性能较好.

对施工电源应力最大值部位局部放大，结果如图7所示.从图7中可以看出，应力分布集中在立柱和横梁的连接处，此时应力仍较小，可以保证框架整体的结构强度.但同时由于施工电源放置地点通常环境恶劣，风荷载导致的振动将成为此处磨损的重要原因，因此，在维护过程中，应当对连接处的螺栓进行检查.

施工电源顶部横梁是受风荷载影响最大的位置，沿长度方向绘制横梁的应力和形变曲线如图8所示.从图8中可以看出，应力曲线具有3个峰值区域，分别对应变压器室顶部横梁约中点位置，以及两侧立柱顶部位置.3个峰值的产生原因不同，横梁中点处应力较大的主要原因在于：变压器室体积大、横梁长.横梁较大的形变也产生了较大的应力，而立柱顶部应力峰值产生的原因在于立柱与横梁连接处的集中应力.形变的峰值仅有一处，位于横梁中点位置.过大的形变将大幅度提高施工电源的密封难度，同时导致顶部盖板的严重变形.而立柱对减小形变有明显的作用，立柱采用了刚性较大的槽钢制成，有效地连接顶部与底面基座，抑制了形变.

图5 施工电源框架应力分布云图Fig.5 Stress distribution nephogram of construction power supply frame

图6 施工电源框架位移云图Fig.6 Displacement nephogram of construction power supply frame

图7 施工电源框架应力最大值部位放大云图Fig.7 Magnified nephogram of maximum stress location of construction power supply frame

图8 迎风面顶部横梁应力和形变曲线图Fig.8 Stress and deformation curves of top cross-beam on windward side

4.2 抗风倾覆仿真分析

施工电源的侧面受风压作用产生风荷载及绕底座最外端点旋转的倾覆力矩.在实际运行过程中，施工电源的自身重力也产生了以最外端点为铰支点的抗倾覆力矩.在4个基座处各采用一个弹簧基础进行约束，通过考察近点处弹簧基础是否承受垂直方向的下压力来判定施工电源是否倾覆.将载荷施加于模型上，计算可得轴力如图9所示(单位：N).

图9 风载荷下施工电源承力结构轴力图Fig.9 Axis force on bearing structure of construction power supply under wind loads

由图9可知，四角处弹簧基础所受作用力分别为-3 036、-28 876、-26 222、-442 N，全部为下压力，说明此时不存在抗风倾覆危险.

4.3 抗风滑移计算分析

施工电源为便于安装使用，一般将框架吊装后直接放置在平整过的地基上，不用基础建筑，因此，在较大风载荷下的滑移也是在实际使用中要规避的风险.由于高压室、变压器室、低压室一字排开，认为装置的重心位于中间部位，不存在绕中心旋转的风险，故本文仅考虑风荷载下的平移运动.

为防止施工电源产生滑移，所需的地面摩擦系数为

(6)

在12级风作用下地面摩擦系数为0.302时，可以保证施工电源不会出现滑移，但此项要求在实际工程中难以达到.为了防止出现滑移，使用过程应当根据实际状况添加固定装置.

5 结 论

通过上述理论分析和计算表明：

1) 施工电源在12级大风的作用下，能够保证结构强度，但顶部可能出现较大的变形，会对整体的密封性能产生影响，需要采取措施提高刚度或加强密封性能；

2) 施工电源在水平地面上，能够承受12级大风的倾覆作用力；

3) 对于滑移现象，应当确保施工电源与地面的紧密贴合，做好地基表面的处理工作，必要时应当添加固定或挡风装置.

施工电源在使用时通常周围均是平整过的土地，且地面粗糙度低、风速大，这导致施工电源侧向会承受较大的风荷载.应当结合现场情况，充分考虑承受风荷载时的安全性和稳定性，并建议在实际使用过程中，使施工电源顺风安装，以进一步降低风荷载.