王濤，包安群，顧銘飛

(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

預(yù)制式二次設(shè)備艙整體結(jié)構(gòu)剛度測(cè)量方法

王濤，包安群，顧銘飛

(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

預(yù)制式二次設(shè)備艙經(jīng)歷從生產(chǎn)、裝配調(diào)試、吊裝、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝的各個(gè)環(huán)節(jié)，要滿足給定的強(qiáng)度和剛度等機(jī)械性能要求。特別是針對(duì)像預(yù)制艙這類大型的超重設(shè)備，如何在工廠化的有限實(shí)際測(cè)量條件下，研究和實(shí)際驗(yàn)證這些機(jī)械性能，成為急待解決的課題。提出一種通過測(cè)量底座撓度的方法進(jìn)而驗(yàn)證預(yù)制艙底座剛性。

預(yù)制式二次設(shè)備艙；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；底座撓度；測(cè)量方法

0 引言

隨著國內(nèi)電力行業(yè)的快速發(fā)展，國網(wǎng)公司全面推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站，推行“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)”理念，預(yù)制式二次設(shè)備艙應(yīng)運(yùn)而生。二次設(shè)備在出廠前完成安裝、調(diào)試，預(yù)制艙具有完善的環(huán)境控制，占地面積小、建設(shè)周期短、成本相對(duì)較低等顯著優(yōu)點(diǎn)，在推進(jìn)智能變電站建設(shè)與運(yùn)營方面起到重要作用。

預(yù)制艙從生產(chǎn)到使用的環(huán)節(jié)中，要能承受吊裝、運(yùn)輸、風(fēng)雪載、覆冰、高低溫交變等嚴(yán)格工況考驗(yàn)。在上述各工況的影響下，良好預(yù)制艙的整體剛性設(shè)計(jì)，不僅為艙內(nèi)搭載的設(shè)備提供必要的安全保護(hù)，而且為預(yù)制艙本身的一些安裝、干掛部件(如外墻金邦板)提供良好的附著條件，避免因變形引起的開裂、剝離、脫落等質(zhì)量事故發(fā)生。評(píng)價(jià)預(yù)制艙整體剛度可采用沿艙體長度方向上的受力產(chǎn)生的撓度來衡量，艙體上與施加的力可考慮艙體的最大載荷、艙體自重、給定艙體承受的最大雪載等。撓度是指以預(yù)制艙底座和上部梁、桁架組成的整體受彎構(gòu)件在自重和荷載作用下的最大變形，通常指豎向方向，即構(gòu)件的豎向變形。底座為預(yù)制艙承受載荷最集中的構(gòu)件，且其剛度對(duì)整艙剛度有著決定性的影響，因此，選定底座上的最大變形量作為預(yù)制艙撓度的測(cè)量表征。

在實(shí)際工程測(cè)量應(yīng)用中，有很多制約因素影響了艙體的剛度測(cè)量：由于預(yù)制艙的尺寸很大，普通測(cè)量工具無法勝任；自重和載荷加在一起很大，艙體變形量較小用肉眼不易看出來，而且無法定量；艙體放置的場(chǎng)地平面度達(dá)不到理想狀態(tài)，再加上底座在制造過程中的形位公差的影響，使得艙體在放置地面上的原始受力狀況不明，艙體實(shí)際上已經(jīng)處于某種非理想的撓度預(yù)變形狀態(tài)——初始變形狀態(tài)。因此，如何消除初始變形狀態(tài)，測(cè)量出預(yù)制艙在給定的條件最接近理想狀態(tài)下的最大撓度，這就引出了本文的論述課題，一種預(yù)制式二次設(shè)備艙整體結(jié)構(gòu)剛度測(cè)量方法——相對(duì)位移法。

1 預(yù)制式二次設(shè)備艙介紹

預(yù)制艙底座起承載作用，其上部桁架及支護(hù)(墻體)可視作艙的載荷，對(duì)預(yù)制艙底座的剛性驗(yàn)證，是評(píng)判預(yù)制艙吊裝、運(yùn)輸?shù)裙r中滿足設(shè)計(jì)要求的依據(jù)。本文提出一種通過測(cè)量底座撓度進(jìn)而驗(yàn)證預(yù)制艙底座剛性的方法。

預(yù)制式二次設(shè)備艙，采用型鋼梁柱構(gòu)造，主要由艙體主體和圍護(hù)材料構(gòu)成，艙體主體分為底座、框架、艙頂3部分。艙內(nèi)根據(jù)需要配置消防、安防、暖通、照明、通信等輔助設(shè)施，其環(huán)境滿足變電站二次設(shè)備運(yùn)行條件及變電站運(yùn)行調(diào)試人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的要求。艙內(nèi)配置二次設(shè)備屏柜(或機(jī)架)，在工廠內(nèi)完成相關(guān)配線、調(diào)試等工作，并作為一個(gè)整體運(yùn)輸至工程現(xiàn)場(chǎng)。預(yù)制艙到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)“即插即用”，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。

預(yù)制式二次設(shè)備艙尺寸分類為I型艙、Ⅱ型艙、Ⅲ型艙，長度分別為6 200，9 200，12 200 mm?？紤]到艙體的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和材料的統(tǒng)一性、現(xiàn)場(chǎng)安裝和后期運(yùn)維的便捷性，上述3種艙體的基本結(jié)構(gòu)和主要截面尺寸是一致的，不同的只是艙體長度方向的尺寸，因此最大尺寸的Ⅲ型艙體因承載而受力的狀況最惡劣。本文中考察預(yù)制式二次設(shè)備艙底座剛度，對(duì)Ⅲ型艙底座進(jìn)行研究，對(duì)底座的最大撓度進(jìn)行試驗(yàn)研究，取得結(jié)果等同適用于I型艙、Ⅱ型艙設(shè)計(jì)要求。

預(yù)制式二次設(shè)備艙在試驗(yàn)前進(jìn)行配載，按照 Ⅲ型艙布局要求，一共25面屏柜，每面屏柜250 kg，安裝在底部槽鋼上固定，如圖1所示。

圖1 預(yù)制式二次設(shè)備艙艙內(nèi)機(jī)柜配載

2 測(cè)量方法

2.1 理論基礎(chǔ)

為了消除地面不平和艙體底座的制造公差對(duì)撓度測(cè)量的影響，選取艙體的2個(gè)極端受力變形條件下，使其出現(xiàn)2個(gè)最大的且方向相反的形變位移，然后測(cè)得它們之間的相對(duì)位移量，通過公式即可計(jì)算出理想撓度。這2個(gè)艙體最大撓度情況分為2種：第1種是在二次艙艙體沿著長度方向的兩端形成，承載二次艙全部質(zhì)量，形成簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，二次艙艙體中間點(diǎn)為最大撓度位移點(diǎn)；第2種是以艙體中間為支點(diǎn),兩側(cè)因載荷對(duì)稱而平衡(可考慮單側(cè)增加，但此不承受實(shí)際載荷)，形成懸臂梁結(jié)構(gòu),艙體兩端為最大撓度位移點(diǎn)。而且在實(shí)際測(cè)量中，只需提供卡爪式千斤頂作為艙體的提升工具，以2條鋼軌(或鋼管)分別作為支點(diǎn)，另外再提供幾塊枕木作為輔助支撐使用，整個(gè)測(cè)量工作簡(jiǎn)便實(shí)用[1]。

試驗(yàn)A：簡(jiǎn)支梁測(cè)量法。底座簡(jiǎn)化為均勻材質(zhì)，均布載荷，兩端支撐，如圖2所示。這是底座撓度的一種極限情況，計(jì)算公式如下[2]。

圖2 簡(jiǎn)支梁

(1)撓度曲線方程：

(2)端截面轉(zhuǎn)角：

(3)最大撓度：

式中：yA為梁跨中的最大撓度，mm；q為均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；E為鋼的彈性模量，對(duì)于工程用結(jié)構(gòu)鋼，E=2 100 000 N/mm2；I為鋼的截面慣性矩，mm4；l為梁的長度，mm。

如圖2所示的方式，可在二次艙底座下方，用2條鋼軌(或鋼管)在艙體兩端將艙支撐起來，形成簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。所產(chǎn)生的撓度如圖4所示。

圖3 底座兩端支撐示意

圖4 簡(jiǎn)支梁撓度

試驗(yàn)B：懸臂梁測(cè)量法。底座簡(jiǎn)化為均勻材質(zhì)，均布載荷，中間支撐，如圖5、圖6所示。這是底座撓度的另外一種極限情況，計(jì)算公式如下。

圖5 長l的梁中間支撐

圖6 懸臂梁

(1)撓曲線方程：

(2)端截面轉(zhuǎn)角：

(3)最大撓度：

式中：yB為梁端的最大撓度，mm；q為均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；E為鋼的彈性模量，對(duì)于工程用結(jié)構(gòu)鋼，E=2 100 000 N/mm2；I為鋼的截面慣矩，mm4；l為梁的長度，mm。

如圖6所示的方式，可在二次艙底座下方，用一條鋼軌(或鋼管)在艙體沿長度方向的幾何中心將艙支撐起來，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖7所示。為便于研究，我們?cè)O(shè)定艙體左右對(duì)稱，這樣就形成了以梁中點(diǎn)為分界點(diǎn)的左右2個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)。由于這2個(gè)懸臂梁形成了平衡，我們只要研究其中任一懸臂梁即可。所產(chǎn)生的形變效果如圖8所示。

圖7 底座中間支撐示意

圖8 懸臂梁撓度

試驗(yàn)A和試驗(yàn)B計(jì)算得到的最大撓度分別為yA和yB

yA和yB兩種狀態(tài)的撓度相對(duì)差值Σy=yA+yB，相對(duì)差值代表了試驗(yàn)中底座撓度的最大數(shù)字范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)底座的剛度性能是符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 二次艙底座撓度測(cè)量方法

測(cè)量原理：為了消除二次艙的初始受力狀態(tài)不明、試驗(yàn)過程中艙體移動(dòng)所產(chǎn)生的測(cè)量基準(zhǔn)變化的影響，因此將光學(xué)觀測(cè)儀或激光器固定在艙體底座的中性層外側(cè)，確保激光器的光束、光學(xué)觀測(cè)儀的光軸與艙底座型鋼沿長度方向平行。將標(biāo)尺放置于與激光器同側(cè)的艙體端面如圖9所示，確保標(biāo)尺與激光束或光軸垂直且激光束能正確照射在標(biāo)尺上。

圖9 水準(zhǔn)儀撓度測(cè)量原理

實(shí)際測(cè)量時(shí)，在二次艙處于原始的放置狀態(tài)時(shí)，將水準(zhǔn)儀和標(biāo)尺按圖示的方式和位置固定在艙體的底座上。此時(shí)，在水準(zhǔn)儀上對(duì)照標(biāo)尺記下原始的刻度值，記為Z0，在后續(xù)的步驟A和B的測(cè)量中，所記下的刻度值都是相對(duì)Z0的量值，記為相對(duì)位移，即ZA和ZB。

試驗(yàn)步驟A：將艙體整體舉升，兩端放置支點(diǎn)如圖10所示。支點(diǎn)的中心與艙體端面距離不大于100 mm，將艙放置在支點(diǎn)上。5 min后，通過光學(xué)觀測(cè)儀讀出標(biāo)尺上的刻度值并轉(zhuǎn)換為相對(duì)位移ZA。

圖10 底座兩端支撐測(cè)量示意

試驗(yàn)步驟B：再次將艙體舉升，將兩端的支點(diǎn)移除，將單個(gè)支點(diǎn)放置在艙底的幾何中心如圖11所示。如果遇到艙體不平衡情況，在艙體的非測(cè)量端進(jìn)行輔助固定。5 min后，再次讀取刻度值并轉(zhuǎn)換為相對(duì)位移ZB。

圖11 底座中間支撐測(cè)量示意

通過計(jì)算ΣZ=ZA+ZB=Σy，可得出該艙體在額定載荷的最大撓度。再由前面的推導(dǎo)公式y(tǒng)A÷yB=0.6，分別計(jì)算出理想狀態(tài)撓度值yA和yB。

由于對(duì)二次艙的測(cè)量是處于兩種極限的受力變形狀態(tài)，盡管因擺放二次艙的位置條件不同所造成的艙體原始受力的狀態(tài)不一致，相對(duì)位移ZA和ZB的量值不盡相同，但相對(duì)位移的和ΣZ是保持不變的，消除了初始狀態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

最后根據(jù)目前的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，2種試驗(yàn)結(jié)束后獲得的最大撓度不大于10mm，則認(rèn)為底座符合要求。

3 結(jié)束語

預(yù)制式二次設(shè)備艙要符合嚴(yán)格工況下的設(shè)計(jì)要求，對(duì)底座進(jìn)行剛性驗(yàn)證。本文通過使用撓度測(cè)量的方法，選取極端的2種工況，對(duì)預(yù)制艙底座撓度測(cè)定最大值，排除了相關(guān)干擾因素，獲得一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的最大撓度值。對(duì)該值進(jìn)行約束，有利于指導(dǎo)預(yù)制艙生產(chǎn)制造，保證預(yù)制艙滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)常性的檢測(cè)與鑒定是保證預(yù)制艙安全運(yùn)營的有效途徑，其中最常用的檢測(cè)方法是荷載試驗(yàn)。利用荷載試驗(yàn)積累的資料，根據(jù)艙體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行綜合驗(yàn)算和分析，能夠得到艙體機(jī)械性能狀況的較全面評(píng)價(jià)。其中艙體結(jié)構(gòu)的剛度是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，這一指標(biāo)一般通過艙體靜載試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)經(jīng)公式計(jì)算來確定。

本文論述的試驗(yàn)方法不僅應(yīng)用于預(yù)制式二次設(shè)備艙等系列產(chǎn)品，也可應(yīng)用在各種大型超重的設(shè)備、箱梁、箱房、絎架等剛度測(cè)量場(chǎng)合。

[1]楊學(xué)山,侯興民，廖振鵬，等.橋梁撓度測(cè)量的一種新方法[J].土木工程學(xué)報(bào),2002,35(2):92-96.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

(本文責(zé)編：齊琳)

2016-11-24；

2016-12-15

TU 364

B

1674-1951(2017)01-0018-03

王濤(1989—)，男，安徽蚌埠人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開發(fā)、工業(yè)設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:wangtao@aliyun.com)。

包安群(1963—)，男，遼寧大連人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)方面的工作。

顧銘飛(1987—)，男，江蘇靖江人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)方面的工作。