基于有限元平台的主变压器水喷雾系统支架的结构分析与设计

李洪旺 刘 勇 张志国 徐 志 林 磊

（1.山东电力工程咨询院有限公司 2.北京筑信达工程咨询有限公司）

0 引言

MT-Spray 软件是北京筑信达工程咨询有限公司与山东电力工程咨询院有限公司共同研发的基于三维仿真技术可以实现变电站主变压器水喷雾系统的正向设计软件。在以往的水喷雾系统设计中，支承管道的支架通常都是根据经验布置，缺少严格的结构分析与结构设计。针对在喷雾系统实际运行测试中发现的管道支架剧烈晃动的问题，本文通过SAP2000 有限元软件对管道支架在静荷载作用下的强度和稳定性以及水流冲击荷载作用的振动位移、加速度进行量化计算，希望可以对管道支架的设计和优化提供一定的参考价值和借鉴意义。

1 SAP2000 有限元分析平台

SAP2000 是由美国CSI 公司研发的有限元分析软件，作为通用的建筑结构分析与设计软件，SAP2000广泛应用于结构工程、岩土工程、水利水电工程、道路与桥梁工程以及机械工程等各个行业领域。SAP2000高度集成化的工作环境使用户在同一个界面中即可完成建模、加载、计算以及后处理等各种操作。

基于国际领先且高效稳定的求解器，SAP2000可采用多种单元类型完成各种类型的结构分析：从线性分析到非线性分析，从静力分析到动力分析，从移动荷载分析到阶段施工分析，等等。除此之外，SAP2000 还可用于混凝土结构设计、钢结构设计、冷弯薄壁型钢结构设计、铝合金结构设计。

作为一款有限元分析平台级的软件，SAP2000 API 提供的二次开发接口可以帮助用户创建参数化模型、自动施加荷载、批量化提取计算结果，也可以定制开发特种结构的分析与设计软件。

2 管道支架的三维有限元计算模型

M-Spray 主变压器水喷雾系统设计软件通过导入Revit 变压器模型，利用软件的三维交互以及智能化管道布置功能，可以快速生成水喷雾系统的输水管道、喷头、管道支架的布置方案，如图1 所示。

图1 变压器水喷雾系统

变压器外轮廓尺寸10.2m×7.6m，管道支架布置满足角点和最大间距不超过6m，布置完成后的支架最大间距5.8m，支架高度4.85m。布置两层管道，第一层管道标高1.7m，第二层管道标高4.65m，喷头间距1m。

针对支架和输水管道，M-Spray 借助SAP2000API二次开发接口，在SAP2000 中自动生成管道支架的三维有限元计算模型，如图2 所示。

图2 管道支架计算模型

支架采用150×6 的环形钢管，输水管道采用219×6 的内外热镀锌钢管，二者采用槽钢连接，柱底为固定支座。喷嘴主要用于确定喷水产生的冲击荷载在管道上的作用位置，忽略对管道以及立柱的刚度贡献。

3 管道支架的强度和稳定性验算

除管道和立柱的自重外，管道中的水可作为均布荷载作用于管道上，荷载值q=ρgπD2/4=336.5N/m。水雾喷头采用高速水雾喷头ZSTWB67/120，工作压力p=0.35MPa，计算流量q=125L/min，高压水射流后座力F=0.745q√P=55.1N。据此在SAP2000 中施加管道均布线荷载336.5N/m 和喷头位置处施加集中力55.1N，管道和支架自重由SAP2000 程序自动计算。

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定，结构自重和管道介质重量作为永久荷载，分项系数取1.35；高压水射流后坐力作为可变荷载，分项系数取1.5；以此验算立柱在静力荷载作用下的强度和稳定性。通过模型整体分析计算，管道支架（立柱）的最大承载比为0.342，满足强度和稳定性要求。

4 管道支架在动力荷载作用的振动计算

4.1 管道支架振动原因分析

管道支架可以简化为悬臂柱杆件，属于细长杆件，水平刚度相对较弱，当杆件顶部受到突发的水平推力时会产生类似单质点弹簧发生的简谐振动，其振幅与杆件刚度和后坐力大小及加载到最大值所用的时间即动力响应相关。因此需要量化研究水的后坐力加载时间与支架振动响应之间的关系。

4.2 冲击荷载加载方法

在SAP2000 中，可以通过动力时程荷载模拟水的后坐力加载过程。

1）在SAP2000 中增加可变荷载模式命名为PL，荷载类型选择Live。

2）添加时程函数RAMPTH（斜波函数），函数类型选择“渐进”，然后修改斜波函数中到达最大值的时间，这个时间就是模拟水流荷载达到最大值所用的时间。

3）添加PL 荷载工况，荷载类型为LoadPattern，荷载模式选择PL，函数选择RAMPTH，比例系数为1，工况类型为“时程分析”，分析类型选择“线性”，时程类型选择“瞬态荷载”，时间步长设置为0.05s，计算20 个步长，模态阻尼设为0.02。

4.3 水流后座力加载时间变化与支架变形情况的量化分析

由于高压水射流后座力在短时间内作用于管道并传递至立柱，结构质量产生的惯性力对管道支架的动力响应无法忽略，这也是造成管道支架晃动的重要原因。为了能深入研究管道支架的动力响应，本文将上述后座力作为动力荷载并逐步改变加载时间，采用动力时程分析（结构阻尼比取0.02）对比不同加载时间对立柱位移的影响。

如图3 和图4 所示，当喷嘴后座力在1s 内达到最大值时，柱顶节点的最大动位移为1.132mm，对比静力荷载作用下的0.936mm，动力放大系数约为1.21。

图3 加载时间为1s 的时程函数

图4 节点位移时程曲线

如果将加载时间进一步缩短至0.5s 和0.1s，柱顶节点的最大动位移显著增加。如图5 所示，加载时间为0.5s 的最大动位移为1.718mm，动力放大系数约为1.83；如图6 所示，加载时间为0.1s 的最大动位移为4.598mm，动力放大系数约为4.91。因此，适当延长喷嘴阀门的开启时间，可以有效避免冲击荷载造成更大的支架晃动问题。

图5 加载时间为0.5s 节点位移时程曲线

图6 加载时间为0.1s 节点位移时程曲线

5 支架优化研究

除了水流后座力加载时间控制之外，加强支架的刚度，增大立柱的截面尺寸或在立柱之间添加支撑构件，也可以显著提高支架刚度，降低动力荷载作用下的振动幅度。

减小支架晃动问题，主要是要减小支架顶点位移（振幅）。常规做法有增大界面、改变截面形状、增加支撑等方式。针对这几种形式，分别建立支架分析模型，如图7 所示。

图7 支架分析对比模型

考虑自重和水雾喷头启动时的冲击荷载，计算得到支架顶部位移数据如下表所示。

表 各模型结算结果

从表中可以看出，增加支撑对支架的稳定效果显著，尤其在顶部加支撑后，支架基本不会出现晃动问题。

6 结束语

利用SAP2000 验算管道支架在静荷载作用下的强度和稳定性，重点分析喷嘴后座力的动荷载对支架的动力效应。动荷载的加载时间会显著增大结构的动力响应，提高结构刚度（包括增大构件截面或添加支撑构件）或控制喷嘴阀门的开启时间都可以有效降低管道支架的剧烈晃动问题。