800kV GIS母线固定支架的力学分析
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摘要：以工程母线在现场运行中遇到的问题为基础，为了确保设备的安全运行，需对原有的固定支架进行改造，分析计算支架受力及位移情况，同时，校核原固定支架底脚螺栓和上端螺杆的强度、刚度。保证设备的稳定可靠运行。
关键词：母线；固定支架；受力分析；刚度、强度计算
改造方案
设计了全新的主固定支架，采用30#H型钢为主框架，在关键部位焊补筋板。支架上端固定在母线法兰上，通过对母线法兰的轴向约束达到限制母线筒体位移的目的，将原固定支架作为次固定支架。
计算方法与载荷
按《GB50316-2000工业金属管道设计规范》9.3.1.1[1]规定“管系可按设备连接点或固定点划分为若干计算分管系，每一计算分管系中应包括其所有管道组成件和各种支吊架。”
伸缩节波纹中径：Dｍ＝1.09ｍ，工作压力0.5MPa，刚度0.934 T/mm（波纹管厂家实测），最大补偿量20 mm，单位母线重量0.36 T/m，每个伸缩节的重量2.5 T，聚四氟乙烯与钢材间的滑动摩擦系数0.04。
母线内的SF6气体额定压力0.5 MPa，温度变化至-30 ℃（最低环温）时实际压力为0.37MPa， 65℃（最高环温+日照+温升）实际压力为0.61MPa。
当65℃时，伸缩节波纹的内压作用力=伸缩节波纹中径截面积×工作气体压力=0.785×（1.09）2×0.61MPa=56.8T；-30℃时，伸缩节波纹的内压作用力=0.785×（1.09）2×0.37MPa=34.5T。按最苛刻情况计算， 伸缩节变形产生的弹性力 =0.934T/mm×20 mm =18.7T；滑动支架的摩擦力=单元母线重力×聚四氟乙烯的滑动摩擦系数=(25m×0.36T/m＋2.5T)×0.04=0.5T；
因此，母线端部各主固定支架的最大轴向载荷=56.8T+18.7T+0.4T=75.9T。
主固定支架的强度刚度校核
以高温（65℃）时的最大载荷75.9T作为轴向载荷，作用于主固定支架上端框架。
主固定支架材料为30# H型钢Q235-A.F，屈服极限：σy=235 Mpa；强度极限：σｂ=375Mpa；材料弹性模量： E=1.92×10５Mpa。
使用ANSYS有限元程序对模型加载后，计算得出支架最大米泽斯应力为82.2MPa，最大形变为3.9mm。计算结果云图见图1、图2。
图1 主固定支架米泽斯应力分布云图 图2 主固定支架形变云图强度校核
最大米泽斯应力为82.2MPa。材料在应力集中情况等级K3，结构工作级别A4时的许用应力为113MPa，这个值被多个国家标准采用（如GB150等），即该支架满足强度要求。
刚度校核
最大形变为3.9mm，是沿母线轴向的位移，即主固定支架挠度为3.9mm。按《GB50316-2000工业金属管道设计规范》10.5.7.2[1]条规定：允许的最大挠度=0.002×5700mm=11.4mm，远大于3.9 mm，即该支架的符合刚度要求。
主固定支架锚栓强度和刚度的校核
主固定支架斜腿布置于内侧，箭头所示为外力的方向，内力方向与之相反。所以受力分析得到两斜腿共承担拉力为151.8T，两直腿共承受压力131.5T。
斜腿螺栓载荷平均为151.8÷12=12.65T，直腿螺栓载荷平均为131.5÷12=11.0T。
螺栓的许用应力[]=[2]，为8.8级螺栓的屈服极限=640MPa[2]；为静载安全系数，M30以上8.8级螺栓取值为2.5[2]。所以螺栓的许用应力[]=256MPa。
螺栓直径计算28.6mm[2]
所以选M36的8.8级螺栓，其小径=31.670mm[3]。
次固定支架强度刚度的校核
次固定支架，受力与主固定支架相同，但内压推力平衡抵销，总推力较小，远小于主固定支架，属于中间减载支架。次固定支架的底座全部与基础焊接固定，上端螺杆全部改造为垫块夹紧的结构，支架的上下两端全部实现刚性连接。次固定支架刚度为1.5T/mm。载荷最大的次固定支架一侧地角的总拉力为74.6T。焊接结构强度计算：焊缝处拉应力=74.6T÷13200 mm2=56.5MPa，低于许用应力113MPa，即焊缝强度满足规范要求。
跨度最大的两个次固定支架之间距离为24.1m。最低温（-30℃）时，伸缩节将变形14.8mm，产生弹性力13.8T，固定支架最大挠度=13.8T÷1.5T/mm=9.2mm，最高温（65℃）时，伸缩节将变形14 mm，产生弹性力13.1T，最大挠度=13.1T÷1.5T/mm=8.7mm。次固定支架规范允许的最大挠度=4700mm×0.002=9.4mm。即次固定支架的最大挠度均满足规范要求。
结论
经计算分析，改造后，主、次固定支架的强度、刚度均符合规范要求，端部母线的位移可以得到有效控制，保证母线上各伸缩节均可正常动作，可以保证设备的安全稳定运行。
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