模块化变电站预制舱吊装技术应用现状研究

模块化变电站是通过将电气设备和辅助设施在工厂内完成安装、调试并集成到可移动、高密封、防潮防锈的预制式舱体内，整体运输至现场安装而成。这种建造方式大大缩短了建设周期，降低了建设成本，解决了占地面积大、安装工艺标准不统一等问题，因而在国家电网系统内得到了快速的试点应用推广。模块化变电站预制舱是一种箱式结构，由底座或一体框架与外墙组成，因此预制舱的吊装与集装箱吊装相似。然而，相较于普通集装箱，预制舱通常只在单侧布置电气设备，导致舱体质量分布不均匀，质量偏心现象较集装箱更常见，这使得吊装过程中舱体难以保持平衡，容易出现倾斜，倾斜瞬间难以确保设备瞬时加速度满足GB50260—2013《电力设施抗震设计规范》对于水平加速度放大系数的要求。此外，设备和舱的连接节点也需要确保不受损坏，一旦设备或连接处受损，则可能导致设备无法正常使用。随着技术的不断发展，多舱结构形式的预制式变电站也得到广泛应用。相比单舱结构，操作人员需要更精准地将上层舱体落到下层舱顶，吊装难度更大。此外，由于预制舱内的设备成本高昂，吊装过程中对舱体姿态和吊装速度的要求比集装箱更高。因此，研究合适的吊装形式、吊具和吊装设备来保障吊装的安全性变得尤为重要。鉴于此，本文介绍了目前常见的吊装技术形式，并进行了对比，归纳总结了不同吊装形式的优缺点及适用范围；同时，综述了吊具、吊绳以及吊装姿态等的现有研究成果，指出了当前吊装中存在的主要问题，并提出了未来的研究方向。1、目前预制舱吊装技术形式概述根据JGJ276—2012《建筑施工起重吊装工程安全技术规范》，在进行起重吊装作业前，必须编制专项施工方案，并确保构件的吊点符合设计规定。因此，针对不同场景选择合适的吊装形式至关重要。目前，根据预制舱的结构形式和场地条件，吊装形式可分为顶部起吊、底部起吊和千斤顶卸载三种，其各自的特点如表1所示。1.1

顶部起吊顶部起吊广泛应用于标准化集装箱形预制舱的吊装，具有高效、节省空间等优势。顶部起吊可分为专用吊具起吊和简易吊具起吊两种形式，如图1所示。专用吊具起吊指的是配置专用的吊具来辅助吊装，往往采用框架式结构专用吊具，与预制舱顶部四角通过旋锁机构固定，通过吊绳连接起重设备完成起吊[4]。这种起吊形式标准化程度高、结构稳定、安全性好，能降低吊装过程中的事故风险，适用于需要快速高效吊装的标准化场所；但其设备成本较高，重量大，操作复杂，需具备专业的操作人员。而简易吊具起吊仅需使用吊绳及卸扣将预制舱顶部四角旋锁固定，连接起重设备。该形式具有结构简单、成本低、灵活适用的优点，适合轻小型或临时性吊装作业；然而，其稳定性和安全性较专用吊具低，长时间或重负荷使用时可能出现松动或受力不均的情况。1.2

底部起吊与顶部吊装相比，底部起吊能够更均匀地分散和承受重载，适用于较重的预制舱或顶部无法承受吊装力的情况。底部起吊通常采用一至两根横梁，横梁两端上下设有吊耳，下吊耳连接预制舱底部的吊点，上吊耳与起重设备的吊钩连接。根据吊点的数量，底部起吊方式可分为四点起吊和八点起吊，如图2所示。四点起吊通常适用于长度小于10m、重量小于20t的预制舱，适用范围广。但对于重型预制舱，四个吊点可能导致吊点局部应力过大，容易损坏舱体底部结构。因此，四点起吊更适用于轻小型预制舱的装卸场合，如国网Ⅰ型、Ⅱ型预制舱。八点起吊适用于长度超过10m、重量超过20t的重型预制舱，相比四点起吊，八点起吊能提供更均匀的受力分布，稳定性更好，能有效避免底部结构变形。不过，这种形式需要更多的配件，并且对操作精度要求更高。这种形式常用于大型变电站中的SVG、SFC等装卸场合。总的来说，在选择顶部吊装或底部吊装时，需考虑以下几个方面：首先，预制舱是否配备标准顶部吊耳及其顶部结构是否适合吊装，若答案为否则底部吊装更为合适；其次，顶部吊装占用的吊装空间更小，更适合高度受限的场景；最后，保障电气设备与舱体连接设备一般都是在工厂内部就安装在舱体中，因此在现场安装时，为了施工方便，考虑到舱内已安装的设备，通常采用底部起吊，而顶部起吊主要用于空箱转运。总之，两种起吊形式各有适用场景，具体选择取决于作业环境、吊装设备条件及预制舱结构特点。1.3

千斤顶卸载千斤顶卸载是一种专为高度受限的特殊工程设计的预制舱安装方式，如图3所示。在山洞或地下工程等特殊环境中，由于吊车无法使用，千斤顶卸载成为解决高度限制问题的有效方法[6]。该方式具有高度的操作灵活性和可控性，能够精确控制每一步操作，确保卸载过程的安全性。然而，千斤顶卸载操作复杂，效率较低，需要熟练的操作人员和专用设备。2、目前预制舱吊装研究内容2.1

吊具设计吊具是吊装过程中的关键组件，其结构形式的强度对整个操作的安全性和效率至关重要。GB/T16762—2020《一般用途钢丝绳吊索特性和技术条件》中规定了吊具的额定工作载荷，即吊具在一般使用条件下，由特定吊挂方式允许承受的最大载荷。选用合适的吊具不仅能有效分散负载，避免过载和不均匀受力，还能确保吊装作业的安全，并在各种工况下提供可靠的支撑。燕飞飞等人[8]对槽钢背靠背形式的单横梁吊具的设计与稳定性展开了研究，如图4所示。结果表明，当吊绳夹角为120°时，吊具的轴向压力显著增加，可能引发失稳风险。为提高抗失稳能力，截面改用了方管钢形式，显著提升了稳定性和强度。因此，合理选择吊具截面形式对确保稳定性十分关键。此外，选取吊具截面时还应考虑减轻自重来提升经济性。黄平[9]通过对箱型、型钢、工字型三种横截面进行计算分析，最终选择了工字型结构，减轻了吊具自重，以此充分利用吊车起重量。另外，旋锁装置是舱体与吊具之间的关键连接元件，如图5所示[10]。尹冰等人[10]通过吊具试验台开展疲劳试验，获得了旋锁的平均寿命范围；在此基础上建立了有限元模型并根据S-N疲劳曲线估算出旋锁的理论寿命，进一步优化了旋锁结构，不仅提升了旋锁装置的耐用性，降低了维护和更换频率，还有效避免了松动问题，增强了吊装过程稳定性。2.2

吊绳选择吊绳作为重要的受力元件，其选型直接关系到吊装作业的经济性和安全性。选择直径过大的吊绳会造成不必要的经济浪费，而直径过小则可能加剧磨损，缩短寿命，甚至导致断裂，引发严重事故。GB/T16762—2020《一般用途钢丝绳吊索特性和技术条件》中给出了由对称分布的与垂直方向具有相同角度的单肢吊索组成的多肢组装吊索的工作载荷计算公式：式中：WLL表示吊索额定工作荷载（t）；F0表示钢丝绳最小破断拉力（kN）；Ke表示接头形式效能近似系数，压制接头取0.9，插编接头取0.75；K表示肢的数量与垂直方向角度的相关系数（即额定工作载荷计算系数），如表2所示；Km是吨与千牛的换算系数，取值为9.80665；Ku表示安全系数，一般取5。然而，规范公式中采用的计算系数较为保守，导致吊绳受力计算数值偏低，这虽然提高了安全性，但公式计算提供的吊装形式单一，无法完全覆盖实际工程中的多样化工况，从而影响了计算的准确性和经济性。因此，研究更为准确、灵活的计算方法具有重要意义，可为工程设计提供可靠的理论支持。袁元等人基于力的合成与分解的理论，建立了吊绳的数学受力模型，充分考虑了吊点角度、质量偏心等因素，给出了常见吊装形式中吊绳的受力计算公式，并创造性地提出了椭圆与圆相切的作图法以简化计算过程，如图6所示，有效提升了吊绳选型的准确性和安全性。李记忠的研究进一步通过理论公式计算了吊绳受力，并验证了在考虑偏心作用下理论公式的可行性。相比于常规计算方法，这种方法在保证精度的前提下能够更快计算出吊绳受力。此外，吊绳与平衡梁之间的摩擦力是一个不可忽略的因素。邝小娟等人的研究表明，若不考虑摩擦力，计算得到的吊绳受力不满足安全要求。因此，在理论计算中应正确考虑摩擦力，使结果更加精准。同时，摩擦力也会加剧吊绳磨损，长期忽略可能造成安全隐患，例如吊绳在薄弱处断裂。在吊装系统中，吊绳与吊耳的节点连接十分重要，吊耳承受了主要荷载。由于结构复杂，传统理论计算往往难以准确评估吊耳处的应力是否满足安全要求。为解决这一问题，可利用有限元软件进行应力应变分析，揭示吊耳处的应力分布，找到应力集中区域。但准确模拟连接区域的受力是关键难题，这不仅涉及复杂的接触力学问题，还受到如材料的非线性行为、摩擦力等多种因素的影响。景磊改进了吊绳吊耳处连接方式的模拟方法，建立了新的有限元模型，并通过实例计算验证了该方法的高效性、合理性。这为结构设计提供了可靠的数据支持，有助于评估和改进吊耳设计。2.3

底座分析预制舱主要由底座、侧板和顶盖等部分构成，其中底座作为主要承载部分，直接关系到整体结构的安全性和稳定性。因此，对舱体底座的力学性能、结构强度及受力情况进行深入研究十分必要。根据材料分类，预制舱可主要分为标准集装箱舱型、钢结构舱型和玻纤复合材料舱型，其中钢结构舱型因高性价比和40年以上的使用寿命而得到广泛应用。根据GB55006—2021《钢结构通用规范》的规定，应确保吊装过程中产生的冲击等荷载作用不会导致结构产生永久变形。郭红斌等人[17]提出在设计阶段需要同时考虑重力、惯性力与点动冲击力的共同作用，以计算出预制舱底座钢框架的最大挠度和最大应力，从而评估底座是否会发生永久变形，避免潜在的结构损伤。王勇奎等人[18]利用ANSYS软件研究了不同吊点位置对预制舱底座的变形影响，研究表明，当吊点位置靠近底座两端时，底座中间的变形量较大，端部变形量较小；合理选择吊点位置能够最小化整体变形，有效提升底座的抗弯刚度。郭胜军等人基于有限元分析，提出了调整槽钢型号及间距来增强底座刚度的优化方案，优化设计后，底座的变形减小19.8%，同时底座刚度提高，成本降低。这种细致的分析和优化设计，不仅保证了吊装过程的安全性，还降低了预制舱吊装的经济成本，为类似工程项目提供了有价值的参考。2.4

吊装姿态研究预制舱内设备通常采用单列或双列布置，舱体的质心与重心往往不重合[20]。因此，在吊装过程中，采用常规的吊装形式会导致舱体倾斜，从而引发设备位置偏移、机械损伤（如碰撞或挤压），并削弱舱体与底座的连接性能。倾斜还会使连接点承受过大的剪切力和拉应力，造成连接件的变形、松动甚至断裂。翟旺等人研究了吊装过程中因质心变化导致的问题，发现即便是质心的微小偏移也会导致较大的倾斜角度，并为此提出了增大吊具有效高度、减小吊装物质心高度、在箱体前端或后端增加配重、设置可调节的吊环位置以及采用双钩起吊等改善措施，以减小倾斜角度。这些措施提供了有效的解决方案，确保了吊装过程中舱体姿态的平衡和设备的安全。3、预制舱吊装存在的问题3.1

吊绳与吊具选型不当吊具与吊绳作为吊装中重要的受力元件，其选型是否正确直接关系到吊装的安全性和效率。然而在实际操作中，许多吊具设计未充分考虑复杂的实际受力情况，所选用的材料和结构形式无法满足强度及稳定性的要求，导致使用过程中出现失稳、变形甚至断裂，如图7所示。例如，采用普通槽钢作为吊具材料时，在高负载情况下可能发生不可逆的塑性变形甚至断裂，难以满足吊装作业要求。吊绳既是吊装系统中的重要组成部分，也是更换频率最高的易损件[22]。但实际工程中吊绳选型不当的情况较为普遍，主要表现为以下几方面：首先，吊绳强度不足，当预制舱重量较大时，容易发生断裂事故；其次，吊绳长度不合适，可能会影响吊装的平衡性，增加预制舱倾斜风险；最后，吊绳老化严重，部分工程为节省成本而重复使用老旧吊绳，导致断裂风险大幅增加。3.2

吊装方案设计不合理吊装方案的合理性直接影响预制舱的稳定性，而吊点的设置和加固则是方案中的一个关键环节。若吊点位置选择不当或加固措施不足，吊装过程中可能导致预制舱倾斜，甚至引发预制舱变形或吊点脱落的危险情况。尤其是在多层预制舱吊装时，吊点的布置更加复杂。吊点数量设置不合理会导致单个吊点承受的重力荷载过大，引起应力变形过大，削弱吊点处连接性能。若吊绳设置不合理，起吊时吊绳的长度不一致，也会造成应力集中现象。随着市场需求的增加，预制舱的尺寸不断加大。当吊装设备的高度受到限制时，若吊点仍设置在舱体的两端，则吊绳夹角的增加将显著提高吊具的轴向压力，加剧吊具的应力集中，最终可能导致吊具弯曲、变形等问题。然而，若简单地将吊点向舱体中部移动，则舱体边缘与吊点之间的距离可能过大，造成吊点处负弯矩过大[23]。3.3

吊装荷载分析不充分当预制舱内部布局不均匀、质心偏移时，吊装过程中容易出现倾斜和摇摆。李彦国提出，在吊装时首先应考虑起吊状态下模块自重与吊钩起吊之间的静力平衡；其次，结合场地条件和起吊方式计算动力放大系数；最后，根据吊具和构件的具体位置考虑重要系数，从而逐一计算各构件的荷载。然而，该方法采用的是静态荷载分析法，未充分考虑预制舱在吊装过程中可能承受的多种复杂荷载，如自重、风荷载等组合的影响。此外，操作过程中必然存在启动、加减速等情况，由此产生的惯性力可能会导致舱体发生摇摆，这种动态过程中的摆动动力效应应纳入荷载分析。4、未来研究展望4.1

新型材料的应用现有的吊装设备虽然能满足基本要求，但在面对复杂的吊装环境和特殊要求时，表现出一定的局限性。因此，新材料和新结构应用将成为未来的重要研究方向。例如，开发轻量化、高强度的吊装工具，并通过有限元分析和试验测试，对吊具进行系统的力学性能分析和优化设计，以提高其强度和抗失稳能力。同时，研发强度高、耐久性优良的吊绳材料，能延长其在不同使用条件下的寿命，降低吊绳断裂的风险。轻质高强材料的应用不仅能显著降低舱体的自重，还可以降低起重设备的负载要求。此外，由于预制舱尺寸存在差异，需要频繁更换吊具，为提高吊具的适用性和经济性，未来有必要设计出能够兼容多规格预制舱的吊具，以减少吊具拆装次数，确保吊装过程中的稳定性和安全性。4.2

智能化吊装技术的发展随着科技的迅速发展，智能化吊装技术已在部分装配式施工吊装中得到初步研究与应用。别红亮[26]探索了智能吊装作业中全过程环境感知方法，建立了起吊前待吊装构件智能识别方法，并开发了智能化吊装作业环境感知系统，智能定位流程图如图8所示。在现场测试环境下，该系统实现了快速且高精度的识别，满足了实时性和准确性要求，但在更复杂的施工场景中则效果较不理想，因此智能化吊装技术需要进一步研究。未来，智能化吊装技术有望在实际应用中发挥更重要作用，例如，通过传感器和监控系统的集成，实时监测吊装过程中的荷载和变形情况，并结合实时数据反馈和机器学习算法，实现智能控制与风险预警。此类技术可严格控制吊绳的夹角，确保各受力部件受力均匀。在复杂且动态的施工环境中，智能化技术将提升自动化水平与决策支持能力，大幅提高吊装作业的安全性和效率。4.3

动态荷载结合仿真分析的优化设计相比于传统的静态分析，动态荷载分析能够更真实地反映吊装过程中瞬态荷载的变化和结构的响应情况。结合有限元仿真分析软件对吊装方案进行优化设计，在吊装前模拟不同吊装点位置和吊装方法的效果，可以优化预制舱的吊点布置，从而选择最佳吊装方案。此外，未来针对预制舱的减摇、防摇吊具装置，也可以借助有限元仿真技术开展进一步研究与改进，提升其性能与实用性。4.4

吊装作业标准化与规范化研究制定和完善预制舱吊装的标准和规范也是未来发展的重要任务。通过制定统一的技术标准和操作规范，可以规范吊装作业，提高吊装质量和安全性。一是吊装方案规范化，包括吊装前准备、吊装作业实施以及检查与总结。在吊装前应制定全面的吊装方案，检查设备并对参与人员进行安全培训。吊装过程中，需要严格遵循操作规程，由专业人员统一指挥。吊装完成后，及时检查设备并对整个过程进行总结反馈。通过规范化的操作流程，可以有效减少安全隐患，提高作业效率。二是吊具设计流程规范化。首先，进行需求分析，明确吊具的使用环境、承载能力和功能要求。然后，制定设计方案，选择适当的材料，确保吊具具备足够的强度和耐久性。在结构设计阶段，需要充分考虑安全系数和应力分布。制造加工