摘 要：簡(jiǎn)要介紹美國(guó)STAAD工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件；通過實(shí)際工程案例，從結(jié)構(gòu)建模，基本荷載輸入及組合，設(shè)計(jì)規(guī)范定義，查看設(shè)計(jì)結(jié)果及設(shè)計(jì)優(yōu)化等幾個(gè)方面講解STAAD在GIS高壓開關(guān)鋼支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；詳細(xì)分析講解了在STAAD中針對(duì)高壓開關(guān)的鋼支架進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)如何對(duì)相關(guān)的各類參數(shù)進(jìn)行選取和設(shè)置；涉及到了很多國(guó)內(nèi)外的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為類似的工程設(shè)計(jì)提供學(xué)習(xí)和參考。

關(guān)鍵詞：STAAD；GIS高壓開關(guān)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.131

0 前言

STAAD是美國(guó)Bentley公司的一款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的軟件，許多著名的大工程公司，設(shè)計(jì)院都采用STAAD作為結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。該軟件主要用于鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析，在建筑行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的尤為廣泛，但在電氣行業(yè)用的很少，尤其是國(guó)內(nèi)。該文主要介紹STAAD在電氣行業(yè)中的應(yīng)用。本文以已經(jīng)安裝運(yùn)行的寧夏750kV杞鄉(xiāng)變電站中的750kV GIS高壓開關(guān)的鋼支架設(shè)計(jì)為例來(lái)進(jìn)行講解。

建筑行業(yè)的鋼架構(gòu)大部分是單一的鋼框架結(jié)構(gòu)，只用對(duì)鋼框架進(jìn)行設(shè)計(jì)分析；而GIS高壓開關(guān)鋼支架不是獨(dú)立存在的，它的作用是用來(lái)支撐及保護(hù)GIS高壓開關(guān)，所以在設(shè)計(jì)分析的時(shí)候即要考慮鋼支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還要考慮GIS高壓開關(guān)各個(gè)模塊的受力情況。下面根據(jù)STAAD軟件的設(shè)計(jì)先后順序，依次講解該軟件如何應(yīng)用于GIS高壓開關(guān)鋼支架的設(shè)計(jì)上。

1 結(jié)構(gòu)建模

STAAD的建模比較簡(jiǎn)單直觀，首先根據(jù)GIS布置圖在STAAD中建立GIS各功能模塊的節(jié)點(diǎn)，然后把節(jié)點(diǎn)連成梁?jiǎn)卧?，最后給梁?jiǎn)卧x上截面信息。STAAD自帶的界面庫(kù)是鋼結(jié)構(gòu)，冷彎型鋼，木結(jié)構(gòu)和鋁，GIS的模塊在截面庫(kù)里沒有現(xiàn)成的可以選擇，所以我們只能自己建立用戶截面表。GIS的主要模塊有管道，斷路器，電壓互感器，電流互感器，避雷器，套管等，這些模塊可以簡(jiǎn)化成圓柱體。在建立用戶自定義截面表時(shí)，截面類型選擇“Pipe”。截面屬性輸入模塊實(shí)際的外徑，內(nèi)徑，Y向剪切面積Ay及Z向剪切面積Az。 GIS模塊的材質(zhì)統(tǒng)一定義為鋁合金。 在STAAD中對(duì)GIS模塊建完模型后便開始建立鋼支架的模型，根據(jù)GIS的布置合理安排鋼支架的位置及類型；定義鋼支架的支座類型（GIS鋼支架中常用的支座類型有固接，鉸支，固支釋放，強(qiáng)制位移支座，強(qiáng)制位移支座釋放等）；根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置鋼支架的特性，比如：桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)置，偏心構(gòu)件的設(shè)置，各個(gè)方向的力及力矩的釋放，主從節(jié)點(diǎn)的設(shè)置等。在模型建完以后一定要通過“3D渲染視圖”功能檢查模型是否跟實(shí)際情況一致。同時(shí)在模型建立完以后一定要對(duì)模型進(jìn)行孤立及重復(fù)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的檢查，以免在后期計(jì)算時(shí)報(bào)錯(cuò)。

2 基本荷載及組合

作用于GIS高壓開關(guān)和鋼支架上的荷載按基本荷載工況類型分為自重，溫度荷載，套管拉力，風(fēng)荷載，地震荷載，冰荷載，操作荷載等。

2.1 基本荷載工況

（1）自重Dead Load（DL）：鋼支架都是標(biāo)準(zhǔn)的型材， 所以鋼支架的自重可以通過軟件自帶的“自重”荷載選項(xiàng)定義，自重系數(shù)設(shè)為-1；GIS各功能模塊的自重通過相應(yīng)梁?jiǎn)卧木己奢d來(lái)定義，通過模塊重量除以相應(yīng)模塊構(gòu)件的長(zhǎng)度得出均布荷載的數(shù)值。

（2）溫度荷載Temperature（T）：GIS高壓開關(guān)大部分是管道，而且較長(zhǎng)，在溫度變化時(shí)會(huì)有熱脹冷縮，該熱脹冷縮釋放出來(lái)的力是分子間的力，對(duì)管道末端的鋼支架及GIS模塊有很大的影響，所以必須考慮。根據(jù)技術(shù)協(xié)議里的環(huán)境溫度（極端最高溫度，極端最低溫度，平均溫度），結(jié)合日照溫差及GIS產(chǎn)品的電流溫差，計(jì)算出GIS模塊的實(shí)際溫差。只需要把溫差數(shù)值輸入到“溫度荷載”中，軟件會(huì)根據(jù)模型結(jié)構(gòu)及材質(zhì)自動(dòng)計(jì)算溫度荷載。因?yàn)镚IS在運(yùn)行的時(shí)候?qū)w里有電流通過，電流會(huì)產(chǎn)生熱量，所以電流溫差必須考慮。

（3）套管拉力Tensile Force（TF）：套管拉力指架空線對(duì)套管的拉力，該拉力一般作用在水平兩個(gè)方向，套管拉力定義為節(jié)點(diǎn)荷載，作用于套管的頂端。力的數(shù)值參考標(biāo)準(zhǔn)IEC60137-2003表1和GB_T 4109-2008表1[1][2].該項(xiàng)目的套管為750kV高壓套管，套管拉力取2.5kN.

（4）風(fēng)荷載Wind Load（W）：風(fēng)荷載定義為構(gòu)件的均布荷載。根據(jù)技術(shù)協(xié)議里的最大風(fēng)速，計(jì)算出風(fēng)荷載的大小。風(fēng)荷載的公式參考標(biāo)準(zhǔn)ASCE 113，[3]具體公式如下：

Q 空氣密度系數(shù) [kg/m3]，取值 0.613；

kz 在地面以上的Z高度處的地形暴露系數(shù)（kz 的取值見表2，表3）；

V 基本風(fēng)速 [km/h]；

Cj 力的系數(shù) GIS模塊取0.7；鋼支架取2；

GRF 陣風(fēng)響應(yīng)因子，取值為0.85；

IW 重要性因素，取值為1.15；

D 投影輪廓高度[m]。

風(fēng)荷載的作用方向設(shè)置為投影方向。

（5）地震荷載Earthquake Load（EQ）：對(duì)于GIS高壓開關(guān)，功能模塊類型很多，質(zhì)量和剛度不對(duì)稱，適合采用反應(yīng)譜法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。反應(yīng)譜法是一種動(dòng)態(tài)分析方法，比底部剪力法更精確。常用的振型組合方式有CQC和SRSS兩種方式，由于GIS高壓開關(guān)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了電壓等級(jí)越高，分布越廣，結(jié)構(gòu)的自振形態(tài)或自振頻率相差也就越大，可以看成每個(gè)振型的振動(dòng)是相互獨(dú)立的，所以振型的組合方式采用SRSS的方法可以使結(jié)構(gòu)計(jì)算的更理想。反應(yīng)譜振型參考IEEE693-2005章節(jié)A1.2.2.1里的圖形[4]。

反應(yīng)譜曲線中對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜加速度見下表：

對(duì)于GIS高壓開關(guān)及其鋼支撐，水平方向的地震烈度系數(shù)取100%；垂直方向的地震烈度系數(shù)取50%[5]；在反應(yīng)譜曲線中，阻尼有2%，5%及10%。如果不知道產(chǎn)品的阻尼，一般取較苛刻的2%。[5]

（6）操作荷載Operation Load（OP）：操作荷載來(lái)源于斷路器操作機(jī)構(gòu)的開合閘，該項(xiàng)目斷路器的操作機(jī)構(gòu)是彈簧液壓機(jī)構(gòu)，所以操作荷載來(lái)源于操作機(jī)構(gòu)開合閘時(shí)彈簧釋放出來(lái)的彈力。該數(shù)值根據(jù)操作機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)來(lái)定義。

（7）冰荷載Ice Load（I）：冰荷載定義為均布荷載，根據(jù)技術(shù)協(xié)議里冰層厚度來(lái)計(jì)算冰荷載數(shù)值。

2.2 荷載組合

針對(duì)GIS高壓開關(guān)，我們可以采用ASD或者LRFD的驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法。SAD（Allowable stress design）為容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法， LRFD（Load & resistance factor design）為荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法。兩種方法各有優(yōu)缺，該項(xiàng)目我們采用ASD的設(shè)計(jì)方法，ASD設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的荷載組合方式見下表：

不同設(shè)計(jì)方法，在進(jìn)行荷載組合的時(shí)候基本荷載的系數(shù)不同，對(duì)于GIS高壓開關(guān)，可以參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE693-2005章節(jié)A2.1[4]。

3 設(shè)計(jì)規(guī)范的參數(shù)定義

該項(xiàng)目采用的設(shè)計(jì)規(guī)范是AISC 360-10美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為AISC ASD[7]。定義的參數(shù)主要有下面幾種：

（1）FU 抗拉強(qiáng)度。

（2）FYLD 屈服強(qiáng)度。

（3）TRACK 數(shù)值為0表示不輸出任何控制應(yīng)力；數(shù)值為1表示輸出所有控制應(yīng)力；數(shù)值為2表示輸出詳細(xì)的結(jié)果。

（4）BEAM 數(shù)值為0 表示只對(duì)桿端彎矩以及用SECTION命令指定截面的彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)；數(shù)值為1表示沿桿長(zhǎng)計(jì)算各十二等分點(diǎn)的彎矩，采用最大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（5）LY 構(gòu)件在局部坐標(biāo)y軸方向上的長(zhǎng)度，用于計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比。

（6）LZ 構(gòu)件在局部坐標(biāo)z軸方向上的長(zhǎng)度，用于計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比。

（7）TORSION 數(shù)值為0表示設(shè)計(jì)不考慮扭矩；數(shù)值為1表示設(shè)計(jì)考慮扭矩。

根據(jù)不同產(chǎn)品的特性及結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要增減設(shè)計(jì)參數(shù)；也可以根據(jù)項(xiàng)目地區(qū)及業(yè)主的要求選擇合適的設(shè)計(jì)規(guī)范。STAAD中包含的設(shè)計(jì)規(guī)范有幾十種，完全滿足需要。

4 查看設(shè)計(jì)結(jié)果

以上步驟完成后對(duì)STAAD模型進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)束后在“后處理”中查看計(jì)算結(jié)果。通常需要查看的結(jié)果有：節(jié)點(diǎn)位移，節(jié)點(diǎn)支座反力，桿端內(nèi)力，梁?jiǎn)卧獞?yīng)力比，頻率，質(zhì)量參與系數(shù)等。

鋼支架是否失效主要是看鋼架梁?jiǎn)卧獞?yīng)力比，應(yīng)力比大于1即失效，需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；應(yīng)力比如果小于1，則表示構(gòu)件通過了規(guī)范校核。

另外整個(gè)結(jié)構(gòu)的振型頻率需要大于33Hz.如果小于33Hz，需要增加截?cái)嗾裥螖?shù)量，重新計(jì)算分析。[5]

該項(xiàng)目的最大應(yīng)力比為0.978.沒有失效構(gòu)件。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如果構(gòu)件應(yīng)力比過大，或者構(gòu)件應(yīng)力比超過1，就需要對(duì)鋼支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。常用的優(yōu)化方案主要有以下幾種：

（1）由于溫度造成的失效，首先考慮是否可以增加溫度補(bǔ)償模塊來(lái)吸收溫差造成的位移及荷載；其次在鋼支撐上考慮釋放該管道軸向的力，即把鋼支架設(shè)計(jì)為沿管道軸向滑動(dòng)；或者調(diào)整布置，減短GIS管道在某一方向上的長(zhǎng)度。

（2）其他基本工況造成的鋼支架失效，可以采用加大型鋼，增加支撐數(shù)量，優(yōu)化鋼支架的位置，更改鋼支架的結(jié)構(gòu)以及更換鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)等方式來(lái)解決。

以上工作全部完成以后可以根據(jù)需要打印計(jì)算分析報(bào)告。

6 總結(jié)

（1）STAAD是一款功能強(qiáng)大的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件。合理使用STAAD進(jìn)行GIS高壓開關(guān)的鋼支架設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確，更合理，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；也可以優(yōu)化鋼支架結(jié)構(gòu)，降低成本。

（2）要把STAAD運(yùn)用好，不單單是簡(jiǎn)單的建模，套用模板，而需要對(duì)產(chǎn)品的特性深入了解，對(duì)相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有深入的了解。

（3）STAAD只是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)輔助軟件，在設(shè)計(jì)的同時(shí)更多的要參照?qǐng)?zhí)行相應(yīng)的國(guó)家&國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以及深入了解產(chǎn)品的特性。避免盲目依賴于軟件，軟件只能作為一種輔助驗(yàn)證及參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEC 60137-2003 Insulated bushings for alternating voltages above 1000V[S].

[2]GB/T 4109-2008 交流電壓高于1000V的絕緣套管[S].

[3]ASCE 113 Substation Structure Design Guide[S].

[4]IEEE 693-2005 IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substations[S].

[5]IEC 62271-207 High-voltage switchgear and controlgear- Part 207： Seismic qualification for gas-insulated switchgear assemblies for rated voltages above 52 kV[S].

[6]AISC 360-10 Specification for Structural Steel Buildings[S].

[7]AIS ASD-1989 Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[S].

作者簡(jiǎn)介：雷強(qiáng)（1982-），男，湖北隨州人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：GIS高壓開關(guān)鋼支架設(shè)計(jì)及力學(xué)分析。