STAAD在GIS高壓開關鋼支架設計中的應用

摘 要：簡要介紹美國STAAD工程結構設計軟件；通過實際工程案例，從結構建模，基本荷載輸入及組合，設計規(guī)范定義，查看設計結果及設計優(yōu)化等幾個方面講解STAAD在GIS高壓開關鋼支架設計中的應用；詳細分析講解了在STAAD中針對高壓開關的鋼支架進行設計分析時如何對相關的各類參數進行選取和設置；涉及到了很多國內外的相關行業(yè)標準，為類似的工程設計提供學習和參考。

關鍵詞：STAAD；GIS高壓開關；結構設計

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

0 前言

STAAD是美國Bentley公司的一款結構設計與分析的軟件，許多著名的大工程公司，設計院都采用STAAD作為結構工程設計計算軟件。該軟件主要用于鋼結構、鋼筋混凝土結構、木結構和鋁結構的設計與分析，在建筑行業(yè)的鋼結構設計中應用的尤為廣泛，但在電氣行業(yè)用的很少，尤其是國內。該文主要介紹STAAD在電氣行業(yè)中的應用。本文以已經安裝運行的寧夏750kV杞鄉(xiāng)變電站中的750kV GIS高壓開關的鋼支架設計為例來進行講解。

建筑行業(yè)的鋼架構大部分是單一的鋼框架結構，只用對鋼框架進行設計分析；而GIS高壓開關鋼支架不是獨立存在的，它的作用是用來支撐及保護GIS高壓開關，所以在設計分析的時候即要考慮鋼支架的結構強度還要考慮GIS高壓開關各個模塊的受力情況。下面根據STAAD軟件的設計先后順序，依次講解該軟件如何應用于GIS高壓開關鋼支架的設計上。

1 結構建模

STAAD的建模比較簡單直觀，首先根據GIS布置圖在STAAD中建立GIS各功能模塊的節(jié)點，然后把節(jié)點連成梁單元，最后給梁單元賦上截面信息。STAAD自帶的界面庫是鋼結構，冷彎型鋼，木結構和鋁，GIS的模塊在截面庫里沒有現(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，這些模塊可以簡化成圓柱體。在建立用戶自定義截面表時，截面類型選擇“Pipe”。截面屬性輸入模塊實際的外徑，內徑，Y向剪切面積Ay及Z向剪切面積Az。 GIS模塊的材質統(tǒng)一定義為鋁合金。 在STAAD中對GIS模塊建完模型后便開始建立鋼支架的模型，根據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，強制位移支座，強制位移支座釋放等）；根據實際情況設置鋼支架的特性，比如：桁架結構的設置，偏心構件的設置，各個方向的力及力矩的釋放，主從節(jié)點的設置等。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際情況一致。同時在模型建立完以后一定要對模型進行孤立及重復節(jié)點和構件的檢查，以免在后期計算時報錯。

2 基本荷載及組合

作用于GIS高壓開關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）：鋼支架都是標準的型材， 所以鋼支架的自重可以通過軟件自帶的“自重”荷載選項定義，自重系數設為-1；GIS各功能模塊的自重通過相應梁單元的均布荷載來定義，通過模塊重量除以相應模塊構件的長度得出均布荷載的數值。

（2）溫度荷載Temperature（T）：GIS高壓開關大部分是管道，而且較長，在溫度變化時會有熱脹冷縮，該熱脹冷縮釋放出來的力是分子間的力，對管道末端的鋼支架及GIS模塊有很大的影響，所以必須考慮。根據技術協(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），結合日照溫差及GIS產品的電流溫差，計算出GIS模塊的實際溫差。只需要把溫差數值輸入到“溫度荷載”中，軟件會根據模型結構及材質自動計算溫度荷載。因為GIS在運行的時候導體里有電流通過，電流會產生熱量，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套管的拉力，該拉力一般作用在水平兩個方向，套管拉力定義為節(jié)點荷載，作用于套管的頂端。力的數值參考標準IEC60137-2003表1和GB_T 4109-2008表1[1][2].該項目的套管為750kV高壓套管，套管拉力取2.5kN.

（4）風荷載Wind Load（W）：風荷載定義為構件的均布荷載。根據技術協(xié)議里的最大風速，計算出風荷載的大小。風荷載的公式參考標準ASCE 113，[3]具體公式如下：

Q 空氣密度系數 [kg/m3]，取值 0.613；

kz 在地面以上的Z高度處的地形暴露系數（kz 的取值見表2，表3）；

V 基本風速 [km/h]；

Cj 力的系數 GIS模塊取0.7；鋼支架取2；

GRF 陣風響應因子，取值為0.85；

IW 重要性因素，取值為1.15；

D 投影輪廓高度[m]。

風荷載的作用方向設置為投影方向。

（5）地震荷載Earthquake Load（EQ）：對于GIS高壓開關，功能模塊類型很多，質量和剛度不對稱，適合采用反應譜法進行動態(tài)分析。反應譜法是一種動態(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高壓開關的產品結構決定了電壓等級越高，分布越廣，結構的自振形態(tài)或自振頻率相差也就越大，可以看成每個振型的振動是相互獨立的，所以振型的組合方式采用SRSS的方法可以使結構計算的更理想。反應譜振型參考IEEE693-2005章節(jié)A1.2.2.1里的圖形[4]。

反應譜曲線中對應的反應譜加速度見下表：

對于GIS高壓開關及其鋼支撐，水平方向的地震烈度系數取100%；垂直方向的地震烈度系數取50%[5]；在反應譜曲線中，阻尼有2%，5%及10%。如果不知道產品的阻尼，一般取較苛刻的2%。[5]

（6）操作荷載Operation Load（OP）：操作荷載來源于斷路器操作機構的開合閘，該項目斷路器的操作機構是彈簧液壓機構，所以操作荷載來源于操作機構開合閘時彈簧釋放出來的彈力。該數值根據操作機構的相關參數來定義。

（7）冰荷載Ice Load（I）：冰荷載定義為均布荷載，根據技術協(xié)議里冰層厚度來計算冰荷載數值。

2.2 荷載組合

針對GIS高壓開關，我們可以采用ASD或者LRFD的驗證設計方法。SAD（Allowable stress design）為容許應力設計法， LRFD（Load & resistance factor design）為荷載和抗力系數設計法。兩種方法各有優(yōu)缺，該項目我們采用ASD的設計方法，ASD設計方法對應的荷載組合方式見下表：

不同設計方法，在進行荷載組合的時候基本荷載的系數不同，對于GIS高壓開關，可以參照行業(yè)標準IEEE693-2005章節(jié)A2.1[4]。

3 設計規(guī)范的參數定義

該項目采用的設計規(guī)范是AISC 360-10美國鋼結構設計規(guī)范[6]，具體的設計標準為AISC ASD[7]。定義的參數主要有下面幾種：

（1）FU 抗拉強度。

（2）FYLD 屈服強度。

（3）TRACK 數值為0表示不輸出任何控制應力；數值為1表示輸出所有控制應力；數值為2表示輸出詳細的結果。

（4）BEAM 數值為0 表示只對桿端彎矩以及用SECTION命令指定截面的彎矩進行設計；數值為1表示沿桿長計算各十二等分點的彎矩，采用最大值進行設計。

（5）LY 構件在局部坐標y軸方向上的長度，用于計算長細比。

（6）LZ 構件在局部坐標z軸方向上的長度，用于計算長細比。

（7）TORSION 數值為0表示設計不考慮扭矩；數值為1表示設計考慮扭矩。

根據不同產品的特性及結構，可以根據需要增減設計參數；也可以根據項目地區(qū)及業(yè)主的要求選擇合適的設計規(guī)范。STAAD中包含的設計規(guī)范有幾十種，完全滿足需要。

4 查看設計結果

以上步驟完成后對STAAD模型進行計算分析，分析結束后在“后處理”中查看計算結果。通常需要查看的結果有：節(jié)點位移，節(jié)點支座反力，桿端內力，梁單元應力比，頻率，質量參與系數等。

鋼支架是否失效主要是看鋼架梁單元應力比，應力比大于1即失效，需要對設計進行優(yōu)化；應力比如果小于1，則表示構件通過了規(guī)范校核。

另外整個結構的振型頻率需要大于33Hz.如果小于33Hz，需要增加截斷振形數量，重新計算分析。[5]

該項目的最大應力比為0.978.沒有失效構件。

5 結構優(yōu)化

如果構件應力比過大，或者構件應力比超過1，就需要對鋼支架進行結構優(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償模塊來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，即把鋼支架設計為沿管道軸向滑動；或者調整布置，減短GIS管道在某一方向上的長度。

（2）其他基本工況造成的鋼支架失效，可以采用加大型鋼，增加支撐數量，優(yōu)化鋼支架的位置，更改鋼支架的結構以及更換鋼結構的材質等方式來解決。

以上工作全部完成以后可以根據需要打印計算分析報告。

6 總結

（1）STAAD是一款功能強大的有限元結構分析軟件。合理使用STAAD進行GIS高壓開關的鋼支架設計，可以使設計更準確，更合理，降低結構設計風險；也可以優(yōu)化鋼支架結構，降低成本。

（2）要把STAAD運用好，不單單是簡單的建模，套用模板，而需要對產品的特性深入了解，對相應行業(yè)標準有深入的了解。

（3）STAAD只是結構設計的一個輔助軟件，在設計的同時更多的要參照執(zhí)行相應的國家&國際標準，以及深入了解產品的特性。避免盲目依賴于軟件，軟件只能作為一種輔助驗證及參考。

參考文獻：

[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].

作者簡介：雷強（1982-），男，湖北隨州人，本科，中級工程師，研究方向：GIS高壓開關鋼支架設計及力學分析。