刘国磊
泰安泰山高压开关有限公司 山东 泰安 271000
摘要：本文对美国的STAAD结构软件进行介绍，从其结构设计过程的建模、荷载等方面进行阐述，探讨STAAD在GIS高压开关钢支架设计过程中的应用。阐述GIS高压开关钢支架设计中各种参数等如何设计，整体设计过程涉及大量国外行业标准，为国内工程设计提供借鉴。
关键词：STAAD；GIS高压开关；钢支架设计
引言：STAAD作为美国专门用于工程设计的软件，深受许多工程公司喜爱。建筑行业采用钢架构结构都是钢框架。但是GIS高压开关钢支架与其不同，其结构是用来对GIS高压开关进行保护的。因此，在设计的时候需要对其结构以及其他结构的受力进行综合考虑，完善钢支架的结构强度，合理对GIS高压开关进行设计。
一、结构建模
STAAD软件用来建模的话，呈现的模型非常直观。首先需要根据GIS的设计图在STAAD中建立关于其各项功能的节点，通过连接所有的节点，形成梁单元并赋予其截面信息。STAAD本身自带截面库，含有木结构、铝结构等多种信息。但是并没有直接能拿来套用在GIS模块上的截面，因此，需要自行建立截面表。GIS的主要包含管道、各种互感器、避雷器等，将这些模块简化成圆柱体。这样用户在自行建立截面表的时候，可以选择Pipe类型，在属性内输入不同模块的实际数据，软件会按照输入的内外径对面积进行剪切。对于GIS的模块材质，统一将其按照铝合金材质。在STAAD中完成对GIS各种模块的建模后，可以开始构建钢支架模型。具体的钢支架结构需要按照GIS的布置进行设计，通常对于钢支架的支座类型有固接、强制位移支座释放等，会根据实际情况为支架选择适宜的特性结构。对于桁架结构进行设计的时候，在建模之后需要进行3D渲染对模型进行全面的检查，观察与实际的设计是否一致。其设置需要主从节点，建立模型后要对其节点和构建进行严格检查，避免后期对荷载计算等出现错误。
二、基本荷载及组合
GIS高压开关和钢支架的荷载分为多种，需要根据实际的荷载工况进行选择，主要有自重、风荷载、温度荷载等，下面对不同的荷载与组合情况进行阐述。
（一）基本荷载工况
1.自重（DL）
钢支架采用的钢材规格都是按照国家标准进行的，所以在软件中，可以为钢支架添加“自重”荷载的选项，在荷载选项中将自重系数定义为-1。GIS的各个模块的自重会根据之前节点构建好的梁单元，里面有相关的数据，然后对各自的荷载进行定义，荷载数值按照模块的重量/模块长度可以得出。
2.温度荷载（T）
GIS高压开关大部分的构成部分都是管道，并且尺寸较长。会受到温度因素影响，在温度的影响下出现热胀冷缩的现象，温度变化下管道会释放分子间的力，对管道末端支架结构造成极大影响，需要综合考虑末端钢支架和GIS模块。根据技术协议中对环境温度的规定，最高、最低与平均温度，结合日照温差、电流温差，这里包含电流温差的原因是，GIS运行的过程无法避免导体中的电流，电流本身产生的热量不能忽略，所以将电流产生的温差也计算在内。综合这几种温差后，计算机会进行计算。最后将得出的温差数值输入到软件中，软件会计算出模型结构、材质带有的温度荷载。
3.套管拉力（TF）
套管拉力具体指的是架空线对套管产生的拉力，通常这种拉力会在水平的两边进行作用，将其称之为节点荷载。节点荷载主要作用于套管顶部。具体的拉力数值要参考暴露类别：城市与郊区，地表上植被茂密，障碍物十分密集，距离为800米；地形高度不足10米；比较开阔的水域地区、海岸线。还需要考虑地形暴露系数，主要是根据地面以上的高度，按照高度不同分为B、C、D三种类型。具体的如表1所示。
表1 暴露系数
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4.风荷载（W）
风荷载的定义是构建的平均荷载，计算需要根据最大风速进行计算，计算公式为：Fe=Q.kZ.（V/3.4）2.Cj.GRF.IW.D/1000；公式中Q代表了空气密度、V代表基本的风速，按照每小时km计算、D代表了投影轮廓的高度m，将荷载按照投影的方向设置。
5.地震荷载（EQ）
GIS高压开关，模块类型非常多，这也导致出现质量与刚度不对称的情况。这时需要采用反应谱法解决，反应谱法其实是动态分析手段，可以对 GIS高压开关的模块进行动态分析[1]。与底部剪力分析法相比较，反应谱法更加准确。GIS高压开关产品结构不同对应的电压等级也不同，品级高的电压等级相对会高出一些，分布面积也更大一些。动态分析会使用振型组合，有 CQC、SRSS两种方式，根据GIS高压开关自身振型，将每个振型当成相互独立的，采用 SRSS进行计算。
对GIS高压开关以及钢支架结构地震系数计算，水平方向按照100%计算，垂直方向按照50%计算，计算时，会涉及到阻尼问题，阻尼系数不同，在不知晓具体阻尼时，全部按照2%计算。
6.冰荷载（I）
冰荷载是根据技术协议中对于冰层厚度的规定，对产品冰荷载进行计算。
（二）荷载组合
对于GIS高压开关，荷载组合有多种模式，可以以ASD或者LRFD进行设计。前者为容许应力、后者为荷载抗力，分别有各自的优点和缺点，要结合实际的工程选择。
三、设计规范参数
根据美国钢结构的设计规范对于GIS高压开关的设计参数进行规范。
1.FU抗拉强度
2.FYLD 屈服强度。
3.LY、LZ分别为Y、Z轴方向的长度，计算长细比的时候会用到该数据。
4.TORSION数值为0的时候代表设计中不再考虑扭矩；而数值为1的时候代表设计中需要考虑扭矩。
根据不同的产品特性和结构，在设计过程中，根据实际需求对设计方案进行增减。STAAD软件中设计规范的种类，完全可以满足项目不同地区对于产品的选择与设计[2]。
四、查看设计结果
在上述步骤结束后，可以在软件中对模型进行计算，并获得计算结果。对于分析出来的结果需要注意的几点有：节点位移、梁单元应力比、支座反力与相关参与系数等。对于钢支架是否有效需要根据梁单元应力比进行判断，当数值大于1的时候，说明支架失效，应重新对支架进行设计，优化结构；当数值小于1的时候，说明支架结构符合规范。另外，钢支架的整体结构振型频率应大于33HZ；反之，需要对最大应力重新计算。
五、结构优化
当构件出现应力过大的时候，需要对结构进行优化，优化方案如下。
1.如果是因为温度因素造成的结构失效，需要在温度上进行考虑，查看是否可以通过增加温度缓解荷载；在结构上考虑结构的释放应力，将支架设计成滑动模式，沿着管道水平滑动；或者将GIS管道的长度相对应缩短一部分。
2.如果是因为其他因素导致结构失效，可以考虑在结构上为其增加支撑数量；改变支架的结构；更换支架的材质都是可以尝试的方法。在做好上述的工作后，需要将过程打印成计算分析报告，方便下次对产品设计当做参考。
结论：综上所述，STAAD本身是功能强大的结构分析软件，使用该软件对GIS高压开关钢支架进行设计，可以在设计过程中合理分析，降低结构风险，优化整体钢支架的结构。想要更进一步应用STAAD，不是仅局限于建模，而是需要对产品特性做深入了解，借助STAAD进行辅助，在设计时获得一定帮助，但是不能完全依赖软件，还需要自身加强对产品的了解，设计出更符合实际的设计方案。
参考文献：
[1]詹广振.高速铁路GIS高压开关柜局部放电在线监测装置研究[J].铁道机车车辆,2019,39(05):91-95+99.
[2]雷强.STAAD在GIS高压开关钢支架设计中的应用[J].山东工业技术,2018(17):146-147.