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網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)比分析

作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間:2013-09-10 15:57:04 [收藏]
摘 要:網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有自重輕,受力合理,適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于大中小跨度屋蓋設(shè)計(jì)。SFCAD是目前應(yīng)用廣泛的專業(yè)網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件之一。本文以工程中常見(jiàn)的一個(gè)小跨度螺栓球平面網(wǎng)架為例,分別用SFCAD和SAP2000軟
    關(guān)鍵詞:網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件​

    摘 要:網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有自重輕,受力合理,適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于大中小跨度屋蓋設(shè)計(jì)。SFCAD是目前應(yīng)用廣泛的專業(yè)網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件之一。本文以工程中常見(jiàn)的一個(gè)小跨度螺栓球平面網(wǎng)架為例,分別用SFCADSAP2000軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算校核,分析了兩個(gè)軟件結(jié)果的異同,指出了網(wǎng)架設(shè)計(jì)需要注意的地方。

    關(guān)鍵詞:網(wǎng)架;SAP2000SFCAD

    網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于其具備剛度大、整體性好、自重輕、適應(yīng)性強(qiáng)及取材方便、適宜工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),近二十多年來(lái)在我國(guó)發(fā)展很快,網(wǎng)架的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工力量遍布全國(guó)。過(guò)去網(wǎng)架計(jì)算多采用空間桁架位移精確法、交叉梁系(即差分法)、擬夾層板及假想彎矩等簡(jiǎn)化計(jì)算法[1]。近十多年來(lái)由于計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展,各單位都用精確法上機(jī)計(jì)算取代了圖表的手算近似法。不少高等院校、科研設(shè)計(jì)院都編制了具有各自特色的網(wǎng)架計(jì)算軟件,可供設(shè)計(jì)單位用來(lái)計(jì)算和繪制施工圖。其中SFCAD是應(yīng)用較廣泛的一個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。


    SFCAD能自動(dòng)形成復(fù)雜的幾何數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)完善的前后處理,提供菜單式人機(jī)對(duì)話和圖形互換,用戶只需確定網(wǎng)架桿件布置,程序即可自動(dòng)迭代計(jì)算給出桿件截面分布。


    實(shí)際工程中,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往作為主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分,由結(jié)構(gòu)工程師給出設(shè)計(jì)方案,再由施工方進(jìn)行施工放樣深化設(shè)計(jì),經(jīng)結(jié)構(gòu)工程師確認(rèn)后方可工廠加工。根據(jù)實(shí)地情況和市場(chǎng)條件的不同,施工方有時(shí)還會(huì)更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,把自己獨(dú)立計(jì)算的網(wǎng)架方案拿給結(jié)構(gòu)工程師確認(rèn)。這就要求結(jié)構(gòu)工程師了解相關(guān)軟件的特性和設(shè)計(jì)安全度等信息。


      SAP2000[2]是美國(guó)CSI公司出品的通用有限元分析軟件,使用方便、適用范圍廣泛,已被多年來(lái)國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的廣泛實(shí)踐證實(shí)準(zhǔn)確高效。本文以一個(gè)工程中常見(jiàn)的小跨度網(wǎng)架為例,分別用SFCADSAP2000進(jìn)行桿件截面優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)比兩者結(jié)果,并用SAP2000對(duì)SFCAD的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),以了解SFCAD的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算能力,達(dá)到指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的目的。


    1 網(wǎng)架工程簡(jiǎn)介

    本文計(jì)算的網(wǎng)架用于某羽毛球館屋蓋,為正放四角錐網(wǎng)架,平面尺寸為30m×24m,網(wǎng)格為3m×3m,高2.12m,這是一類工程中常見(jiàn)的網(wǎng)架形式。采用周邊上弦支承,考慮固定鉸接支座和彈性鉸接支座兩種支承條件。假定上弦承受0.3kN/m2、下弦承受0.2kN/m2(不含網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自重)的恒載,上弦承受0.5kN/m2的活載。網(wǎng)架自重按桿件自重的1.22倍考慮。為了方便比較和分析,不考慮溫度荷載、風(fēng)荷載和地震荷載的作用。網(wǎng)架桿件采用Q235B鋼,強(qiáng)度設(shè)計(jì)值初步定為200N/mm2。主要對(duì)比分析兩個(gè)軟件的內(nèi)力計(jì)算和桿件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)。


    2 對(duì)比分析的基本思路

    這里首先闡明本文的比較方法和思路。將第1節(jié)中給出的工程分別輸入SAP2000SFCAD,將各自設(shè)計(jì)結(jié)果分別稱為“SAP2000初步設(shè)計(jì)”和“SFCAD初步設(shè)計(jì)”,將這兩個(gè)設(shè)計(jì)的比較定義為“比較①


    適當(dāng)修改SFCAD的參數(shù)設(shè)置使其計(jì)算結(jié)果盡量接近“SAP2000初步設(shè)計(jì)”,將此結(jié)果稱為“SFCAD檢驗(yàn)設(shè)計(jì)”。 將“SFCAD檢驗(yàn)設(shè)計(jì)”與“SAP2000初步設(shè)計(jì)”的比較結(jié)果定義為“比較②”。


    鑒于SAP2000具有通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的特性,故將“SFCAD初步設(shè)計(jì)”結(jié)果中的桿件截面輸入到SAP2000中進(jìn)行分析設(shè)計(jì),將其結(jié)果稱為“SAP2000檢驗(yàn)設(shè)計(jì)”。 將“SAP2000檢驗(yàn)設(shè)計(jì)”與“SFCAD初步設(shè)計(jì)”的比較結(jié)果定義為“比較③”。


    歸納起來(lái),本文的對(duì)比流程如圖1所示。下文中將遵循這一思路對(duì)彈性支座情形和固定支座情形分別進(jìn)行比較。

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    圖1  對(duì)比流程圖(網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件)


    3 彈性支座網(wǎng)架的對(duì)比分析


    對(duì)于彈性鉸接支座網(wǎng)架,本文中設(shè)定周邊支承節(jié)點(diǎn)的約束剛度為:x、y方向均為0.3kN/mm,豎向固定。大致計(jì)算確定,桿件截面在按截面號(hào)定義的以下截面中選取即可滿足設(shè)計(jì)要求:1—φ48×3.5,2—φ60×3.5,3—φ75.5×3.75,4—φ88.5×45—φ114×4。


    .1 軟件計(jì)算結(jié)果

    SAP2000初步設(shè)計(jì)”過(guò)程中,設(shè)定各桿件的初始截面為1號(hào)截面,即最小截面。通過(guò)6次迭代分析和設(shè)計(jì),給出“SAP2000初步設(shè)計(jì)”結(jié)果,其截面布置(缺省截面為2號(hào)截面,圖中不再標(biāo)注)如圖2所示,設(shè)計(jì)內(nèi)力如圖3所示。網(wǎng)架中心節(jié)點(diǎn)的豎向位移為49.5mm,恒載作用下(不包含自重)豎向基座反力總和為344.25kN,活載作用下為366kN,控制工況豎向基底反力總和為1078.52kN。


    SFCAD初步設(shè)計(jì)”中,通過(guò)3次迭代分析和設(shè)計(jì),兩次重量差小于3%,即認(rèn)為完成優(yōu)化。給出的“SFCAD初步設(shè)計(jì)”截面布置和設(shè)計(jì)內(nèi)力如圖4、圖5所示。網(wǎng)架中心節(jié)點(diǎn)的豎向位移為38mm,恒載作用下(不包含自重)豎向基座反力總和為344kN,活載作用下為366kN,控制工況豎向基底反力總和為1044kN,計(jì)算結(jié)果和SAP2000基本吻合。但中心節(jié)點(diǎn)的豎向位移比SAP2000結(jié)果約小20%。


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    圖2  彈性支座網(wǎng)架SAP2000設(shè)計(jì)截面

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    圖3  彈性支座網(wǎng)架SAP2000設(shè)計(jì)內(nèi)力(單位:kN)

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    圖4  彈性支座網(wǎng)架SFCAD設(shè)計(jì)截面(網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件)

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    圖5  彈性支座網(wǎng)架SFCAD設(shè)計(jì)內(nèi)力(單位:kN)(網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件)


    .2 對(duì)比分析和驗(yàn)證

    根據(jù)3.1中結(jié)果進(jìn)行“比較①”我們發(fā)現(xiàn),周邊彈性鉸接支承條件下,SAP2000初步設(shè)計(jì)的網(wǎng)架撓度大于SFCAD初步設(shè)計(jì)的結(jié)果;網(wǎng)架受力以短跨為主,短跨方向SAP2000的設(shè)計(jì)內(nèi)力比SFCAD要大,長(zhǎng)跨方向比SFCAD小。反映在截面選擇上,SAP2000設(shè)計(jì)的網(wǎng)架在短跨方向尤其是下弦桿的桿件截面大于SFCAD設(shè)計(jì)的網(wǎng)架,而在長(zhǎng)跨方向則比SFCAD選擇的截面要小。


    觀察網(wǎng)架的最小截面可以發(fā)現(xiàn),SAP2000選擇了大量的1號(hào)截面,主要用在受拉桿件中,SFCAD則以2號(hào)截面作為最小截面。原因是SFCAD中默認(rèn)設(shè)置拉桿長(zhǎng)細(xì)比不應(yīng)小于1/180,與壓桿的長(zhǎng)細(xì)比限值相同,這是偏于保守的做法。在《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]中對(duì)拉桿的長(zhǎng)細(xì)比可以放寬到1/250。

    SFCAD中拉桿的長(zhǎng)細(xì)比限值修改為1/250后重新計(jì)算得到“SFCAD檢驗(yàn)設(shè)計(jì)”結(jié)果,這里不再給出具體內(nèi)力和截面結(jié)果。進(jìn)行“比較②”我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架的最大撓度增大為40.4mm,和“SAP2000初步設(shè)計(jì)”的撓度差距縮小,上弦桿和腹桿的設(shè)計(jì)截面和SAP2000計(jì)算結(jié)果幾乎一致,內(nèi)力也趨同,但是下弦桿截面仍較小,除1號(hào)截面外,其余截面號(hào)比SAP2000設(shè)計(jì)結(jié)果小一號(hào)。


    將“SFCAD初步設(shè)計(jì)”的彈性支座網(wǎng)架截面輸入到SAP2000中進(jìn)行驗(yàn)算,得到“SAP2000檢驗(yàn)設(shè)計(jì)”結(jié)果,網(wǎng)架中心節(jié)點(diǎn)最大撓度為52.1mm。進(jìn)行“比較③”發(fā)現(xiàn)SAP2000檢驗(yàn)設(shè)計(jì)”和“SFCAD初步設(shè)計(jì)”的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果幾乎一致。以上下弦桿兩方向最大拉壓力為例,“SFCAD初步設(shè)計(jì)”結(jié)果為上弦-154/-83kN,下弦151/67kN,經(jīng)SAP2000計(jì)算為上弦-160/-87kN,下弦156/69kN。為驗(yàn)證SFCAD的可靠性,以下弦受力最大桿件按SAP2000內(nèi)力手算校核[4],桿件截面為φ75.5×3.75,拉力156kN\

    SFCAD計(jì)算書(shū)中給出的該桿設(shè)計(jì)應(yīng)力179N/mm2相比略大,說(shuō)明SFCAD桿件設(shè)計(jì)偏于不安全,但由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度小于實(shí)際鋼材屈服強(qiáng)度,仍有一定安全儲(chǔ)備。歸納起來(lái),對(duì)比結(jié)果可以簡(jiǎn)化表示見(jiàn)表1

    表1 彈性支座網(wǎng)架對(duì)比

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    4 固定支座網(wǎng)架的對(duì)比分析

    本文所說(shuō)的固定支座指的是限制三方向平動(dòng)的鉸接支座。桿件截面號(hào)及缺省截面同彈性支座網(wǎng)架分析。

    .1 軟件計(jì)算結(jié)果

    SAP2000初步設(shè)計(jì)”給出桿件截面號(hào)如圖6,“SFCAD初步設(shè)計(jì)”給出桿件截面號(hào)如圖7。缺省截面為2號(hào)截面,圖中不再標(biāo)注。

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    圖6  固定支座網(wǎng)架SAP2000設(shè)計(jì)截面

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    圖7  固定支座網(wǎng)架SFCAD設(shè)計(jì)截面

    SAP2000初步設(shè)計(jì)”結(jié)果中,網(wǎng)架中心節(jié)點(diǎn)豎向位移為37.6mm,上下弦桿短跨、長(zhǎng)跨兩方向最大拉壓力為:上弦-63/-17kN,下弦159/57kN。SFCAD初步設(shè)計(jì)”網(wǎng)架中心節(jié)點(diǎn)豎向位移為29mm,上下弦桿兩方向最大拉壓力為:上弦-45/-27kN,下弦121/73kN。這里不再給出具體內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,只摘取了邊中心支座的反力供比較參考。計(jì)算結(jié)果中網(wǎng)架長(zhǎng)邊中間節(jié)點(diǎn)的支座反力為:

    SAP20000/99/58kN(Rx/Ry/Rz)

    SFCAD  0/88/49kN(Rx/Ry/Rz)。

    網(wǎng)架短邊中間節(jié)點(diǎn)的支座反力為:

    SAP2000-57/0/35kN(Rx/Ry/Rz)

    SFCAD  -70/0/37kN(Rx/Ry/Rz)


    .2 對(duì)比分析和驗(yàn)證

    根據(jù)4.1結(jié)果進(jìn)行比較①”,可以發(fā)現(xiàn)彈性支座網(wǎng)架比較①”的結(jié)論仍然成立,不同的是,兩軟件計(jì)算的桿件受力和位移明顯都比彈性支座情況減小,上弦桿內(nèi)力在彈性網(wǎng)架中和下弦桿內(nèi)力相差不多,在固定支座中變?yōu)椴坏较孪覘U內(nèi)力的一半。支座反力則由原來(lái)的以Z向反力為主,XY向反力均小于2kN,變?yōu)橹ё较蚣s束力較大,甚至超過(guò)豎向支承力。


    考慮到拉桿長(zhǎng)細(xì)比的影響,修改SFCAD中拉桿控制長(zhǎng)細(xì)比為1/250,進(jìn)行“比較②”,和彈性支座情況比,修改長(zhǎng)細(xì)比限值導(dǎo)致的趨同現(xiàn)象不那么顯著有效。除腹桿截面布置與SAP2000幾乎一致外,拉桿和壓桿仍然比SAP2000計(jì)算結(jié)果偏小。內(nèi)力結(jié)果雖有所趨同,仍相差較大。


    SFCAD最初設(shè)計(jì)的網(wǎng)架輸入到SAP2000里,進(jìn)行“比較③。網(wǎng)架中心節(jié)點(diǎn)豎向位移為38.9mm,比SFCAD計(jì)算結(jié)果稍大。上下弦桿兩方向最大拉壓力為:上弦-47/-28kN,下弦124/75kN,兩方向最大支座反力分別為0/90/51kN-72/0/39kN,與SFCAD計(jì)算結(jié)果相差不大。同樣選擇SAP2000中給出應(yīng)力比最大的桿件進(jìn)行手算校核。桿件截面為φ60×3.5,拉力124kN,\


    SFCAD計(jì)算書(shū)中給出的該桿設(shè)計(jì)應(yīng)力194N/mm2相比,略大,但由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度小于實(shí)際鋼材屈服強(qiáng)度,可以保證結(jié)構(gòu)安全。同樣列表簡(jiǎn)單表示見(jiàn)表2


    2 固定支座網(wǎng)架對(duì)比

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    4 結(jié) 論

    在工程設(shè)計(jì)中使用獨(dú)立編制的軟件對(duì)同一工程進(jìn)行對(duì)比分析是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤與紕漏并優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的有效方法。本文通過(guò)將常用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SFCAD和通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SAP2000進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)比和校核,對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力特性和SFCAD軟件的計(jì)算特點(diǎn)有了較深入的分析和了解。


    1SFCAD軟件計(jì)算的撓度偏小。但由于一般網(wǎng)架的計(jì)算撓度遠(yuǎn)小于撓度規(guī)定值(較小跨度的1/250),所以不會(huì)對(duì)網(wǎng)架的設(shè)計(jì)和使用造成太大影響。


    2)與通用有限元軟件SAP2000的設(shè)計(jì)比,SFCAD設(shè)計(jì)的網(wǎng)架下弦桿比SAP2000要小。如拉壓桿設(shè)置同樣的長(zhǎng)細(xì)比1/180,則短跨的受力減小,長(zhǎng)跨的受力加大。對(duì)于上弦支承的網(wǎng)架,SFCAD下弦桿的安全度偏低,尤以中間受力較大桿件安全度相對(duì)最低。


    3)扣除本文SAP2000網(wǎng)架在設(shè)計(jì)工況下的豎向反力之和略大于SFCAD(幅度不超過(guò)4%)的因素,SFCAD計(jì)算彈性支座網(wǎng)架的內(nèi)力和SAP2000基本一致,計(jì)算固定支座網(wǎng)架的內(nèi)力不那么準(zhǔn)確。但總體能保證安全。SFCAD的滿應(yīng)力控制優(yōu)化設(shè)計(jì),有時(shí)并不能準(zhǔn)確地保證應(yīng)力小于控制應(yīng)力,將鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度取為200N/mm2,以保證足夠的安全度是有必要的。用戶也可以根據(jù)實(shí)際需要達(dá)到的安全儲(chǔ)備修改設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。


    4)值得注意的是,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支座剛度對(duì)網(wǎng)架的設(shè)計(jì)結(jié)果影響很大。如支座假定的過(guò)剛,支座反力大,支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)偏于保守,但桿件受力減小,與實(shí)際情況比,桿件設(shè)計(jì)偏于不安全。如支座假定的過(guò)柔,則桿件設(shè)計(jì)偏于安全,但支座由于設(shè)計(jì)反力小偏于不安全。支座剛度的選取需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合具體網(wǎng)架支座形式和下部支承結(jié)構(gòu)情況設(shè)計(jì),以期最大限度地符合實(shí)際情況,保證下部支承結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架支座和網(wǎng)架整體的安全。 tylej�ob�: �oA size:10.0pt; mso-hansi-font-family:宋體;color:black;mso-font-kerning:0pt'>3.75,拉力156kN,


    SFCAD計(jì)算書(shū)中給出的該桿設(shè)計(jì)應(yīng)力179N/mm2相比略大,說(shuō)明SFCAD桿件設(shè)計(jì)偏于不安全,但由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度小于實(shí)際鋼材屈服強(qiáng)度,仍有一定安全儲(chǔ)備。歸納起來(lái),對(duì)比結(jié)果可以簡(jiǎn)化表示見(jiàn)表1

    參考文獻(xiàn)

    [1]《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì). 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1998.

    [2] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司. SAP2000中文版使用指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

    [3] JGJ 7-2010. 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010.

    [4] GB 50017-2003. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2003.

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