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

郭振勇，劉開(kāi)康，張哲，豐茂東

（1.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089;2.大連都市發(fā)展設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 大連116012）

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

郭振勇1，劉開(kāi)康1，張哲1，豐茂東2

（1.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089;2.大連都市發(fā)展設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 大連116012）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有自重輕，剛度大，整體性好，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)。論文基于某援外項(xiàng)目分析了SSCAD和MSTCAD兩種網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件的異同，以供同類項(xiàng)目參考。

網(wǎng)架；MSTCAD；SSCAD

1 項(xiàng)目概況

某援外機(jī)場(chǎng)貨運(yùn)站項(xiàng)目，因某種原因，該項(xiàng)目重新復(fù)核出圖，結(jié)果與原出圖差異較大，本文基于此項(xiàng)目對(duì)SSCAD和MSTCAD兩種網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了對(duì)比。

SSCAD是由上海交通大學(xué)龔景海博士研制開(kāi)發(fā)，包括建模系統(tǒng)（建立空間結(jié)構(gòu)模型）、優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)（桿件線性優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)）、施工圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)（施工圖、加工圖設(shè)計(jì)）、模態(tài)分析系統(tǒng)（求解空間結(jié)構(gòu)振型及周期）、地震反應(yīng)分析系統(tǒng)（采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震驗(yàn)算）、動(dòng)力分析系統(tǒng)（采用時(shí)程分析法進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載及地震作用下的反應(yīng)分析）、幾何非線性穩(wěn)定分析（采用弧長(zhǎng)法求單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的臨界荷載及對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過(guò)程屈曲分析）七大部分。MSTCAD是由浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心羅堯治教授開(kāi)發(fā)，具有獨(dú)立的圖形界面，建模、圖形編輯、結(jié)構(gòu)分析、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、實(shí)體效果、圖紙生成等都在同一界面完成，可以完成優(yōu)化設(shè)計(jì)、模態(tài)分析、地震反應(yīng)分析及溫度荷載施加等功能。

2 網(wǎng)架工程簡(jiǎn)介

本文對(duì)比的網(wǎng)架用于貨運(yùn)站屋蓋，為正放四角錐網(wǎng)架，螺栓球節(jié)點(diǎn)，平面尺寸為72m×60m，72m×45m，72m×60m三塊，主要網(wǎng)格為3.75m×3.4m，柱距7.5m，跨度為48m+24m，檐口網(wǎng)架高度1.7m，5%雙坡屋面。采用周邊下弦支承，按照10.8m高600mm×900mm框架柱截面計(jì)算彈性支座。上弦恒載為0.5kN/m2，下弦恒載為0.4kN/m2，上弦活載為0.5kN/m2，基本風(fēng)壓為0.85kN/m2，A類，無(wú)雪壓。為便于對(duì)比分析，網(wǎng)架自重按照桿件自重的1.2倍考慮。為了方便比較和分析，不考慮地震荷載作用，考慮±25℃溫差。網(wǎng)架桿件均采用Q235B焊接鋼管。

3 網(wǎng)架對(duì)比分析的基本思路

原設(shè)計(jì)采用的是 SSCAD軟，目前采用的是MSTCAD2014軟件，在原施工圖基礎(chǔ)重新建模計(jì)算，雙方屬于背靠背設(shè)計(jì)。以下從2個(gè)軟件模型的規(guī)范選取、支座約束、荷載組合、強(qiáng)度控制、桿件截面分類等各個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，以找到2種模型結(jié)果差異。

4 網(wǎng)架對(duì)比分析

4.1 支座約束

查詢SSCAD軟件中支座約束情況，發(fā)現(xiàn)其在所有支座的X向剛度和Y向剛度均采用800kN/m，而MSTCAD2014模型按照式（1）計(jì)算X向和Y向側(cè)向剛度系數(shù)為2604kN/m和1157kN/m。

式中，E為彈性模量；I為慣性矩；l為柱高度。

現(xiàn)已施工的混凝土框架柱截面主要采用600mm× 900mm截面，X向和Y向剛度必然不同，故SSCAD模型中支座設(shè)置有誤，并和實(shí)際情況最大相差2604/800=3.3倍。

4.2 規(guī)范選取及控制參數(shù)

SSCAD模型采用的的是《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JGJ 7—91），MTS2014模型采用的是《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010），JGJ7—2010是JGJ 7—1991的替換版本，自2011年3月1日已開(kāi)始實(shí)施。

《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010）相對(duì)《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JGJ 7—1991）增加了許多限制內(nèi)容和對(duì)部分參數(shù)趨于嚴(yán)格，對(duì)于該貨運(yùn)站項(xiàng)目影響最大的是《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010）第5.1.5條規(guī)定[1]：“空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件分布應(yīng)保證剛度的連續(xù)性，受力方向相鄰的弦桿其桿件截面面積之比不宜超過(guò)1.8倍，多點(diǎn)支承的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)其反彎點(diǎn)處的上下弦桿宜按構(gòu)造要求加大截面”。MSTCAD2014可通過(guò)“同一方向的弦桿截面面積之比不大于1.8”“同一方向的弦桿截面級(jí)差”“同一方向的腹桿截面級(jí)差”“同一節(jié)點(diǎn)的弦桿截面級(jí)差”“同一節(jié)點(diǎn)的腹桿截面級(jí)差”“同一節(jié)點(diǎn)上桿件截面級(jí)差”“同方向弦桿，當(dāng)同時(shí)小于相鄰桿件截面時(shí)作自動(dòng)調(diào)整”這些選項(xiàng)自主選擇是否控制。而SSCAD模型一直未按照J(rèn)GJ 7—2010更新設(shè)置，無(wú)法按照規(guī)范進(jìn)行調(diào)整。

2個(gè)軟件均采用的是滿應(yīng)力的計(jì)算方法，因此桿件規(guī)格的選取也至關(guān)重要，在 2個(gè)軟件模型中，桿件均選用φ60mm×3.5mm，φ75.5mm×3.5mm，φ88.5mm×3.75mm， φ114mm×3.75 mm，φ140mm×4.5mm，φ159mm×6 mm，φ180mm×6mm，φ159mm×8mm，φ219mm×8mm九種規(guī)格，密度在SSCAD默認(rèn)中采用的是7850kg/m3，MSTCAD2014默認(rèn)采用的是7 900 kg/m3，材料彈性模量均采用的是2.06× 105N/mm2，溫度線膨脹系數(shù)均采用12×10-6。

壓桿長(zhǎng)細(xì)比控制均按照規(guī)范采用的是180，拉桿長(zhǎng)細(xì)比在SSCAD模型中采用的是250，MSTCAD2014模型中采用的是200，此處也是控制比原設(shè)計(jì)控制嚴(yán)格之處。

4.3 荷載參數(shù)和荷載組合方面

在SSCAD和MSTCAD2014兩個(gè)模型中，上弦恒載均采用0.5kN/m2，上弦活載均采用0.5kN/m2，下弦恒載均采用0.4kN/m2，而對(duì)于風(fēng)荷載則相差較大，經(jīng)過(guò)認(rèn)真比對(duì)，發(fā)現(xiàn)以下2個(gè)問(wèn)題：

1）在SSCAD模型中風(fēng)荷載未根據(jù)網(wǎng)架實(shí)際所處高度考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

2）按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）表8.3.1中要求，當(dāng)風(fēng)從屋面一側(cè)吹來(lái)時(shí)，屋面另外一側(cè)有-0.5的體型系數(shù)，而SSCAD模型則未考慮來(lái)風(fēng)方向另一側(cè)的風(fēng)壓。

在SSCAD模型中荷載組合如下：

（1）1.2恒載

（2）1.2恒載+1.4活載

（3）1.2恒載+1.4風(fēng)載

（4）1.2恒載+1.4溫度

（5）1.2恒載+1.4活載+1.4風(fēng)載

（6）1.2恒載+1.4活載+1.0溫度

（7）1.2恒載+1.4活載+1.4風(fēng)載+1.0溫度作用

在MSTCAD2014模型中荷載組合如下：

（1）1.20靜

(2)1.35靜+0.98活

(3)1.20靜+1.40活

(4)1.00靜+1.40活

(5)1.35靜+0.98風(fēng)

(6)1.20靜+1.40風(fēng)

(7)1.00靜+1.40風(fēng)

(8)1.20靜+1.40活+0.84風(fēng)

(9)1.00靜+1.40活+0.84風(fēng)

(10)1.20靜+0.98活+1.40風(fēng)

(11)1.00靜+0.98活+1.40風(fēng)

(12)1.20靜+1.40溫

(13)1.20靜+1.40活+0.84溫

(14)1.00靜+1.40活+0.84溫

(15)1.20靜+1.40風(fēng)+0.84溫

(16)1.00靜+1.40活+0.84溫

(17)1.20靜+1.40活+0.84風(fēng)+0.84溫

從以上對(duì)比來(lái)看，SSCAD模型中組合數(shù)較少，并且未考慮組合值系數(shù)、永久荷載控制組合以及永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)組合3種情況，通過(guò)對(duì)比桿件應(yīng)力控制和支座反力情況，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目中部分桿件受工況“1.35恒載+0.98活載”控制，且《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第3.2.3.2條關(guān)于永久荷載控制作用組合的規(guī)定屬于強(qiáng)條。

4.4 桿件穩(wěn)定強(qiáng)度設(shè)計(jì)

對(duì)于Q235B電焊鋼管，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）抗拉壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215kN/mm2。SSCAD模型，控制應(yīng)力 為 210kN/mm2， 控 制 應(yīng) 力 比 為 210/215=0.977，而MSTCAD2014模型，對(duì)于電焊鋼管，控制應(yīng)力為193.5kN/mm2，控制應(yīng)力比為193.5/215=0.9。

國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)院在進(jìn)行桿件截面設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮原材料、施工技術(shù)條件（安裝誤差應(yīng)力）、工程使用環(huán)境、實(shí)際受荷狀況（局部荷載）、網(wǎng)架設(shè)計(jì)和下部結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)等因素，通常桿件容許應(yīng)力控制值為桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.85～0.90[2]。

《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7—2010）表5.1.2中規(guī)定，螺栓球網(wǎng)架桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.0，2個(gè)軟件均可以自定義平面內(nèi)、平面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，該項(xiàng)目網(wǎng)架桿件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均取1.0。

鋼管分為焊接的高頻焊管和軋制的無(wú)縫鋼管，高頻焊管截面分類為b類，無(wú)縫鋼管截面分類為a類[3]。SSCAD中均默認(rèn)截面分類統(tǒng)一采用b類，MSTCAD2014軟件中在定義桿件時(shí)可以指定是a類還是b類。不同的截面類別，軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)不一樣。本項(xiàng)目網(wǎng)架2個(gè)模型中桿件均采用b類。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于實(shí)際項(xiàng)目對(duì)SSCAD和MSTCAD2014兩個(gè)網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)比和校核，可發(fā)現(xiàn)2個(gè)軟件均能很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同設(shè)計(jì)師選擇參數(shù)的差異和規(guī)范的理解程度造成了同一工程有較大的不同。設(shè)計(jì)師在網(wǎng)架設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)概念清楚，理解規(guī)范，并需要考慮施工水平、加工工藝等綜合因素做好設(shè)計(jì)工作。本文的對(duì)比分析思路也可以為其他不同種類軟件的對(duì)比提供參考，同時(shí)也提醒設(shè)計(jì)人員可以采用不同的設(shè)計(jì)軟件對(duì)同一工程進(jìn)行對(duì)比分析，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的瑕疵和紕漏。

【1】JGJ7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【2】羅堯治.大跨度儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)——設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)電力出版社,2007.

【3】GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Comparative Analysis of TrussStructureDesignSoftware

GUOZhen-yong1,LIUKai-kang1,ZHANG Zhe1,FENG Mao-dong2
(1.China IPPRInternationalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100089，China; 2.DalianUrban DevelopmentDesignCo.Ltd.,Dalian116012，China)

Trusss tructure with has the advantages of lightweight,highrigidity,good integrity, strongadaptabilityand other characteristics, arewidely used inmedium and small span roof designs. Based on a foreign aid project, this paper analyzes the differences and similarities of SSCADandMSTCADinordertosupplyreferenceforthesimilarprojects.

w ireframe;MSTCAD;SSCAD

TU356

A

1007-9467（2016）08-0031-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.002

2016-02-03

郭振勇（1986～），男，工程師，從事工業(yè)與民用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）77876185@qq.com。