Python語言在標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗算中的引入及應(yīng)用分析

文/王東明

1 前言

道路交通標(biāo)志作為道路安全設(shè)施必要的組成部分，影響著道路使用者的方方面面。道路交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計是保障交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)能夠正常使用的前提，為了能使復(fù)雜、繁瑣的運算簡單化、有效提升工作效率，我們將計算機(jī)程序引入至結(jié)構(gòu)運算中。目前，市面多見的交通安全及結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件較多，運行及界面比較豐富，但是針對標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件可以說得上是“鳳毛麟角”，這使得在實際應(yīng)用中遇到特殊標(biāo)志結(jié)構(gòu)仍需要進(jìn)行手工或編制excel 表進(jìn)行電算，給設(shè)計人員帶來了不少的麻煩。本文針對這種情況，提出用Python 語言編制相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算軟件，用來解決問題[1]。

2 常見標(biāo)志結(jié)構(gòu)的基本形式

無論是城市道路還是公路，目前道路交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)的支撐形式常見的主要有以下幾種：門式、單懸臂式、雙懸臂式、單柱式、雙柱式以及附著式，其中門式結(jié)構(gòu)主要分為整體式管狀門架結(jié)構(gòu)及桁架結(jié)構(gòu)兩種。

3 交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)材質(zhì)以及設(shè)計中所需的計算參數(shù)

標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計中除恒載外，由于考慮標(biāo)志所在地區(qū)離平坦空曠地面10m 高，因此要加上風(fēng)荷載。譬如在北京城區(qū)，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范一般會選取重現(xiàn)期為50年一遇10min 的計算平均最大風(fēng)速，即29.2m/s；而基礎(chǔ)地基承載力應(yīng)按地勘報告予以取值。一般來說，標(biāo)志版面除小型單柱或附著版面會采用玻璃鋼材質(zhì)外，其余均使用鋁合金板材。鋁合金板材：標(biāo)志結(jié)構(gòu)主要材料為鋼材，鋼管型材一般采用Q235 鋼或Q345 無縫鋼管。鋁材：標(biāo)志板、滑動槽鋁均采用防銹鋁，牌號為5A02。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

交通標(biāo)志是一種長期使用的結(jié)構(gòu)物，任何一個交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)都必須經(jīng)過計算驗證，以確保在一定的使用年限之內(nèi)，交通標(biāo)志能夠正常發(fā)揮作用。常用的標(biāo)志結(jié)構(gòu)計算方法有兩種：一種是應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的原理將標(biāo)志結(jié)構(gòu)簡化為桿件體系，采用極限狀態(tài)設(shè)計方法進(jìn)行驗算；另一種是采用有限單元法，近似計算求解。后者目前國內(nèi)外計算軟件都可以進(jìn)行輔助設(shè)計，多用于復(fù)雜桁架結(jié)構(gòu)；而前者在大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中都能通過極限狀態(tài)法給出足夠精確的結(jié)論結(jié)果，屬于傳統(tǒng)型驗算方法。本文主要探討研究以“極限狀態(tài)設(shè)計”方法下的結(jié)構(gòu)驗算，其設(shè)計原則如下：

4.1 承載能力極限狀態(tài)計算

γ0(δGd + δQd)≤fd

式中，γ0 為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)安全等級按照二級考慮，該系數(shù)取1；δGd 為永久荷載在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)；δQd 為可變荷載（主要為風(fēng)載）在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)。

4.2 正常使用極限狀態(tài)的計算

應(yīng)考慮荷載的短期效應(yīng)組合，表達(dá)式為：

v=vG+vQ≤[V]

式中，v 為交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；vG 為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；vQ 為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；[V]為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的容許變形值。一般情況下，交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)不需要進(jìn)行變形驗算，按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積以及埋深。

5 Python 語言的起源及程序特點

Python 語言是由Guido van Rossum 于1990年代初設(shè)計的，起初僅僅是作為ABC 語言的一個延續(xù)，Python 語言真正計入高速的發(fā)展并廣泛運用要追溯到2004年。目前市面上常用的Python 語言主要版本有Python2 系和Python3 系。Python 語言具有程序語句、語法簡單明了，程序免費、開源，比較自由，相比較一些其他語言來講運行速度快，兼容性和可植入性強(qiáng)，對搭建在其基礎(chǔ)上的二次開發(fā)非常有優(yōu)勢。同時，Python 語言還擁有多種類型的“庫”，方便使用者根據(jù)使用需求選擇相應(yīng)“庫”的調(diào)用。但是Python 語言也有以下兩個缺點：相比C 類語言，它的運行速度較慢（但是從本項目運行上來看，幾乎可以忽略該缺點）；可視性外觀較差，簡易程序的基礎(chǔ)開發(fā)很便捷，如果對其進(jìn)行visual 化的話對程序搭建要求比較復(fù)雜[2]。

6 選用Python 語言的原因

市面上常用工程計算機(jī)編程語言，有Autolisp、MATLAB、Fortran2003、C、C++等。本程序選用Python 語言的原因，有以下幾個方面：其自身屬于腳本語言，小巧靈活，搭建速度快，極易投入使用；Python語言自帶的math 庫與MATLAB 在工程計算中應(yīng)用上一樣強(qiáng)大，且計算速度和搭建難度以及人機(jī)交互上，前者更有優(yōu)勢。

7 Python 語言在實際結(jié)構(gòu)運算中的應(yīng)用

此次用Python 語言開發(fā)的程序基于windows XP操作系統(tǒng)以上即可運行，Python 選用3.7 版本。

7.1 核心模塊

此次用Python 語言所寫的主程序以gui.py 是程序的入口文件，也是程序visual 化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Python 自帶很多強(qiáng)大的庫資源，gui.py 就是調(diào)用了其自帶的Tkinter 庫。Tkinter 具有成熟、穩(wěn)定的特點，其內(nèi)部 設(shè) 有Label、Frame、Entry、Text、Button、Listbox、Scrollbar 等主要控件。譬如Button 綁定相應(yīng)事件，當(dāng)用戶點擊按鈕即可觸發(fā)后續(xù)操作，Entry 實例為軟件提供了輸入的窗口，從而方便用戶進(jìn)行參數(shù)輸入。main.py 為程序的主體文件，通過不同數(shù)據(jù)條件的調(diào)入，根據(jù)計算分析，提供結(jié)果供使用人選取或進(jìn)一步更改。此次main.py 中架構(gòu)含有橫梁、立柱驗算、柱腳螺栓及法蘭盤驗算及基礎(chǔ)驗算三大模塊，首先通過輸入驗算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過分析計算進(jìn)入一般受力分析，計算出的數(shù)據(jù)給出如何更改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的結(jié)論，或者滿足受力分析后進(jìn)入下一階段調(diào)試，最終輸出驗算結(jié)果，以便使用者記錄或進(jìn)行圖紙的相應(yīng)更改。math.py 為數(shù)學(xué)函數(shù)調(diào)用庫，也是Python 語言自帶常用科學(xué)計算模塊，通過此模塊調(diào)用各種科學(xué)函數(shù)可以解決結(jié)構(gòu)驗算上的各種問題。譬如，在做基礎(chǔ)柱腳螺栓核驗時，本程序采用盛金公式解決一元三次方程，通過輸出結(jié)果，區(qū)別實數(shù)、復(fù)數(shù)，選取合理的數(shù)值，進(jìn)行下一步驗算。

7.2 算例

一般來說，某一地區(qū)的交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)，固定參數(shù)主要是立柱材質(zhì)、版面材質(zhì)等，但是不排除會有其他參數(shù)需要調(diào)制修改地方。由于筆者的工程項目大部分都在北京地區(qū)，所以程序自身數(shù)據(jù)選取的基本參數(shù)也以北京地方常用參數(shù)為基礎(chǔ)。但是，對一個工程輔助程序本身而言，還應(yīng)考慮其能夠應(yīng)用到不同的地域、不同的環(huán)境條件下，所以在本程序最開始參數(shù)輸入的界面中加入一個控件用來修改與北京地區(qū)不同的參數(shù)，以適應(yīng)不同地域的標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相應(yīng)標(biāo)志結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)提升時發(fā)生的變化，如圖1 所示。

圖1 單懸標(biāo)志驗算系統(tǒng)初始界面

通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確認(rèn)，單擊驗算開始，開始對橫梁根部最大正應(yīng)力、橫梁根部最大剪應(yīng)力、橫梁合成撓度、立柱正應(yīng)力、立柱危險點驗算、風(fēng)荷載引起的立柱變形驗算以及橫梁的垂直總位移進(jìn)行驗算。點擊驗算開始后，如果驗算成功，就會出現(xiàn)對話框以進(jìn)行再一步，并繼續(xù)進(jìn)行柱腳螺栓、法蘭盤驗算及基礎(chǔ)驗算。當(dāng)所有驗算通過后，會顯示驗算成功后界面（如圖2），同時根據(jù)結(jié)論進(jìn)行修改圖紙或進(jìn)一步驗算其他標(biāo)志結(jié)構(gòu)。

圖2 單懸標(biāo)志驗算系統(tǒng)最終界面

8 工程實例

目前北京市新機(jī)場高速北線、京新高速（北京段）、大件路等多條北京市、郊區(qū)公路標(biāo)志結(jié)構(gòu)均通采用過該軟件進(jìn)行驗算復(fù)核及設(shè)計，并且都在正常運營使用中。

9 結(jié)語

通過計算機(jī)編程語言的介入，大大提高了標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算的速度，節(jié)約了比以往科學(xué)計算、EXCEL電子表格計算的30%以上的時間?；赑ython 語言具有較強(qiáng)的包容性和廣泛的介入性，不久本程序?qū)行У匕裀YAutoCad、xlrd 等模塊結(jié)合起來，進(jìn)行基于Python 的Autocad 的二次開發(fā)，實現(xiàn)圖紙、計算書一體化的驗算軟件。