裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

王瑋

（延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西延安 716000）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)房屋是指主要承重元件均為鋼材類物質(zhì)的建筑，基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)、鋼梁、鋼柱子、鋼屋蓋、鋼屋架等材料都是鋼結(jié)構(gòu)房屋的必要組成部分。對(duì)于橫跨度較大的鋼結(jié)構(gòu)房屋來(lái)說(shuō)，鋼屋架大都保持T型連接狀態(tài)。鋼屋蓋不僅僅采用這一種材料，必要情況下，也可在搭建過(guò)程中應(yīng)用磚瓦類結(jié)構(gòu)，用于墻體形狀的維系與保持。橫向剛性壓力是鋼結(jié)構(gòu)房屋所受的特征力學(xué)調(diào)節(jié)作用，與鋼板材質(zhì)、設(shè)備連接狀態(tài)等多項(xiàng)物理因素保持關(guān)聯(lián)作用關(guān)系[1-2]。在裝配式搭建過(guò)程中，由于房屋主體結(jié)構(gòu)所受的墻板壓力不斷增大，相連連接設(shè)備之間的滑動(dòng)阻礙作用也會(huì)隨之增強(qiáng)，易導(dǎo)致主體鋼結(jié)構(gòu)的建筑穩(wěn)定性降低，影響房屋主體的基本抗壓特性。為改善由裝配剛性擠壓而帶來(lái)的房屋受力不均問(wèn)題，設(shè)計(jì)壓力數(shù)值調(diào)控計(jì)算系統(tǒng)就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)有限元型壓力計(jì)算系統(tǒng)利用ABAQUS軟件記錄裝配式房屋剛性壓力的數(shù)值變化量，再根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)最小壓力值、最大壓力值之間的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)差，分析該期間內(nèi)橫向剛性壓力的真實(shí)傳導(dǎo)行為，從而達(dá)到計(jì)算墻體所受壓強(qiáng)值的目的。但計(jì)算所得的墻板壓力數(shù)值過(guò)大，對(duì)UDI力導(dǎo)系數(shù)起到極強(qiáng)的增長(zhǎng)抑制作用。為避免上述情況的發(fā)生，以鋼結(jié)構(gòu)房屋材料的本構(gòu)關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合Client/Server 壓力數(shù)據(jù)采集模塊、EMS數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)等硬件執(zhí)行設(shè)備，設(shè)計(jì)一種全新的裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，在按需選取自動(dòng)計(jì)算單元結(jié)構(gòu)的同時(shí)，計(jì)算剛性壓力條件的實(shí)際邊界數(shù)值量，從而將系統(tǒng)調(diào)試至最佳應(yīng)用狀態(tài)。

2 剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由Client/Server 數(shù)據(jù)采集模塊、剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊、EMS數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)三部分組成，具體搭建處理方法如下。

2.1 Client/Server壓力數(shù)據(jù)采集模塊

Client/Server壓力數(shù)據(jù)采集模塊是自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的核心硬件執(zhí)行設(shè)備，由主機(jī)端、客戶端兩部分結(jié)構(gòu)共同組成。壓力控制主機(jī)在接收鋼結(jié)構(gòu)房屋壓力數(shù)值后，與相關(guān)結(jié)構(gòu)主體建立傳導(dǎo)連接，并將現(xiàn)有數(shù)值結(jié)構(gòu)平均分成兩個(gè)均等部分，一類用于Client 主機(jī)端的控制數(shù)值運(yùn)算與處理，一類用于系統(tǒng)的后期統(tǒng)籌與應(yīng)用[3-4]。在相關(guān)輸入元件的支持下，裝配式房屋剛性結(jié)構(gòu)可將受力信息直接存儲(chǔ)至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)之中，且該設(shè)備元件能夠借助壓力存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)將相關(guān)數(shù)值信息反饋至中間計(jì)算單元之中，一方面能夠時(shí)刻感知裝配式建筑的實(shí)施進(jìn)程，另一方面可滿足系統(tǒng)其它處理元件的應(yīng)用處理需求，使非組合式墻板所受物理壓力得到有效的控制調(diào)節(jié)。

圖1 Client/Server壓力數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 房屋剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊

房屋剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊主要負(fù)責(zé)相關(guān)裝配結(jié)構(gòu)與剛性壓力數(shù)值之間的信息傳導(dǎo)交流，是Client/Server 壓力數(shù)據(jù)采集模塊的下級(jí)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，由左右兩側(cè)執(zhí)行元件共同組成。在不考慮其它外界干擾條件的前提下，房屋設(shè)備元件與結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)行為總保持伴隨出現(xiàn)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊向裝配式鋼結(jié)構(gòu)傳輸將抗壓數(shù)據(jù)時(shí)，與橫向剛性壓力相關(guān)的傳導(dǎo)數(shù)據(jù)會(huì)直接經(jīng)由傳輸信道進(jìn)入系統(tǒng)感知元件中，并將與自動(dòng)計(jì)算相關(guān)的信息流反饋回核心控制主機(jī)之中[5-6]。在此情況下，橫向房屋結(jié)構(gòu)能夠感知壓力數(shù)據(jù)信息的變化行為，并將與裝配式操作相關(guān)的壓力數(shù)值條件，傳輸至鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)元件中，而壓力數(shù)據(jù)的分布與傳導(dǎo)作為關(guān)聯(lián)處置行為，總與上述系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)伴隨出現(xiàn)，且為維持系統(tǒng)的正常連接與計(jì)算[7]。除上述理論元件外，其它結(jié)構(gòu)主體中的壓力性數(shù)據(jù)條件始終不發(fā)生改變。

圖2 房屋剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 EMS數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)

EMS 數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)壓力計(jì)算指令的核心元件，能夠按照房屋剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊的連接需求，建立與Client/Server 壓力數(shù)據(jù)采集模塊的物理連接，并借助相關(guān)輸入、輸出信道，完成信息指標(biāo)量的傳導(dǎo)與調(diào)用[8]。EMS 計(jì)算是一種依附于裝配式壓力數(shù)據(jù)而存在的系統(tǒng)執(zhí)行指令，可在房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)之間保持承上啟下的調(diào)度應(yīng)用關(guān)系。其計(jì)算結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，房屋橫向剛性壓力會(huì)逐漸傳導(dǎo)至裝配式梁板與梁蓋結(jié)構(gòu)之中，且一部分壓力數(shù)據(jù)會(huì)隨著傳輸時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸縮小，直至完全等于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳導(dǎo)所需的最小信息條件。在整個(gè)壓力數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算處置過(guò)程中，與裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋相關(guān)的EMS信息可在系統(tǒng)中保持必要的連接共存狀態(tài)，且隨著數(shù)據(jù)庫(kù)中待調(diào)取信息總量的提升，系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)行為速率也會(huì)逐漸加快，進(jìn)而使橫向剛性壓力進(jìn)入極值化分布狀態(tài)，對(duì)UDI力導(dǎo)系數(shù)的增大起到一定程度的正向促進(jìn)作用。

圖3 EMS數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)圖

3 剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述設(shè)備元件的支持下，遵照房屋材料之間的本構(gòu)關(guān)系，計(jì)算剛性壓力的邊界數(shù)值，再聯(lián)合自動(dòng)計(jì)算單元組織，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，完成裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)房屋材料的本構(gòu)關(guān)系

鋼結(jié)構(gòu)房屋材料本構(gòu)關(guān)系是指相關(guān)壓力設(shè)備之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。通常情況下針對(duì)不同元件主體具有不同的輸出表達(dá)形式，且在整個(gè)裝配過(guò)程中，元件與元件之間的連接關(guān)系始終不發(fā)生改變。最上層本構(gòu)關(guān)系主要針對(duì)屋面瓦、屋架與屋面板框架。屋面瓦覆蓋在屋架外端，能夠阻擋剛性壓力對(duì)屋面板框架造成的定向損傷，進(jìn)而提升鋼結(jié)構(gòu)房屋的總體抗壓水平，促進(jìn)結(jié)構(gòu)自身物理應(yīng)用時(shí)間條件的延長(zhǎng)。中層本構(gòu)關(guān)系主要針對(duì)外墻面板及外墻板框架，這兩種結(jié)構(gòu)互為剛性壓力作用的負(fù)載傳導(dǎo)體，前者在承載裝配式作用壓力的同時(shí)，可將房屋內(nèi)部的實(shí)時(shí)壓力平均分割成多個(gè)小結(jié)構(gòu)物理分子，再借助后者將這些輕數(shù)量級(jí)剛性受力作用分別傳輸至上層本構(gòu)關(guān)系體和底層本構(gòu)關(guān)系體，從而提升鋼結(jié)構(gòu)房屋的基本抗壓穩(wěn)定性。底層本構(gòu)關(guān)系主要針對(duì)剛性支撐元件及基礎(chǔ)柱形結(jié)構(gòu)，與地面或待接觸平面直接接觸，具備較強(qiáng)的抗壓承載能力。在最上層本構(gòu)關(guān)系體、中層本構(gòu)關(guān)系體保持穩(wěn)定支撐的情況下，該層結(jié)構(gòu)中的壓力元件始終不會(huì)發(fā)生任何形式的形變，但隨著橫向剛性壓力數(shù)值的增大，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的連接空隙不斷縮小，直至相鄰設(shè)備體處于完全接觸的物理狀態(tài)。鋼結(jié)構(gòu)房屋材料的本構(gòu)關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)房屋材料的本構(gòu)關(guān)系圖

3.2 剛性壓力邊界計(jì)算條件

剛性壓力邊界條件是系統(tǒng)核心控制主機(jī)對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋提出的限定約束標(biāo)準(zhǔn)，隨建筑實(shí)施時(shí)間的延長(zhǎng)，該項(xiàng)物理參量的平均數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)不斷增大，直至完全等于非組合式墻板所能承受的最大壓強(qiáng)理論值。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向受力水平保持不變的情況下，剛性壓力邊界條件可分解為最大上限數(shù)值、最小下限數(shù)值兩個(gè)部分。所謂最大上限數(shù)值是指非組合式墻板在單位時(shí)間內(nèi)所能承受的橫向壓力最高級(jí)邊限條件，受到上極限壓力作用系數(shù)y1、上限剛性承載量p1的共同作用影響。若不考慮壓力數(shù)值在房屋結(jié)構(gòu)之間的連續(xù)傳導(dǎo)行為，上極限壓力作用系數(shù)與上限剛性承載量的變化范圍均與裝配時(shí)間t保持相同的物理變化關(guān)系，即在橫向剛性壓力的作用下，上限邊界計(jì)算數(shù)值始終保持不斷累積的變化趨勢(shì)。最小下限數(shù)值是指非組合式墻板在單位時(shí)間內(nèi)所能承受的橫向壓力最低級(jí)邊限條件，受到下極限壓力作用系數(shù)y2、上限剛性承載量p2的共同作用影響。因鋼結(jié)構(gòu)房屋元件之間存在明顯的壓力互傳作用，故單位時(shí)間內(nèi)剛性壓力的下限數(shù)值始終高于相關(guān)元件設(shè)備的最小抗壓系數(shù)權(quán)限。聯(lián)立上述物理量，可將剛性壓力的上、下邊界條件分別定義為：

其中，w↑代表剛性壓力的上邊界條件，w↓代表剛性壓力的下邊界條件，δ、φ分別代表兩個(gè)不同的剛性承載量系數(shù)，I1代表與上限剛性壓力相關(guān)的承載參量，I2代表與下限剛性壓力相關(guān)的承載參量代表橫向壓力作用條件。

3.3 自動(dòng)計(jì)算單元選取

自動(dòng)計(jì)算單元選取也叫系統(tǒng)壓力數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，能夠按照剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊、Client/Server 壓力數(shù)據(jù)采集模塊等元件設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)，確定既定計(jì)算周期內(nèi)，剛性壓力數(shù)值所及的最大距離條件，從而使系統(tǒng)控制主機(jī)能夠時(shí)刻掌握裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋的搭建實(shí)施情況。為保證系統(tǒng)對(duì)于壓力數(shù)據(jù)的計(jì)算穩(wěn)定性，該單元結(jié)構(gòu)的選取必須嚴(yán)格遵循UDI力系數(shù)傳導(dǎo)法則，設(shè)在一個(gè)力學(xué)傳導(dǎo)周期內(nèi)，剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊的執(zhí)行系數(shù)始終保持為f，Client/Server壓力數(shù)據(jù)采集模塊的執(zhí)行系數(shù)始終保持為k，且隨著鋼結(jié)構(gòu)房屋傳導(dǎo)力學(xué)總量條件的不斷增大，上述兩物理量的平均表現(xiàn)行為也不會(huì)發(fā)生改變。若計(jì)算單元芯片型號(hào)可隨壓力數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的改變而出現(xiàn)變化，則聯(lián)立公式(1)，可將自動(dòng)計(jì)算單元的選取判別標(biāo)準(zhǔn)定義為：

其中，j＇代表裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋板件所承載的壓力等級(jí)條件代表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)表面所承擔(dān)的平均橫向剛性壓力數(shù)值，β代表冪次項(xiàng)選取條件，i代表系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)計(jì)算系數(shù)平均值。至此，完成系統(tǒng)搭建的所有前期準(zhǔn)備工作，在相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，實(shí)現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

4 系統(tǒng)實(shí)用性檢測(cè)

為驗(yàn)證裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)用性能力，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選取一處于待建狀態(tài)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以搭載新型剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)組控制元件，以搭載有限元型壓力計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)作為對(duì)照組控制元件，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別記錄在實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組系統(tǒng)在干預(yù)作用下，非組合式墻板所受壓力、橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化情況。

4.1 實(shí)用檢測(cè)環(huán)境

分別將實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)、對(duì)照組系統(tǒng)接入實(shí)驗(yàn)房屋環(huán)境中，確保每個(gè)壓力橫梁上的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量均處于完全相等的狀態(tài)，截取固定實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，兩組實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的變化數(shù)值，分析各項(xiàng)影響參量的實(shí)際變化行為。

圖5 裝配式鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)房屋

4.2 非組合式墻板所受壓力

非組合式墻板所受壓力直接影響裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋所受的剛性擠壓形變量，通常情況下，前者的數(shù)值水平越低，后者的分布與傳導(dǎo)作用效果越平均，反之則越聚集。下表反應(yīng)了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組非組合式墻板所受壓力在各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處的實(shí)時(shí)數(shù)值情況。

對(duì)比表1、表2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組非組合式墻板所受壓力均保持不斷上升的變化趨勢(shì)，但從第35min 開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)組數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定，而對(duì)照組數(shù)值則繼續(xù)保持上升狀態(tài)，從最大值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的7.3×107N更是遠(yuǎn)低于對(duì)照組的10.3×107N。綜上可知，裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用，確實(shí)能夠達(dá)到達(dá)到控制非組合式墻板所受壓力的目的。

表1 實(shí)驗(yàn)組非組合式墻板所受壓力

表2 對(duì)照組非組合式墻板所受壓力

4.3 橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)

橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)也直接影響裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋所受的剛性擠壓形變量，但通常情況下，前者對(duì)后者起到抑制性促進(jìn)的影響作用。下圖反應(yīng)了既定實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)的具體變化情況。

分析圖6可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)均呈現(xiàn)不斷上升的變化趨勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)組上升幅度明顯高于對(duì)照組，第75min 時(shí)，實(shí)驗(yàn)組橫向UDI 力導(dǎo)系數(shù)達(dá)到9.8，遠(yuǎn)高于對(duì)照組的5.9。綜上可知，隨著裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了促進(jìn)橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)增大的初衷。

圖6 橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

受到ABAQUS 軟件記錄特性的限制，傳統(tǒng)有限元型壓力計(jì)算系統(tǒng)很難直接控制裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋非組合式墻板所受的物理壓力，且難以增大橫向UDI力導(dǎo)系數(shù)。而新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋橫向剛性壓力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，更改Client/Server壓力數(shù)據(jù)采集模塊的連接形式，根據(jù)房屋剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)模塊的執(zhí)行位置，設(shè)計(jì)了EMS數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)，且隨著鋼結(jié)構(gòu)房屋材料之間本構(gòu)關(guān)系的不斷明確，獲得更加準(zhǔn)確的剛性壓力的上、下邊界數(shù)值條件，自動(dòng)計(jì)算單元選取行為也不再干擾相關(guān)壓感系數(shù)的傳輸與利用。結(jié)合理論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，非組合式墻板所受壓力最大值下降了3.0×107N，而UDI力導(dǎo)系數(shù)卻突破了8.0的限制極值，不僅打破了剛性擠壓力條件分布與傳導(dǎo)不均的僵局，也真正意義上加強(qiáng)了鋼結(jié)構(gòu)房屋的主體承壓能力。