四软件对同一轻型刚架结构的分析比较.docx
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四软件对同一轻型刚架结构的分析比较
四软件对同一轻型刚架结构的分析比较
Maggie
提要:
本文介绍用四个软件对同一个工程项目进行计算的结果。
回答关于节省用钢量的软件的疑惑。
关键词:
钢结构,门式刚架,3D3S,STS,PS2000,Maggie
常常听到这样的说法:
“某某软件比某某软件省用钢量”,当然,说这样话的人一般不是我们这个专业的人士,顶多也就是个一知半解,然而,作为真正的专业设计人员又了解构件设计的具体过程中的多少呢?
在钢结构的设计行业中有大批的只是软件的使用者,因此,作为处在设计领域的又是软件的编制者,有必要做做这样的事:
用不同的软件对相同的条件下同一个工程进行计算,看看结果到底有多大的差别。
本次所选的领域是轻型钢结构,因为这是目前使用面最广,而且对用钢量最敏感的结构,还有本人正好做过一个这样的软件,因此常常听到最多的是关于轻钢的用钢量问题。
所采用的软件都是当今行业中流行的,它们是:
3D3S,STS,PS2000还有Maggie_GJ。
一、项目简介
所选工程情况如下:
两跨27m,四坡,坡度1/20,檐口标高7.5m,柱距9m,材料Q235。
简图如下所示,图中标明了梁柱的截面规格(梁只标了左边跨,右边与之对称),圆圈内为构件编号,梁构件的分段尺寸也作了标注,
荷载:
屋面恒荷载:
0.2KN/m2
屋面活荷载:
0.3KN/m2
基本雪荷载:
0.45KN/m2
基本风压:
0.45KN/m2
不考虑地震。
二、分析结果
为了得到准确的结论,我们不采用让软件优化构件的功能,而只是对给定的构件截面进行验算,这里只给出各软件所计算的编号构件控制应力。
控制应力比较表 表中单位:
Mpa
构件编号
3D3S
STS
PS2000
Maggie_GJ
1
180.6(167.7)
189(176)
210.8
184.9(170.1)
2
189.2(167.7)
178(164)
191.9
163.6
3
165.5(150.5)
168(154)
167.9
153.6
4
139.8(139.8)
117(105)
167.9
153.6
5
124.7(111.8)
117(105)
139.6
118.4
6
193.5(178.45)
190(176)
191.9
176.2
7
189.2(167.7)
180(167)
212.9
181.0
8
135.45(90.3)
152(76)
129.5
144.3(85.9)
对边柱(1号构件),平面外的支撑长度考虑0.6的系数(隅撑的作用),控制应力为平面内的稳定应力,括号内为平面外的稳定应力值。
中柱(8号构件),控制应力为平面外稳定应力,对于本例而言,由于活荷载均匀分布,且结构对称,中柱主要为轴力,因此截面根据计算相对较小,但实际情况应适当考虑不均匀分布的荷载,这里的计算结果是没考虑的,括号内为平面内的稳定应力值。
对于斜梁(2-7号构件),《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:
2002)规定,在平面内按压弯构件计算其强度,在平面外才计算其稳定,但3D3S和STS均给出了平面内的稳定应力,而且还是控制应力。
以前的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:
98)中曾提到斜梁的平面内的计算长度取竖向支承点间距,这条在后来的规程中被去掉了。
如果当作压弯构件进行平面内的稳定计算,那么斜梁应该是一根弯折的构件,而轴向压力是否顺着杆件的轴线方向,或是作为水平方向来考虑呢?
还有根据这样的计算长度计算的稳定系数是否还有意义呢?
所以象柱那样当作压弯构件计算其平面内的稳定实在有点牵强。
而计算其平面外的稳定实际上是进行受弯构件的整体稳定计算,不过也兼顾到轴向力而已,但仍然是梁的特征。
所以Maggie没有计算所谓的平面内的稳定应力。
三、题外的话
从上面的控制应力表来看,基本上都很接近,只是PS2000稍微高点,这可能是我采用的版本早些。
因此,我们可以说,所谓的节省用钢量关键不是软件,而是使用软件的人,软件只不过是工具而已,就如同计算器一样。
那种指望对构件设计过程一点不了解的人也能轻松地完成结构设计的理想软件即使存在,那也是一种潜在的炸弹。
它生成的施工图,可以骗骗外行的业主,也会让专业知识贫乏的你陡生无限膨胀的自信心,从而觉得钢结构设计不过如此。
真正的结构工程师首先具备的是力学的功底,对于一个荷载作用下的结构体,在各种边界条件下的大致受力状态有一定的感觉,特别是平面结构体系,对于复杂的空间结构体系,需要借助结构分析软件的帮助来了解受力状况。
其次需要具备构件设计的理论基础,对钢结构而言,轴心受压构件,压弯构件等所需要考虑的问题应该清楚地知道。
还需要掌握常用节点的连接方式以及计算方法,这里涉及到一些经验问题。
另外还需要了解设计之外的但又相关的工艺制作和安装方面的知识,因为很多这类问题需要在设计阶段考虑。
当然,最为重要的还是作为结构工程师的责任心。
从温州科技馆看现代钢结构设计
Maggie
温州科技馆位于温州市城市中心区世纪广场南侧,占地26061平方米,是浙江省重点建设工程,现已竣工。
下面照片所示的是正在建设中的温州科技馆,钢结构部分主要由五个单体组成:
动感电影厅球形网壳,南展厅网架,北展厅管桁架,标志塔,中廊管桁架。
动感电影厅为直径35米的双层球形网壳,壳厚度为1.4米,螺栓球节点,与中廊通过玻璃采光连廊相连,连廊的主要承重构件为蜂窝梁。
南展厅为常规的平板网架,也是螺栓球节点,屋面多坡是通过调整网架上弦标高形成,最大跨度有45米,下面照片为从标志塔看过去的南展厅网架。
北展厅主结构为常用的倒三角形截面的空间管桁架,由于平面的不规则和立面的倾斜效果的要求,使得每榀管桁架都不相同,在尺寸定位上造成一定的难度。
下面照片为正在施工中的北展厅主桁架。
南北展厅四周是具有现代气息的柱廊,然而温州科技馆五个单体建筑中最能体现现代钢结构特色的应属标志塔和中廊管桁架。
标志塔穿过南展厅屋面,其底部标高与南展厅网架下弦标高一致。
塔高44.366米,投影平面为4x4米,如图所示,主要承重构件为4根711的圆管,中间为空间钢管桁架,711钢管在与桁架连接处加钢板箍,形成竹节装饰样式,其最具特色之处是节点的精致,如中间管桁架交叉腹杆连接节点是由锥头过渡汇交于钢球,中间管桁架与711圆管连接通过一个个小肩梁,肩梁的截面为哑铃形,而装饰竹节正好位于哑铃截面的细腰部,非常完美,如图所示。
其结构分析采用SAP2000软件,构件的设计用自己编制的程序完成。
中廊管桁架是五个单体中最为突出的建筑,其顶部、侧面及悬挑底面维护均采用点式夹胶玻璃,整个结构由21榀两两相对的斜放平面桁架通过纵向两榀空间桁架连成整体,然后每两榀桁架分别通过四根斜杆汇交于两个钢筋混凝土柱头,主桁架立面如图所示,计算模型取结构整体来进行分析,内力分析软件为SAP2000,杆件设计利用自编程序完成,计算模型如图所示。
四周悬挑,而单榀主桁架的端部上下弦杆也"违背"了桁架结构组成原则――稳定的三角形和二力杆单元原则,建筑师需要它们悬挑,这也就意味着这些杆件应作为梁单元考虑。
支座节点开始设计为两种方案,一种为四斜杆通过锥头汇交于半球,此节点类型已在国内一些候机厅等大跨结构中采用。
另一种方案为四斜杆通过锥头汇交于直立的圆管上。
最后采纳的后一种方案。
照片如图。
从温州科技馆的钢结构工程可以看出一个现象,那就是钢结构工程已从传统的以结构为中心的理念向结构实现建筑造型理念转变,特别在大型的公共设施中尤为明显。
与传统钢结构相比,现代钢结构主要有以下特点:
一、 基本构件类型适应美观的要求
传统钢结构在中大跨度中,一般用热轧型钢,如角钢、槽钢、工字钢以及最近常用的H型钢,在一般工业建筑中,这些结构构件常暴露在人们视野中,因此,对工业建筑物的设计,建筑师的目标中,美观成了次要的追求。
而这些结构构件在公共建筑中应用时,也往往要采用吊顶等措施将它们隐藏在人们的视线背后。
近来,越来越多的结构构件出现在人们的视野中,而这些建筑师所青睐的结构类型主要是管结构,构件主要是圆钢管和方钢管。
网架网壳结构的构件主要是圆管。
但由于杆件较多,加上过渡节点,视觉感受显得很零乱,因此,有着相贯节点的管桁架结构越来越多的被建筑师采用,科技馆工程中的标志塔、北展厅和中廊都是这种结构,我们知道,桁架结构体系中,杆件主要受拉压,因此圆管截面是常用的形式,但有时为适应建筑师的需要,结构上必须作一些调整。
在中廊管桁架中,从结构角度考虑,荷载必须作用在节点上,不能有悬臂构件,但建筑造型要求主桁架的端部必须悬挑,不允许有腹杆,否则会破坏整体效果,因此,我们与建筑师协商,最后采用如图所示的1截面,考虑刚度等问题,将此截面形式延伸了一个节间,并对节点进行了加强。
对于圆管主结构,作为檩条与其连接,在网架结构体系中是在节点位置加支托,檩条搁置于支托上,对于象中廊这样结构暴露的通透式建筑而言,这种连接形式势必影响视觉效果,为了让连接更加流畅,我们采用了如图所示2截面形式的檩条,其圆管部分与主结构的钢管相贯焊接,上部T形板在节点处贯通。
随着结构形式的不断变化,将会有越来越多的截面形式出现,作为结构工程师,不应该墨守陈规,只将自己的视线放在已熟知的截面形式上,而应利用建筑师所提出的要求来激发自己的灵感,在结构上予以实现。
二、 现代钢结构的节点
温州科技馆工程所涉及的节点类型很多,网架网壳螺栓球节点、标志塔柱脚连接等属于传统节点,不常用的节点如:
南北展厅外围柱廊的斜杆与悬挑屋架的插销连接方式;柱廊支座节点以及中廊管桁架支座节点采用的是上面提到的树状节点;中廊管桁架悬挑的哑铃形截面杆与其它钢管的连接节点等等在此不一一列举。
对钢结构而言,从某种意义上说,节点的设计比构件显得更为重要。
传统的节点,考虑安装的方便,螺栓连接比焊接的比重大,但在流畅的管桁架结构中,一般会采用不显眼的焊接,因此,现场的焊接质量控制尤为重要。
另外,对节点的设计也提出了新的要求,对于典型的管桁架结构的节点,规范给出了设计公式,但实际工程中所遇到的节点样式往往无章可循,有时只能依赖试验手段,建议有关机构拓展节点研究领域,给节点设计提出指导性建议。
综上所述,现代钢结构由于造型的要求,将会给结构专业提出越来越多的新的课题,我们拭目以待。
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- 软件 同一 轻型 刚架 结构 分析 比较