鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繪圖軟件STAAD／CHINA知識(shí)選講（二）-

1、pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 維普資訊 專 業(yè) 軟 件 講 座 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繪 圖軟件 知識(shí)選講 （ ） 二 應(yīng)用 建立模型的一些方法 李曉峰 （ 阿依艾工程軟件 （ 大連 ）有限公司 大連 ） 如何對(duì) 實(shí)際結(jié)構(gòu)模 型化是結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)的一個(gè)要 點(diǎn)。 為設(shè)計(jì)而進(jìn)行的建模活動(dòng)需要設(shè)計(jì)者處處考慮成本和效 成的模 型。一個(gè)典型 的例子是使用桿元和 的主 從節(jié)點(diǎn)構(gòu)造 出任意 的格構(gòu)式組 合斷面 。根據(jù)經(jīng)典的彈 性理論 ，桿件彎 曲時(shí)其橫截面 上各點(diǎn)的變形滿足 平截 面假 定 ；另一 方面 ， 當(dāng)桿件 繞桿 軸扭 轉(zhuǎn) 時(shí) ，橫 截 面 上各點(diǎn)滿足剛周邊

2、假定 ，即雖然橫截 面上各點(diǎn)有翹 曲 變形，但其水平投影形狀仍然保持不變 。使用 主從節(jié) 點(diǎn)的 從屬關(guān)系可 同時(shí)表達(dá)這兩種情況 ， 強(qiáng)制組合 截面的 柱肢和綴條 的變形滿足 這 兩個(gè) 條件 ， 率。在方便和精度上取得一個(gè)折中。下面討論如何使用 建模。 用于靜力分析的模型 在滿足精度的條件下 ，能用平面模型的就不要建 空 間模 型 忽視特定的條件和 目的，不加分析地將所有結(jié)構(gòu) 都建成空 間模型 ，并且認(rèn)為只有這樣才能體現(xiàn)空間作 用 ，這是很多設(shè)計(jì)者的通常選擇。實(shí)際上很多時(shí)候空間 模型不見得一定比平面模型先進(jìn)。空間作用與模型荷載 的加載方式有關(guān)，形式上是空間結(jié)構(gòu)的模型不一定能體 現(xiàn)空間作用。以最常

3、見的、形式 比較規(guī)則的廠房結(jié)構(gòu)為 例 ，當(dāng)僅少數(shù)榀框架承受荷載 （ 如吊車荷載 ）時(shí)才考慮 使其像一根桿件那樣共 同工作 。使用 這種方法的好 處 有 ： 可 根 據(jù) 需要 靈 活 地 定義 出任 意 的組 合 斷面 ： ） ） 桿元的模 型相對(duì)板殼單元 的大為簡(jiǎn)化 ； 桿系模型可 ） 直接使用相關(guān)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算 ，現(xiàn)行 要求 按綴條的實(shí)際內(nèi)力對(duì) 其進(jìn)行驗(yàn)算 ； 設(shè)計(jì)者面對(duì)的是 ） 自己熟 悉 的拉 、 壓 、彎 、剪 、 扭 等 桿件 內(nèi) 力 ， 比 板殼單元 的應(yīng)力直觀得多 ，更容 易做 出工程 判斷。圖 是一個(gè)用組合柱的例子 。 不同的設(shè)計(jì)階段，針對(duì)特定考察 目標(biāo)，建立合理深 度 的模

4、型 空間作用，而對(duì)風(fēng)荷載、恒載或溫度作用等作用于所有 框架上 的 荷載，一般均不考慮空間作用，即使做成了空 間模型，與平面模型計(jì)算出來的力和變形也不會(huì)有太大 差別 （ 。這也是多數(shù)手算能采用平面模型 的原因。 圖 ） 桿單元有時(shí)候 比板殼單元更有用 教授 曾經(jīng)說過：“ 多結(jié)構(gòu)工程師認(rèn)為在 很 有限元分析中，二維或三維的單元 比一維的框架單元更 加精確。但我認(rèn)為，在三維空間中使用變截面框架單元 比其他類型的單元都更為有用。 ” 般來說 ，建模耗費(fèi)的精力和成本同模型規(guī)模的平 方成正 比。幾乎沒有設(shè)計(jì)者試圖在廠房框架模型中添加 檁條、墻梁、隅撐等，因?yàn)檫@些不在同一功能層次上的 一 構(gòu)件除了會(huì)造成模型

5、邏輯上的混亂外，還會(huì)造成計(jì)算量 的猛增 。從這一角度出發(fā)，在通常的框架模型中，兩端 鉸接 的次梁如果只傳遞 豎向荷 載的話 ，將其和主框架 在用 建模時(shí)可以吸取上述思想，用桿元做 出些非常規(guī) 的、似 乎只能用板 殼或 實(shí)體單元才 能完 建在同一模型中是很不 明智的 。 圖 最 常見的、形式 比較規(guī)則 的廠房結(jié)構(gòu) 圖 綴條組合柱 第一作者簡(jiǎn)介：李曉峰 ， 年生。 年畢業(yè)于廣西桂林工學(xué)院士木工程 系工 民建專業(yè) ， 已在阿依 艾工 程軟件 （ 大連 ）有限公司從事多年工程師工作 ?，F(xiàn)在上海辦事處工作 ，聯(lián)系電話： 。 維普資訊 從整體到局部來把握模型 林 同炎教授在 結(jié)構(gòu)概念和體系 中說 ：“ 構(gòu)

6、件 是最基本的，但整體空間形式和分體系相互關(guān)系的綜合 概念化，才能決定怎樣設(shè)計(jì)和什么時(shí)候去處理構(gòu)件設(shè)計(jì) 問題。 ”從整體出發(fā)考慮問題的思路能權(quán)衡利弊 ，發(fā)現(xiàn) 架 、塔 架 、 網(wǎng)架 這類 體 系 ，桿件 的剛 接與 否對(duì) 結(jié)構(gòu) 的內(nèi)力 和變形影響很小 ，很 多時(shí)候 大可不必 去定 義約 束釋放 或者指定桁架構(gòu)件 。如果需 要定義 時(shí)，應(yīng) 注意 桿端的約束釋放與桁架構(gòu)件的指定不能使結(jié)構(gòu)變成可變 體系 。 些隱蔽 的矛盾 。在建模時(shí) “ 只見樹木，不見森林”往 往會(huì)帶來深層次的問題 。例如圖 所示的桁架天橋模型， 一 異型構(gòu)件 建模 的特殊方式 對(duì)于工業(yè)廠房中常用的特殊實(shí)腹式焊接柱以及鍋爐 行業(yè)

7、中常用 的特殊組合箱形截面，可使用用戶 自定義截 面來模擬。例如可 以用 來模擬雙槽鋼或 從整體上考慮它 是一個(gè)箱型斷面的簡(jiǎn)支梁，設(shè)計(jì)者通常 將兩側(cè)腹桿與弦桿的連接定義為鉸接 ，但這樣帶來的一 個(gè) 問題是在側(cè)向荷載作用下結(jié)構(gòu)接近于一個(gè)機(jī)構(gòu) ，變形 很大。如果設(shè)計(jì)者能從整體 出發(fā) ，就能敏感地意識(shí)到箱 型斷面需靠桿件 的剛接來防止截面畸變 ，就能在建模時(shí) 將該處的構(gòu)造作為一個(gè)重點(diǎn)考慮 。另一方面 ，為了能正 確地考 慮 下弦所 在平 面 的剛 度 ，通 常 的做 法是 用 雙工字鋼等類 斷面，用 來模擬雙槽鋼或雙工字 鋼組合而成的類箱型斷面。如果需要設(shè)計(jì)箱型柱，可按 截面尺寸輸入箱型斷面的高與寬

8、，但是把 ， ， ， 改成實(shí)際箱型斷面 的數(shù)據(jù)，如 圖 所示。用戶可 將常用 組合截面做成外部庫 ，在需要時(shí)隨時(shí)引用 。 單元模擬現(xiàn)澆混凝土板，但這會(huì)使得在豎向荷載作用下 本應(yīng)由下弦承擔(dān)的軸力相 當(dāng)部分轉(zhuǎn)移到板，因?yàn)閺椥?板具有相 當(dāng)?shù)拿?內(nèi)剛度 ，造成下弦桿 計(jì)算軸力偏 小很 多。但是如果不把混凝土板模擬出來 的話，側(cè) 向剛度似 乎又不對(duì)，陷入矛盾中。有經(jīng)驗(yàn)的工程師常使用的一種 方法是使用交叉受拉桿來模擬板的面 內(nèi)剛度，板的荷載 直接導(dǎo)入梁上，這樣就 能兼顧這兩種情況 。 圖 手動(dòng)更 改箱型截面數(shù)據(jù) 用于動(dòng)力分析 的模型 為 了考察地震時(shí)結(jié)構(gòu)的受力情況 ，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化 圖 桁架天橋模型 桿件

9、連接與邊界條件的選取應(yīng)合乎實(shí)際 一 使用桿狀結(jié)構(gòu)上 附加質(zhì) 點(diǎn)的模 型。此時(shí)，實(shí)際結(jié)構(gòu) 與 模 型之 間存在 的對(duì) 應(yīng) 關(guān)系有 ：質(zhì)量 、周 期 、阻尼及 承載力 。模型 并非僅 以簡(jiǎn)化 為 目的，而應(yīng)具有 可根據(jù) 模型來 推測(cè)實(shí) 際結(jié)構(gòu) 的明確 目標(biāo) 并且容易進(jìn)行 分析 。 質(zhì)量的模擬是關(guān)鍵 在軟件 中結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 主要 以節(jié)點(diǎn) 荷載或構(gòu)件荷載 的形式來表達(dá) ，當(dāng)前的版本也可將樓 般來說，設(shè)計(jì)者都知道應(yīng)按實(shí)際條件來簡(jiǎn)化結(jié) 構(gòu)的約束條件，但一碰到具體的問題就往往重視不夠。 例如一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的隱蔽錯(cuò)誤是簡(jiǎn)支桁架的一端沒有定 義滑動(dòng)支座，導(dǎo)致下弦桿 內(nèi)力變號(hào)。如圖 所示的兩個(gè) 桁架模型，在不同的支座

10、條件下 （ 一個(gè)兩端都鉸支，一 個(gè)一端為滑動(dòng)支座 ）的內(nèi)力的差異非常大。另外，對(duì)桁 面荷載 自動(dòng)轉(zhuǎn)化 為質(zhì)量 。 （ ） 多高層建筑中，直接使用板殼單元來模擬樓 在 面會(huì)造成模型過于龐大，應(yīng)盡量避免采用 ?？墒褂弥鲝?節(jié)點(diǎn)的 從屬來模擬平面 內(nèi)無限 剛的樓面，此時(shí)樓面 質(zhì) 量集 中在主節(jié)點(diǎn)上 ，可定義樓 面平動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 。使用這種方法后可有效地減少質(zhì)量 自由度 ，模型規(guī) 模大為減小。 （） 對(duì)于一些承載大型設(shè)備的工業(yè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)備的 端鉸 支 ，一端 為滑 動(dòng) 支座 質(zhì)量與剛度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)本身時(shí)，如石油化工行業(yè)中的大 型設(shè)備或鍋爐行業(yè) 中的懸 吊式鍋爐等，合理地模擬出設(shè) 兩端都鉸支 圖 不

11、 同的支座條件下桁架模型的內(nèi)力對(duì) 比 備的力學(xué)行為對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果有決定性的影 響。一個(gè) 思路是使用主從節(jié)點(diǎn)的 從屬關(guān)系模擬剛體設(shè)備， 剛體的平動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可定義到主節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn) 維普資訊 類 問題 。 （ ） 使用測(cè)試荷載工況 。著手個(gè)非常復(fù)雜的模 型時(shí) ，可在建模 中分階段建 立一些 簡(jiǎn)單的荷載 工況 ， 通過運(yùn)行 一次分析 來測(cè)試結(jié) 構(gòu)性能 ，例如是 否穩(wěn)定 ， 是否漏定義某些關(guān)鍵量等 。一般來說 ，問題越 早發(fā)現(xiàn) 越容易修改 。如果一個(gè)設(shè)計(jì)者花 了一個(gè)星期 的時(shí)間構(gòu) 造了一個(gè)構(gòu)件 上千、工況上百的模型 ，但最后 發(fā)現(xiàn)分 析不能成 功進(jìn)行，接下來的找錯(cuò)過程對(duì) 于許多初級(jí)用 圖 剛體

12、設(shè)各的模擬 戶來說會(huì) 是個(gè) 夢(mèng)魘 。 （） 模型最小化查錯(cuò)方法。檢查 電腦硬件故障的一 個(gè)實(shí)用方法叫做最小系統(tǒng)法，即用最基本的設(shè)備啟動(dòng)系 統(tǒng)然后判斷外設(shè)是否有故障。檢查 模型的錯(cuò)誤也 可以借用該思路。 有一個(gè)完全定義模型的純文本 的位 置 即 為 剛 體 的 質(zhì) 心 ， 例 如 圖 。 建立結(jié)構(gòu)幾何模型的一些基本操作途徑 （） 利用軟件的柵格系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性盡量使用 復(fù)制、陣列、鏡像等編輯命令來建模。模型是被編輯出 來的，而不是被一筆一筆硬畫出來的。這種簡(jiǎn)單又實(shí)用 的方法能最大限度地避免幾何建模錯(cuò)誤，適合絕大多數(shù) 的模型 。 （） 直接 導(dǎo) 入 由其 它程 序 生成 的 文 件 。 文件 （

13、 ） 木 ，可將該文件中所有 “ 多余”的命令都改 成注釋 ，只保留晟基本的例如截面、支座、荷載等命令 進(jìn)行分析。如果分析能夠進(jìn)行，說明錯(cuò)誤出在被注釋的 命令中。這時(shí)可以一部分一部分地加上相應(yīng)的命令語句 并執(zhí)行分 析來測(cè) 試 問題的所在 。 （） 使用結(jié)構(gòu)向?qū)Ю媚０逯苯由赡Ｐ?。用戶?在某種程度上將 自己常用的模型定義為模板，進(jìn)行參數(shù) 化建模 。 （） 總是利用力學(xué)概念與常識(shí)來進(jìn) 行校 核。在實(shí) 際的設(shè)計(jì)過程 中，設(shè)計(jì)者需要隨時(shí)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。在 計(jì)算軟件幾乎包辦一切的令天，設(shè)計(jì)者最重要的任務(wù)就 是對(duì)結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立校核。 教授的觀點(diǎn)對(duì)所有沉醉 于計(jì)算軟件無所不能的工程師是一味 良藥 ：“ 專

14、業(yè)的結(jié) 構(gòu)工程師必須重視手算的原理和建模技巧，強(qiáng)調(diào)怎樣找 出計(jì)算 中的錯(cuò)誤 ，重視解決結(jié)構(gòu) 工程 問題 時(shí)選擇 的方 法，強(qiáng)調(diào)計(jì)算結(jié)果的有效性，強(qiáng)調(diào)對(duì)計(jì)算結(jié)果持有懷疑， （） 利用其它程序如 生成節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件關(guān)聯(lián)數(shù) 據(jù)，然后直接讀入該數(shù)據(jù)生成模型。該方法特別適合建 立復(fù)雜的曲線型模型。 （） 只要能生成符合軟件輸入格式要求的文本文件 ， 可利用柱面坐標(biāo)系統(tǒng)或逆柱面坐標(biāo)系統(tǒng)直接編輯輸入文 件 生成模型 。如圖 所示 的旋轉(zhuǎn)樓梯 。 囂 土 幸 孵革腳 ， 也 怫 ¨ 廣 硝 噸瞎 ， 糖 強(qiáng)調(diào)重視 工程實(shí) 踐中的經(jīng) 驗(yàn)。 很 多時(shí)候僅僅通 過 ” 在 環(huán)境中對(duì) 內(nèi)力形態(tài)、變形方 向、振動(dòng)模態(tài)等進(jìn)行 簡(jiǎn)單 的查看 ，就能對(duì)結(jié)果的合理性做 出合乎邏輯 的判 司 斷。 使用軟件包括 建模解決工程 問題 的重點(diǎn)應(yīng) 一 該是考慮問題的思路和方法，而不是命令和菜單操作的 細(xì)節(jié)。命令一直在變 ，不變的是方法。 （ 軟件試用版可在 。 下 載 ） 一 一 “ ” 圖 編輯輸入文件生成旋轉(zhuǎn)樓梯模型 參考文獻(xiàn) 檢查模型錯(cuò)誤的基本思路 任何一個(gè) 軟件的熟練使用者都不能保證在 使用軟件 的過程 中不犯任何錯(cuò)誤 。只有當(dāng)用 戶能夠迅 同炎 林 結(jié)構(gòu)概念和體系 速地檢查出各種模