馮哲鳴

1.概述

1.1 網(wǎng)架計(jì)算軟件介紹

空間結(jié)構(gòu)在外形上屬于三維空間形體，在受力形式上需三向共同承擔(dān)荷載作用[1]。目前，國內(nèi)諸多高校和科研設(shè)計(jì)院也研制了有各自特色的網(wǎng)架計(jì)算軟件，其中3D3S 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是同濟(jì)大學(xué)獨(dú)立開發(fā)的CAD 軟件系列；MSTCAD 為浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心研究開發(fā)，并經(jīng)過多項(xiàng)工程實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件；MIDAS 是一種有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析軟件。本文通過對這三個(gè)不同軟件的建模數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并分析對比不同軟件的計(jì)算結(jié)果。

1.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式

網(wǎng)架有許多種形式，較為常用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式可分為四種。

（1）由平面桁架系組成的兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、單向折現(xiàn)型網(wǎng)架。

（2）由四角錐體組成的正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架等。

（3）由三角錐體組成的三角錐網(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架、蜂窩型三角錐網(wǎng)架。

（4）由六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[2]。

本文以跨度45m 的正交正放四角錐網(wǎng)架為例，通過3D3S 建模，分別導(dǎo)入MSTCAD 和MIDAS 并調(diào)整模型與3D3S 一致，在3D3S、MSTCAD、MIDAS 中進(jìn)行分析得到計(jì)算結(jié)果，然后分別對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的軸力、位移，地震周期和振型，支座反力等計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

2.計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為兩向正交網(wǎng)架，計(jì)算跨度均為45m，上下弦桿長均為3m，采用上弦支撐，鋼材為Q235B，彈性模量為2.06×105N/mm2，容重為7.697×105N/mm2,泊松比為0.3，截面為空心圓管，網(wǎng)架的支撐條件為固定鉸接，即Dx，y，z=1，Rx，y，z=0，網(wǎng)架面荷載為0.5KN/mm2恒荷載，0.5KN/mm2活荷載。

計(jì)算模型中考慮的工況為恒、活荷載以及地震作用，由于雪荷載相對活荷載較小，本課題不考慮雪荷載，僅考慮風(fēng)荷載，同時(shí)也不考慮由溫度工況引起的變化，網(wǎng)架模型下圖1。

圖1 網(wǎng)架計(jì)算模型

3.計(jì)算結(jié)果對比

通過MIDAS、MSTCAD、3D3S 計(jì)算模型，可以得到網(wǎng)架的計(jì)算結(jié)果，下面就對桿件內(nèi)力、桿件位移、周期振型在這三個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中的結(jié)果進(jìn)行對比。

3.1 桿件內(nèi)力

為了對比分析內(nèi)力，選取恒+活的荷載組合。在MIDAS 中，首先分析梁單元的內(nèi)力。為了方便數(shù)據(jù)對比，選取網(wǎng)架中內(nèi)力最大的單元，首先分析Fx，可以看到，內(nèi)力最大的梁單元在跨中附近，MIDAS 中Fx 最大的梁單元為編號781～782。選取781～782 段梁單元數(shù)據(jù)建立以下表1、表2、表3。對于Fy 和Fz，由于是網(wǎng)架，假設(shè)梁單元只承受軸向內(nèi)力，而在模型中也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，故不對Fy 和Fz 進(jìn)行分析。

表1 MIDAS 中軸向Fx 內(nèi)力

表2 3D3S 中軸向Fx 內(nèi)力

表3 MST 中軸向Fx 內(nèi)力

從上述3 個(gè)表中，可以看到3D3S 的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)最大，MST 的計(jì)算結(jié)果和3D3S幾乎一致，MIDAS的計(jì)算結(jié)果最小。對比可以得到，在計(jì)算桿件內(nèi)力的時(shí)候，MIDAS 與3D3S 計(jì)算結(jié)果相差在4%左右，3D3S 與MST 計(jì)算結(jié)果相差在0.1%左右，MIDAS 與MST 計(jì)算結(jié)果相差在4%左右。

3.2 桿件位移

把位移分為三個(gè)基本矢量方向，即Dx、Dy、Dz 三個(gè)方向，MIDAS 中可以把這三個(gè)基本方向進(jìn)行組合，分別為Dxy、Dxz、Dyz、Dxyz。經(jīng)過計(jì)算，可以得到網(wǎng)架在X 和Y 方向上的位移較小，網(wǎng)架的豎向位移較大，故重點(diǎn)分析位移Dz。在MIDAS 中，節(jié)點(diǎn)為369 的豎向位移Dz為-76.057585，3D3S 中節(jié)點(diǎn)369 的豎向位移Dz 為-66.296，而在MST 中節(jié)點(diǎn)369的豎向位移Dz 為-71.969。得到了3 個(gè)計(jì)算軟件的豎向位移的數(shù)據(jù)，其中MIDAS的豎向位移計(jì)算結(jié)果最大，3D3S 與MST幾乎一致，MIDAS 的計(jì)算結(jié)果相較于3D3S 大了14.7%。

3.3 周期與振型

眾所周知，在水平地震作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響較小，所以目前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多針對豎向地震，豎向地震作用對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)影響較大。計(jì)算模型中6 度和7 度烈度下不考慮豎向地震作用，僅考慮水平地震作用，而8 度需要考慮豎向和水平地震作用。在三個(gè)計(jì)算軟件中采用反應(yīng)譜法，得到自振周期等數(shù)據(jù)，可以看到不同烈度下的數(shù)據(jù)，在3D3S中，8度烈度工況下，選取3個(gè)模態(tài)，周期分別為0.35614、0.18064和0.16640。在MST 中，周期分別為0.348、0.177 和0.163。從上述數(shù)據(jù)中，可以看到3D3S 與MST 的周期計(jì)算結(jié)果相差有限，約為2.35%左右。

4.結(jié)語

從本文的分析中，可以看到由于三個(gè)軟件計(jì)算的差異，導(dǎo)致3D3S、MST 和MIDAS 的計(jì)算結(jié)果均有不同的差距，但差距在相對微小的范圍內(nèi)，屬于可控的誤差。整體來看MIDAS 相較于3D3S 與MST，計(jì)算偏差在4%左右，而3D3S 與MST 計(jì)算結(jié)果較為接近，數(shù)據(jù)相差非常小。