網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計軟件對比分析

郭振勇，劉開康，張哲，豐茂東

（1.中國中元國際工程有限公司，北京100089;2.大連都市發(fā)展設計有限公司，遼寧 大連116012）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計軟件對比分析

郭振勇1，劉開康1，張哲1，豐茂東2

（1.中國中元國際工程有限公司，北京100089;2.大連都市發(fā)展設計有限公司，遼寧 大連116012）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有自重輕，剛度大，整體性好，適應性強等特點，廣泛應用于大、中、小跨度屋蓋設計。論文基于某援外項目分析了SSCAD和MSTCAD兩種網(wǎng)架設計軟件的異同，以供同類項目參考。

網(wǎng)架；MSTCAD；SSCAD

1 項目概況

某援外機場貨運站項目，因某種原因，該項目重新復核出圖，結(jié)果與原出圖差異較大，本文基于此項目對SSCAD和MSTCAD兩種網(wǎng)架設計軟件進行了對比。

SSCAD是由上海交通大學龔景海博士研制開發(fā)，包括建模系統(tǒng)（建立空間結(jié)構(gòu)模型）、優(yōu)化設計系統(tǒng)（桿件線性優(yōu)化設計和節(jié)點設計）、施工圖設計系統(tǒng)（施工圖、加工圖設計）、模態(tài)分析系統(tǒng)（求解空間結(jié)構(gòu)振型及周期）、地震反應分析系統(tǒng)（采用振型分解反應譜法進行抗震驗算）、動力分析系統(tǒng)（采用時程分析法進行空間結(jié)構(gòu)在動力荷載及地震作用下的反應分析）、幾何非線性穩(wěn)定分析（采用弧長法求單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的臨界荷載及對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行全過程屈曲分析）七大部分。MSTCAD是由浙江大學空間結(jié)構(gòu)研究中心羅堯治教授開發(fā)，具有獨立的圖形界面，建模、圖形編輯、結(jié)構(gòu)分析、節(jié)點設計、實體效果、圖紙生成等都在同一界面完成，可以完成優(yōu)化設計、模態(tài)分析、地震反應分析及溫度荷載施加等功能。

2 網(wǎng)架工程簡介

本文對比的網(wǎng)架用于貨運站屋蓋，為正放四角錐網(wǎng)架，螺栓球節(jié)點，平面尺寸為72m×60m，72m×45m，72m×60m三塊，主要網(wǎng)格為3.75m×3.4m，柱距7.5m，跨度為48m+24m，檐口網(wǎng)架高度1.7m，5%雙坡屋面。采用周邊下弦支承，按照10.8m高600mm×900mm框架柱截面計算彈性支座。上弦恒載為0.5kN/m2，下弦恒載為0.4kN/m2，上弦活載為0.5kN/m2，基本風壓為0.85kN/m2，A類，無雪壓。為便于對比分析，網(wǎng)架自重按照桿件自重的1.2倍考慮。為了方便比較和分析，不考慮地震荷載作用，考慮±25℃溫差。網(wǎng)架桿件均采用Q235B焊接鋼管。

3 網(wǎng)架對比分析的基本思路

原設計采用的是 SSCAD軟，目前采用的是MSTCAD2014軟件，在原施工圖基礎重新建模計算，雙方屬于背靠背設計。以下從2個軟件模型的規(guī)范選取、支座約束、荷載組合、強度控制、桿件截面分類等各個方面進行對比，以找到2種模型結(jié)果差異。

4 網(wǎng)架對比分析

4.1 支座約束

查詢SSCAD軟件中支座約束情況，發(fā)現(xiàn)其在所有支座的X向剛度和Y向剛度均采用800kN/m，而MSTCAD2014模型按照式（1）計算X向和Y向側(cè)向剛度系數(shù)為2604kN/m和1157kN/m。

式中，E為彈性模量；I為慣性矩；l為柱高度。

現(xiàn)已施工的混凝土框架柱截面主要采用600mm× 900mm截面，X向和Y向剛度必然不同，故SSCAD模型中支座設置有誤，并和實際情況最大相差2604/800=3.3倍。

4.2 規(guī)范選取及控制參數(shù)

SSCAD模型采用的的是《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》（JGJ 7—91），MTS2014模型采用的是《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010），JGJ7—2010是JGJ 7—1991的替換版本，自2011年3月1日已開始實施。

《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010）相對《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》（JGJ 7—1991）增加了許多限制內(nèi)容和對部分參數(shù)趨于嚴格，對于該貨運站項目影響最大的是《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010）第5.1.5條規(guī)定[1]：“空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件分布應保證剛度的連續(xù)性，受力方向相鄰的弦桿其桿件截面面積之比不宜超過1.8倍，多點支承的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)其反彎點處的上下弦桿宜按構(gòu)造要求加大截面”。MSTCAD2014可通過“同一方向的弦桿截面面積之比不大于1.8”“同一方向的弦桿截面級差”“同一方向的腹桿截面級差”“同一節(jié)點的弦桿截面級差”“同一節(jié)點的腹桿截面級差”“同一節(jié)點上桿件截面級差”“同方向弦桿，當同時小于相鄰桿件截面時作自動調(diào)整”這些選項自主選擇是否控制。而SSCAD模型一直未按照JGJ 7—2010更新設置，無法按照規(guī)范進行調(diào)整。

2個軟件均采用的是滿應力的計算方法，因此桿件規(guī)格的選取也至關重要，在 2個軟件模型中，桿件均選用φ60mm×3.5mm，φ75.5mm×3.5mm，φ88.5mm×3.75mm， φ114mm×3.75 mm，φ140mm×4.5mm，φ159mm×6 mm，φ180mm×6mm，φ159mm×8mm，φ219mm×8mm九種規(guī)格，密度在SSCAD默認中采用的是7850kg/m3，MSTCAD2014默認采用的是7 900 kg/m3，材料彈性模量均采用的是2.06× 105N/mm2，溫度線膨脹系數(shù)均采用12×10-6。

壓桿長細比控制均按照規(guī)范采用的是180，拉桿長細比在SSCAD模型中采用的是250，MSTCAD2014模型中采用的是200，此處也是控制比原設計控制嚴格之處。

4.3 荷載參數(shù)和荷載組合方面

在SSCAD和MSTCAD2014兩個模型中，上弦恒載均采用0.5kN/m2，上弦活載均采用0.5kN/m2，下弦恒載均采用0.4kN/m2，而對于風荷載則相差較大，經(jīng)過認真比對，發(fā)現(xiàn)以下2個問題：

1）在SSCAD模型中風荷載未根據(jù)網(wǎng)架實際所處高度考慮風壓高度變化系數(shù)；

2）按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）表8.3.1中要求，當風從屋面一側(cè)吹來時，屋面另外一側(cè)有-0.5的體型系數(shù)，而SSCAD模型則未考慮來風方向另一側(cè)的風壓。

在SSCAD模型中荷載組合如下：

（1）1.2恒載

（2）1.2恒載+1.4活載

（3）1.2恒載+1.4風載

（4）1.2恒載+1.4溫度

（5）1.2恒載+1.4活載+1.4風載

（6）1.2恒載+1.4活載+1.0溫度

（7）1.2恒載+1.4活載+1.4風載+1.0溫度作用

在MSTCAD2014模型中荷載組合如下：

（1）1.20靜

(2)1.35靜+0.98活

(3)1.20靜+1.40活

(4)1.00靜+1.40活

(5)1.35靜+0.98風

(6)1.20靜+1.40風

(7)1.00靜+1.40風

(8)1.20靜+1.40活+0.84風

(9)1.00靜+1.40活+0.84風

(10)1.20靜+0.98活+1.40風

(11)1.00靜+0.98活+1.40風

(12)1.20靜+1.40溫

(13)1.20靜+1.40活+0.84溫

(14)1.00靜+1.40活+0.84溫

(15)1.20靜+1.40風+0.84溫

(16)1.00靜+1.40活+0.84溫

(17)1.20靜+1.40活+0.84風+0.84溫

從以上對比來看，SSCAD模型中組合數(shù)較少，并且未考慮組合值系數(shù)、永久荷載控制組合以及永久荷載對結(jié)構(gòu)有利時組合3種情況，通過對比桿件應力控制和支座反力情況，發(fā)現(xiàn)該項目中部分桿件受工況“1.35恒載+0.98活載”控制，且《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第3.2.3.2條關于永久荷載控制作用組合的規(guī)定屬于強條。

4.4 桿件穩(wěn)定強度設計

對于Q235B電焊鋼管，《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017—2003）抗拉壓強度設計值為215kN/mm2。SSCAD模型，控制應力 為 210kN/mm2， 控 制 應 力 比 為 210/215=0.977，而MSTCAD2014模型，對于電焊鋼管，控制應力為193.5kN/mm2，控制應力比為193.5/215=0.9。

國內(nèi)各設計院在進行桿件截面設計時，綜合考慮原材料、施工技術(shù)條件（安裝誤差應力）、工程使用環(huán)境、實際受荷狀況（局部荷載）、網(wǎng)架設計和下部結(jié)構(gòu)分別設計等因素，通常桿件容許應力控制值為桿件強度設計值的0.85～0.90[2]。

《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7—2010）表5.1.2中規(guī)定，螺栓球網(wǎng)架桿件計算長度系數(shù)為1.0，2個軟件均可以自定義平面內(nèi)、平面外計算長度系數(shù)，該項目網(wǎng)架桿件的計算長度系數(shù)均取1.0。

鋼管分為焊接的高頻焊管和軋制的無縫鋼管，高頻焊管截面分類為b類，無縫鋼管截面分類為a類[3]。SSCAD中均默認截面分類統(tǒng)一采用b類，MSTCAD2014軟件中在定義桿件時可以指定是a類還是b類。不同的截面類別，軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)不一樣。本項目網(wǎng)架2個模型中桿件均采用b類。

5 結(jié)語

本文基于實際項目對SSCAD和MSTCAD2014兩個網(wǎng)架設計軟件進行設計對比和校核，可發(fā)現(xiàn)2個軟件均能很好地實現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計，不同設計師選擇參數(shù)的差異和規(guī)范的理解程度造成了同一工程有較大的不同。設計師在網(wǎng)架設計過程中應概念清楚，理解規(guī)范，并需要考慮施工水平、加工工藝等綜合因素做好設計工作。本文的對比分析思路也可以為其他不同種類軟件的對比提供參考，同時也提醒設計人員可以采用不同的設計軟件對同一工程進行對比分析，從而發(fā)現(xiàn)設計過程中存在的瑕疵和紕漏。

【1】JGJ7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【2】羅堯治.大跨度儲煤結(jié)構(gòu)——設計與施工[M].北京：中國電力出版社,2007.

【3】GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

Comparative Analysis of TrussStructureDesignSoftware

GUOZhen-yong1,LIUKai-kang1,ZHANG Zhe1,FENG Mao-dong2
(1.China IPPRInternationalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100089，China; 2.DalianUrban DevelopmentDesignCo.Ltd.,Dalian116012，China)

Trusss tructure with has the advantages of lightweight,highrigidity,good integrity, strongadaptabilityand other characteristics, arewidely used inmedium and small span roof designs. Based on a foreign aid project, this paper analyzes the differences and similarities of SSCADandMSTCADinordertosupplyreferenceforthesimilarprojects.

w ireframe;MSTCAD;SSCAD

TU356

A

1007-9467（2016）08-0031-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.002

2016-02-03

郭振勇（1986～），男，工程師，從事工業(yè)與民用結(jié)構(gòu)設計與研究，（電子信箱）77876185@qq.com。