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四软件对同一轻型刚架结构的分析比较


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。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：0.2 KN/m2


屋面活荷载：0.3 KN/m2


基本雪荷载：0.45 KN/m2


基本风压：0.45 KN/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》（CECS 102 ：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》（CECS 102 ：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。