三维钢结构软件实现节点设计的新方法

《三维钢结构软件实现节点设计的新方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三维钢结构软件实现节点设计的新方法（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第3 6 卷增刊建筑结构 2 0 0 6 年6 月 三维钢结构软件实现节点设计的新方法 刘贺宁葛祥营 李明 钟耕波 ( 阿依艾工程软件( 大连) 有限公司大连1 1 6 0 2 3 ) 提要】结合三维钢结构软件中节点设计程序的开发实践，提出了一种新的节点程序设计方法，以解决三 维钢结构模型的节点设计问题。 关键词】钢结构软件节点设计 N e wM e t h o df o rD e s i g n i n gJ o i n tP r o c e d u r eo f3 DS t e e lS t r u c t u r eS o f t w a r e L i uH o n i n g ，G

2、eX i a n g y i n g ，L i m i n g ，Z h o n gG e n g b o ( R E IE n g i n e e r i n gS o f t w a r e ( D a l i a n ) C o ，L t d ，D a f i a n1 1 6 0 2 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A c c o r d i n gt ot h ep r a e U e eo fd e v e l o p i n gj o i n td e s i g np r o c e d u r eo fa3 Ds t e e ls t r u

3、c t u r es o f t w a r e ，t h i sa r t i c l e w i l li n t r o d u c eaH e wm e t h o df o rd e s i g n i n gt h ej o i n td e s i g np r o c e d u r e ，i tw o u l db eh e l p f u lt od e v e l o pt h ej o i n tp r o c e s s i n g p r o g r a mi na3 Ds t e e ls t r u c t u r ed e s i g ns o f t w a

4、 r e K e y w o r d ：s t e e ls t r u c t u r e ；s o f t w a r e ；j o i n td e s i g n 0 概况 确定连接节点的构造形式及其连接时，要遵循 以下原则：1 ) 在节点处内力简洁明确，安全可靠； 2 ) 确保连接节点有足够的强度和刚度当有抗震设 防时，节点承载力应按照有关规定大于杆件的承载 力；3 ) 节点加工简单，施工安装方便；4 ) 经济性 能好。 三维建模的钢结构设计软件更是受到人们的 青睐，而节点设计是三维钢结构软件需要着重解 决的部分。钢结构一般采用等截面型钢作为构件， 丽钢材的内部组织比较均匀，非常接近

5、均质体， 其各个方向的物理力学性能基本相同，接近各向 | 司性体，因此锕结构构件设计相对混凝土结构构 件而言容易一些，但是由于钢结构构件连接节点 采用多种形状材料作为连接件，并且连接方式多 种多样，尤其是当一个节点连接多个构件的时候 ( 如图1 ) ，受力情况复杂，使用计算机软件往往 不容易描述这种节点，这就使软件实现节点设计 尤其是节点详图的自动输出非常困难。 结合三维钢结构软件中节点设计程序的开发实 践，提出了一种新的节点程序设计方法，以解决三维 钢结构模型的节点设计问题。 1 钢结构节点设计的分析 在软件设计之前，首先对钢结构节点设计的 特点进行分析。钢结构根据设计形式不同，一般 分为轻

6、型铜结构和普通钢结构，由于使用的钢材 种类不同，两种结构所使用的节点形式也存在 差别。 图1 典型复杂节点 而钢结构节点的组成部分主要包括：1 ) 焊缝： 需要确定焊接焊缝的尺寸及形式等，主要分为对接焊 缝、角焊缝等；2 ) 螺栓：需要确定焊接螺栓的尺寸 及形式等，包括普通螺桂、高强螺栓和自攻螺丝，其 中高强螺栓常用8 8 s 和l O 9 s 两个强度等级，根据受 力特点分承压型和摩擦型，自攻螺丝用于板材与薄壁 型钢问的次要连接，国外在低层墙板式住宅中，也常 用于主结构的连接；3 ) 连接板：多用于实腹式构件 的连接。 目前国内钢结构软件领域对于节点设计的技术还 处于摸索阶段，通常的程序设计

7、都将节点作为结构设 计的附属产物，并没有提出一套完整有效的解决方案 使节点设计的通用性与针对性相结合，能够让用户在 程序自动化设计节点的基础上实现灵活的自定义节点 设计方式。节点数据多被处理为简单的平面模型，根 据构件尺寸由程序编码来计算节点部件的尺寸数据， 4 7 5 不同节点类型的数据一般被处理成不同的数据结构， 如图2 所示，这样就会导致当节点样式发生变化的时 候，必须更改或者更新程序内部编码才能适应新的节 点样式，比如梁柱节点设计程序不能用于柱脚节点的 程序设计，必须重新开发一段节点计算程序来解决柱 脚的节点设计。随着钢结构设计技术的不断提高，各 种新的连接方式被使用在结构设计中，为了

8、满足层出 不穷的薮增节点样式，软件开发者必须重复对新节点 进行程序编码，这种工作量随着节点样式的数量呈几 何倍数增长。如果有一种能够适应任何节点样式的节 点程序，就可以避免这种重复性的劳动，大大提高软 件的设计适应能力和软件的使用效率。 豳2 节点类薇生关系 2 节点的数据结构设计 通过对钢结构节点的分析和归纳，可以认识到所 有的节点均可看作是板、螺栓、焊缝兰种元素的组合 体，不管节点形式如何千变万化，如果这些基本元素 能够自由组合，麟町以形成所有的节点类型。针对这 种情况，可以采用一种全新的节点数据结构处理方 式：将单个节点拆分成不同部分，所有的节点类型均 采用同种数据结构描述，节点的数据结

9、构包括一个 板的列表，每个板上的螺栓形成一个列表，附属于板 边的焊缝形成一个列表。 这种数据结构设计方式使节点成为了一个组合对 象而构成节点的基本元素板、焊缝、螺栓仅仅 作为组成节点的材料，使得数据结构能用于所有形式 的节点。各个节点之间不同的仅仅为板的数量、尺 寸、位置等参数的差别，当用户编辑这些基本元素的 参数之后，节点数据就可以重新组合成为另外一个节 点，这样才能从根本上解决不同类型节点的程序不能 重用的问题。 同时，可以设立一个节点类型数据库，用来存放 不同的节点、用户或者程序代码，可以增加、删除和 编辑节点数据库中存放的每一个节点数据，每一个节 点数据都被设定一个唯一的数据库索引值，

10、保证用户 或者程序编码不会对节点数据进行误操作。由于采用 数据库方式存储，当程序需要节点数据的时候不需要 4 - 7 6 对节点数据进行计算，因此读取数据速度很快，节省 内存资源，便于管理和调试。 3 钢结构节点的自动生成 据统计，一般的钢结构中所有用到的节点，7 0 左 右是有具有一定规律的常见类型，这些节点与构件类型 直接相关，现代化钢结构生产要求节点设计简浩、施工 方便，因此越来越多的标准化节点应用于实际生产当 中。这静有一定规律的标准化的节点被称为标准节点。 标准节点的特点是，根据连接构件的截面、节点 所处的位置以及其他可以预知的信息，能够得到唯一 节点样式。比如，可以规定当节点为框架

11、梁柱连接， 而粱采用 - 1 2 0 0 1 0 0 5 5x8 。H 2 4 8 t 2 4 5X8 和 H 2 5 0x 1 0 0 6x 9 的H 型钢截面时，节点采用相应形 式的连接方法。 对于常用的标准节点，可以制定一系列规则，并 编写节点选取程序来根据这些规则为模型自动选取节 点样式，这种节点设计方式设称为节点的自动生成。 节点的自动生成过程描述如下： 首先，需要将模型中的构件进行分类，主要的构 件类型包括柱、主粱、次粱、垂直支撑、水平支撑 等。建模的过程中，允许用户为每一个构件指定构件 类型( 如图3 所示，其中C K 表示构件类型为 “柱”) ，其中有些构件类型可根据构件在模型

12、中的位 置由程序自动判断得出，如垂直的构件默认为柱子， 水平的构件如两端铰接默认为扶梁，两端刚接则默认 为主梁。构件设置类型以后，以程序设定的颜色进行 显示。 图3 构件属性对话框 其次，为节点样式设置类别。对节点采用两层类 别表示方法，第一层类别为节点样式类型，第二层类 别为节点连接类型，节点样式类型包含了不同的节点 连接类型，节点连接类型从属于节点样式类型，这种 分类方法便于程序迅速地为模型设定所需要的节点类 节点连接衰 裹1 H - 2 0 0 x l o o x 5 。5 x BH - 2 4 8 x 1 2 4 x 5 x 8H 一2 5 0 x 1 2 5 x 6 x 9 1 0

13、5 P L - S 哥3 0 寓 1 0 5 P L - 6 等宥 睁哥3 0 8 l 瞳到圆l 删圃r 圆圆 2 - H 1 6 ( 1 0 T ) L = 4 02 - M 1 6 f 1 0 T ) L = 4 02 _ _ 1 6 ( 1 0 T ) L = 4 0 型。节点样式类型表示节点的连接构件，如粱柱节点、 主次粱连接、粱支撑节点、柱支撑节点、柱脚节点 等。节点连接类型表示具体的节点连接形式，每一个 节点连接类型都会在节点数据库中存在一个节点数据 与之相对应，如在梁柱节点类别中，H 2 0 0 1 0 0 5 5 x8 的粱与柱子连接所对应的节点信息。 在程序中包括自动选择节点

14、功能函数。当输入某 个连接节点处所有的构件信息和几何信息后，程序会 按照这些信息，并根据一定的准则来判断此连接节点 的样式类型，比如，当节点所连接两个构件中，一个 为柱子，另一个为粱的时候，此节点被认为是粱柱节 点，在确定节点祥式类型后，根据构件的截面信息和 几何信息等进一步判定节点的连接类型。 最后，得到节点的连接类型后，程序将在节点数 据库中搜索到相应的节点数据，并将数据指定给模 型，从而完成节点的自动设计过程。 自动生成节点功能最大限度实现了节点设计功能 的自动化，使得软件在钢结构节点设计方面效率提 高，目前，模型中符合标准节点要求的连接节点可实 现一键式设计。这种程序的设计理念完全体现

15、了简 单、快捷、方便的设计特点。 值得注意的是，所有的标准节点数据已经由 程序自动生成并存储在节点数据库中，不允许用 户进行修改和编辑，但是允许用户将标准节点数 据存储成自定义节点，从而保护标准节点数据不 被人为破坏。此外，一个模型中并非所有的节点 都能采用标准节点，当标准节点不能满足用户需 求时。可以采用下节内容中介绍的自定义节点方 式来进行节点设计。 4 自定义钢结构节点的设计 自动化生成的钢结构标准节点不能满足全部的结 构设计需求，目前，国内钢结构厂家还没有形成一套 统一的标准化设计节点的理论体系，完全使用标准化 节点也会过多地消耗钢材，而且结构的设计思想要求 效率与经济性相结合，这就要

16、求软件在节点能够自动 生成的基础之上，还要允许用户使用自定义的节点 样式。 根据面向对象的设计思想，我们将节点看作 是板、螺栓与焊缝的组合体，那么自定义节点过 程即为将这些基本元素组合的过程。照此原则， 自定义节点的程序设计主要需考虑以下几个方面： 1 ) 将节点离散成基本数据元素，设计出基本元素 的数据结构；2 ) 确定基本元素在节点中的相对位 置；3 ) 将基本元素进行组合，并添加形成节点数 据结构所需的其他信息；4 ) 将定义的节点数据放 人节点效据库；5 ) 将模型中节点索引值指向定义 完成的节点数据。 用户自定义节点的程序设计在节点自动生成的功 能基础之上，程序还具备以下的特点： ( 1 ) 采用与自动生成功能相同的节点( 如图4 所 示) 数据结构，保持功能的可移植性。 节点数据扳数据 图4 节点撤据模型 4 - 7 7 ( 2 ) 为了更方便地描述几何对象在模型中的位 置，采用节点局部坐标系来确定几何对象相对坐标。 在软件环境中，采用全局坐标系来描述结构的位置和 儿何形状，全局坐标系为符合右手定则的笛卡儿直角 坐标系。