如何合理应用设计软件（一）——门刚设计所遇到的两个问题

前言

我们赶上了基本建设大发展的时代的尾巴，几天施工一层楼已是常态，不能向前高效发展，那只能向内无底限压榨。在设计院里，结构专业往往是最后得到条件，又要最先出文件的倒霉蛋，所谓“留给你的时间不多了”更适合对结构工程师说。那么结构设计者就不得不借助结构设计程序“多快好省的生产”图纸。适应形势发展，很多的设计软件基本都实现了自动化，A I 甚至能三天完成整套图纸，就像生产线这头赶进去整头活猪，那头就生产出来盒装罐头一样。

因使用者或者其自身编制思路的问题，软件可分两种：一种是无所不能，但用起来不顺手，各种前置条件，前处理、后处理的不那么友好；另一种是虽然功能一般，但入手丝滑，除了设计成果不太符合力学原理之外，看着还蛮像回事的。具体软件名我就不说了（其实我只会后者），个人能力和体验不一样，评价也就千差万别，不能一概而论。

笔者在使用各种设计软件中仅用了些皮毛，经验谈不上，还犯过不少错，结合网友提供的素材，总结起来甚至都开个新系列文章——说说软件应用中“不常见的误区”，或者换个高尚说法“本人对软件应用的理解”。为了避免误导大家，阅读过程中请自行甄别，若应用意见而造成工程错误，笔者对相关后果概不负责。

正文

今天是开篇文章，讲讲俩二维门刚结构设计过程中见过的问题，问题均发现于设计实践，还都是影响设计结果的关键问题。感谢两位网友提供的素材。

一、约束条件不同，杆件的计算长度会改变

本工程是个二维拱形桁架，布置如图。

钢管二维桁架是二力杆，杆的计算长度：在面内根据《钢标》7 .4.1-2 表，取1 .0L （或0 .8L ，为了简化取1 .0L ）;面外根据实际支撑条件，需要人为指定计算长度或长度系数，一般取支撑间距离。

根据《钢标》5 .1.5 条3款，“直接相贯的钢管结构节点，当符合本标准第1 3 章各类节点的几何参数适用范围且主管节间长度与截面高度或直径之比不小于1 2 、支管杆 间 （件） 长度与截面高度或直径之比不小于2 4 时，可视为铰接节点。”本项目杆件均满足其要求，故设为铰接杆。

在软件应用中，如图1、图2所示：

图1   面外计算长度设定

图 2   面内计算长度设定

可以看到，面外计算长度设定有多种方法，面内计算长度不能直接指定，而用“计算长度系数”实现，默认系数 -1.0 ，也即由软件自动计算。

1、按全部铰接看计算结论

因计算长度（长细比）仅与约束条件有关，与作用类别无关，故计算过程忽略风及地震作用节约时间。下面看计算结果，面内计算长度为几何长度（面外计算长度和输入一致），合理。

图 3   面内全铰接——计算长度

2 、再试试全面刚接会有什么结果

图 4   面内全刚接——计算长度系数

不仅上下弦计算长度改变，腹杆计算长度也改变了。

3、按上下弦取刚接计算

桁架上下弦杆因为相贯，视为刚接是大部分设计者能接受的，腹杆设为铰接，计算结果如何呢？

图 5   面内上下弦刚接——计算长度系数

仅上下弦面内计算长度变大，腹杆计算长度不变。

分析：

虽然桁架有一定弧度，但因为按节点输入荷载，每段杆件弧度很小，故还近似为二力杆，理论上节点刚接和铰接不会有过大偏差，但设置杆件刚接后，面内计算长度为什么会发生变化呢？

这其实不是力学计算出错，而是软件设定原因：程序默认采用《钢标》附录 E 计算杆件稳定性，计算长度根据杆件约束条件确定，也即根据杆件相对线刚度确定，造成若采用程序自动计算，就会影响杆件计算长度。

解决思路也非常简单，在设定面内计算长度系数时，用“1 .0 ”，之后设置点每个构件即可，计算结果就和“图 3   面内全铰接——计算长度”一致了（不配图了，爱信不信）。

图 6   面内长度计算系数设定

通过这个小意外，可知程序自有其逻辑性，显示的刚接铰接和计算结果未必和你的固有概念一致，希望大家引以为戒，更严谨一点，不可完全依赖程序默认设置。

二、在门刚柱中增设节点会影响长细比计算

和上个问题类似，长细比亦是构件固有特性。

1、原始模型

因甲方要求，网友做了这么个单跨门刚，这里不讨论合理与否，仅就计算过程中遇到的问题进行讨论。

图 A   模型简图

跨度4 0 m，左侧柱高1 2.4m ，柱底铰接，在左侧柱高7 .5m 处有较大雨篷。初始模型，雨篷未建模，这里先不管应力，直接看柱长细比计算结果，如图：

图 B   无节点模型——长细比

2、增节点模型

审查提出模型应考虑雨篷计算，实现有三种方式，一是输入节点荷载；二是输入柱间荷载，三是真实建模。设计者采用了方法一，在7 .5m 标高处人为增加节点以输入节点荷载。对比无节点模型，发现多节点模型的下柱长细比超限。

图 C   增节点模型——长细比

3、分析

软件中，默认以节点划分柱段，分段计算长细比。以上我们若干次强调，长细比是构件固有特性，和受力无关，仅与约束条件有关。在默认设定中，计算长度系数为“- 1 ”，软件自动计算

对比无节点和增节点的构件计算书，软件柱的计算长度系数根据柱总高来计算，有分段柱和无分段柱的计算长度均一致。

图D   无节点模型——情景再现

图E   增节点模型——情景再现

根据《门刚规范》7 .1.3 条和3 .4.2 条，柱的面内稳定计算中，长细比采用大端数值，长细比有构造性限值≤1 80 。

根据规范公式可知，稳定计算按整体高度考虑（约束在两端），软件里默认按分段的大头验算长细比，这是没有意义的，实践中下柱计算的长细比超限结果可以忽略不计，此问题经设计者向审图人提供“对比计算书”后已获通过。

总结

这俩问题，不能算作程序b ug 。从笔者角度看，有共性特点：设计者不了解编程思维，对概念和规范理解不够透彻，完全信赖设计程序的默认设定，不敢于参与并干预软件计算过程，面对失真的结论不知所以。

大家都知道，设计者对最终的设计成果负责，任何软件程序应用都是设计的中间过程，不可能代人受过。程序是实现设计产品的工具和手段， 不轻易质疑其正确性，更不盲目相信其合理性。 商业软件因为从保密或者操作便利角度出发，都会有默认设定和不开放数据，仅有部分数据设计者可以参与编辑，必须要充分把握住这些窗口，让其 为我所用。

在忙碌的设计实践应用过程中，要树立概念为主、计算为辅的思维，当程序结论偏离基本原理假定和规范标准时，更要条分缕析，慎重应用。

以上，与诸君分享！

参考文献：

1、《钢结构设计标准》G B50017-2017

2、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》G B51022-2015