基于歐洲規范的鋼結構設計軟件開發

鄭愔睿

摘要：

與中國的GB 50017—2003《鋼結構設計規范》相比，BS EN199311： 2005等歐洲鋼結構設計規范對構件的驗算過程要復雜得多.針對國內設計單位近年來所承擔的涉外項目激增的現狀，研發基于歐洲鋼結構規范的設計軟件EuroSD.該軟件應用Object ARX技術對AutoCAD進行二次開發，相對于目前國內常用的國外設計軟件，其前處理建模更靈活.EuroSD提供多種內力分析方式，實現歐洲鋼結構規范中的第1～4等級截面的驗算，并能按照有效截面進行抗剪強度驗算，最后提供詳細的構件驗算計算書.

關鍵詞：

鋼結構設計； 歐洲規范； 系統設計； 截面等級； 有效截面； Object ARX

中圖分類號： TU391

文獻標志碼： B

0 引 言

20世紀70年代，歐盟國家為消除貿易過程中的技術壁壘并且協調各成員國的技術規范，歐洲共同體委員會開始編制一套建筑設計技術規范，即歐洲規范Euro Code，并于20世紀90年代頒布歐洲標準試行規范.21世紀初，歐洲共同體委員會正式推出歐盟國家級標準——歐洲規范EN.執行歐洲標準的國家包括英國、德國、法國、意大利、西班牙、瑞士、奧地利、比利時、丹麥、芬蘭、希臘、冰島、愛爾蘭、盧森堡、荷蘭、挪威、葡萄牙和瑞典等歐洲各國.[12]

我國與世界各國的商業交往日益密切，涉外工程建設合作項目呈增長趨勢，國內很多工程建設企業開始在世界舞臺上展現我國的設計能力和施工技術.當我國設計人員承擔歐洲地區的建設工程項目時，不得不應用國外軟件，以符合歐洲規范的設計規定.國內設計人員常用的國外設計軟件包括美國CSI公司的SAP 2000和Etabs，美國REI公司的STAAD.Pro，韓國的Midas等.[3]這幾種軟件均不是歐洲規范應用國開發的，所以各軟件對于歐洲標準的理解呈現仁者見仁的現象.另外，這些軟件的研發核心團隊均在國外，一旦軟件在使用過程中出現漏洞，問題的反饋渠道少、軟件更新速度慢.因此，開發基于國外規范的鋼結構設計軟件是非常必要和急需的.[4]

1 軟件系統介紹

隨著鋼結構產業規模的擴大和建筑造型復雜性的提高，設計軟件已經成為結構工程師進行設計必不可少的工具.國內許多工程師選擇采用3D3S軟件，該軟件直接對CAD進行二次開發，適用于空間鋼結構[57]，但是該軟件至V12.1版本為止仍沒有實現基于歐洲鋼結構規范的設計.針對目前市場上基于歐洲規范的設計軟件稀缺的現狀，研發基于歐洲規范的鋼結構設計軟件EuroSD.

EuroSD對AutoCAD平臺進行二次開發，是一款三維結構設計軟件，其主要功能包括：各種特種鋼結構體系三維建模、內力分析、設計驗算以及驗算結果顯示與查詢.根據軟件功能需求，將軟件分為4個系統：前處理系統、內力分析系統、設計驗算系統和后處理系統，4個系統的數據流向見圖1.

EuroSD的前處理系統和后處理系統應用Object ARX技術，生成若干ARX工程項目.前處理系統提供用戶包括網架、桁架、框架在內的多種常用結構快鍵建模功能.EuroSD模型直接在AutoCAD三維平臺上生成，用戶也可根據結構的需要，在AutoCAD界面任意添加、修改或刪除局部模型.后處理系統主要用于展示結構的內力分析和設計驗算結果，結構展示方式包括結構表格、查詢對話框以及AutoCAD圖形展示等.

內力分析系統和設計驗算系統采用VC++語言進行編程，生成若干動態數據庫項目dll.內力分析系統包括結構靜力分析算法、動力分析算法、非線性算法等.設計驗算系統將所有支持的規范標準按標準之間的相關性抽象為具有多層繼承派生關系的規范類群.內力分析系統和設計驗算系統中的算法均經過封裝，2個系統提供數據交互dll，外部可以通過接口獲取分析及設計的結果，但不能干涉其內部算法.

內力分析系統和設計驗算系統的框架設計方式可提高系統的數據安全性，并增加產品開發的靈活性，其只需對接口dll中的數據交互接口進行重載，即可將這2個核心系統應用到其他平臺上.

2 設計驗算系統的設計

2.1 項目設計

EuroSD軟件的研發重點在于設計驗算系統的設計和編寫.設計驗算系統包括3個主要項目：（1）將用戶數據輸入項目ARX中，有若干與鋼結構規范相關的設計參數設置對話框會引導用戶輸入規范相關的數據；（2）驗算核心項目dll，主要完成結構設計驗算；（3）數據交互項目dll，對驗算結果進行存儲，并提供后處理獲取數據的接口.

2.2 驗算核心項目介紹

驗算核心項目中包含3個主要類和4個類體系，其關系見圖2.

為增加系統的后期可擴展性，對構件類體系、規范類體系、截面類體系和材料類體系根據規范分類設計相同的繼承關系，見圖3.

通過繼承關系，構件驗算核心編碼可靈活添加不同國家、不同結構類型、不同材料類型的規范代碼.通過分析規范條文之間的異同，對基類進行抽象；通過重載子類驗算函數，實現各規范的設計驗算功能.每個類體系的作用如下.

（1）模型類：組合節點類CNode，構件類CUnit，材料類CMat和規范類CCode的鏈表，存儲整個結構的信息.

（2）載荷類：存儲載荷信息、載荷組合信息和載荷效應信息（反力、內力、位移、撓度等）.

（3）材料類：記錄鋼材牌號、設計強度和彈性模量等材料信息.

（4）節點類：記錄節點坐標、支座情況等信息.

（5）構件類體系：存儲2部分信息.一部分是構件的輸入信息，包括幾何信息和設計信息，比如節點編號、端部約束釋放、構件材料對象指針、構件設計采用的規范列表的序號以及相應規范的各種設計參數等；另一部分是當前驗算組合的驗算結果.

（6）截面類體系：存儲截面的幾何信息以及設計驗算需要用到的截面設計參數，比如截面面積、截面慣性矩等.

（7）規范類體系：規范類中的數據均為臨時存儲.主調程序會將當前組合和需要驗算的構件傳入規范類中，并對規范類對象進行初始化操作.規范類主要實現根據規范條文對構件進行設計驗算的功能，最后將驗算結果返回到構件類中.

3 歐洲鋼結構規范的實現

與中國GB 50017—2003《鋼結構設計規范》相比，歐洲規范在對構件進行設計驗算時有諸多不同之處.

GB 50017—2003的驗算項目包括：（1）對所有構件按凈截面驗算強度；（2）對所有構件按毛截面驗算抗剪強度；（3）對軸壓、壓彎、拉彎構件按毛截面驗算穩定；（4）對截面中的受壓板件控制寬厚比.

歐洲規范的驗算項目包括：（1）對軸拉構件驗算凈截面抗拉強度和毛截面極限抗拉強度；（2）對于軸壓、壓彎、拉彎構件的強度和穩定驗算，根據受壓板件的寬厚比，將截面分為4級，并對應不同的驗算公式（第1和2級截面采用截面的塑性特性驗算強度和穩定，第3級截面采用截面的彈性特性驗算強度和穩定，第4級截面采用截面的有效截面特性驗算強度和穩定）；（3）對于受剪、壓彎、拉彎構件進行抗剪強度驗算，根據腹板的寬厚比分別采用毛截面特性驗算或有效截面驗算.[810]

綜上所屬，GB 50017—2003的驗算公式統一，而歐洲規范的驗算公式根據不同的截面等級采用不同的驗算公式.

根據歐洲規范的設計要求，EuroSD的構件設計分為5個主要部分：（1）截面等級判斷；（2）有效截面特性計算；（3）截面強度驗算；（4）截面抗剪強度驗算；（5）構件穩定驗算.其中，截面等級的判斷和有效截面特性的計算是最復雜的部分，而構件強度、穩定的驗算只需按照BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007的相關公式逐一實現即可，在此不作贅述.歐洲規范的構件驗算涉及到3本規范，具體見表1.

3.1 截面等級判斷

截面等級判斷是歐洲規范的核心，其作用主要有3個：（1）BS EN 19931：2005的第5.6節指出只有結構中擁有第1級截面的構件可以在進行塑性整體分析時考慮塑性鉸的出現；（2）截面等級判斷完成才能選用適當的公式對構件進行驗算；（3）因為第4級截面直接采用有效截面進行構件驗算，故BS EN 1993不再控制截面中板件的寬厚比.

為確定截面等級，程序首先將計算截面的塑性應力分布和彈性應力分布情況[8]；接著將截面拆分為若干板件，并根據BS EN 199311：2005表5.2依次判斷板件的等級；最后根據BS EN 199311：2005第5.5.2條確定截面分類，判斷原則為截面等級取所有受壓板件的最高等級.BS EN 199311：2005第5.5.2條第（9）～（11）款還給出判定等級的例外情況，這些例外情況在軟件中全部實現.

3.2 有效截面特性計算

有效截面特性計算的內容包括：（1）截面的有效面積；（2）截面的有效慣性矩；（3）截面新的形心以及相對原形心的偏心；（4）由軸力引起的板件局部失效所產生的附加彎矩.每個截面特性對應的內力不同，見表2.需要說明的是：在計算有效截面時只需要計算第4等級截面中的第4等級板件的有效寬度.

4 軟件應用

EuroSD的快捷建模方式非常多，全部實現可視化和參數化建模方式，以網架為例，建模對話框見圖4.

建模完成后，對結構進行截面、鋼材等級、荷載、支座等設計信息進行設置，即可進行結構內力分析.內力分析結果的查看方式也包括對話框方式和圖形展示方式，見圖5.

根據歐洲規范的設計需要，EuroSD提供大量可修改的規范參數，見圖6.

驗算完成后，EuroSD提供結果查詢對話框和構件驗算計算書2種構件驗算查詢方式，分別見圖7和8.

通過結果查詢對話框，用戶可以對構件各項驗算項的結果一目了然，并可查得哪些組合起到設計控制作用.若計算過程中對內力進行設計調整，此處顯示的設計內力為經過調整后的值.完整的構

件驗算計算書中詳細列出結構的計算條件，主要驗算項給出具體的計算公式和主要的計算參數，讓用戶清晰了解軟件的計算過程.

5 結 論

介紹基于歐洲規范研發的鋼結構設計軟件EuroSD，其在建模方面采用Object ARX技術在AutoCAD界面進行二次開發，實現結構直接在三維狀態下的可視化建模，可適用于復雜結構的設計.軟件提供豐富的快捷建模方式，實現常用結構形式的參數化建模.

與國內市場常用的其他結構設計軟件相比，EuroSD嚴格按照歐洲鋼結構規范BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007

進行構件驗算，并且提供詳細的設計計算書，可提高設計效率.

EuroSD的驗算核心工程采用dll項目，其接口

的設計與軟件平臺的耦合度低，可方便遷移到其他平臺.EuroSD設計的類體系根據規范分類設計類的繼承關系，不僅適用于歐洲規范，也可以拓展補充其他國家的鋼結構設計規范，甚至是混凝土結構設計規范.所以，EuroSD的驗算核心代碼擁有高度的可擴展性和應用靈活性.

參考文獻：

[1] 李亞東. 歐洲規范及其近期進展[J]. 橋梁建設， 1999（3）： 5862.

LI Y D. Eurocodes and its recent development[J]. Bridge Construction， 1999（3）： 5862.

[2] 王永強， 王勇. 歐洲規范的現狀與未來[J]. 公路工程， 2007， 32（5）： 167170.

WANG Y Q，WANG Y. Eurocodes and its recent development[J]. Highway Engineering， 2007， 32（5）：167 170.

[3] 宿明彬， 譚進， 邱少雷， 等. 當前鋼結構設計軟件的情況及自主開發軟件的發展趨勢[J]. 鋼結構施工， 2001（1）， 16（51）： 5557.

SU M B， TAN J， QIU S L， et al. Basic situation of design software of steel structure and the future trend of the development of Chinese software[J]. Steel Construction， 2001， 16（51）： 5557.

[4] 王國周. 從鋼結構設計規范變化看中國鋼結構進展[C]// 2004鋼結構學術年會論文集， 2004： 1032.

[5] 龍江華， 謝步瀛. 鋼結構CAD軟件系統研究與開發[J]. 計算機輔助工程， 1999， 12（4）： 7074.

LONG J H， XIE B Y. Research and development of CAD software system for steel structures[J].Computer Aided Engineering， 1999， 12（4）： 7074.

[6] 羅曉群， 王忠全， 張其林. 管桁架索網混合鋼結構的計算分析[J]. 計算機輔助工程， 2007， 16（3）： 15.

LUO X Q， WANG Z Q， ZHANG Q L. Computation and analysis on hybrid steel structure of tubular trusscable net[J]. Computer Aided Engineering， 1999， 12（4）： 7074.

[7] 楊永華， 吳杰， 張其林， 等. 基于Object ARX的鋼結構施工過程CAD軟件[J]. 計算機輔助工程， 2008， 17（1）： 4246.

YANG Y H， WU J， ZHANG Q L， et al. CAD software for construction process of steel structure based on Object ARX[J]. Computer Aided Engineering， 2008， 17（1）： 4246.

[8] Eurocode 3： Design of Steel structures： Part 11： General rules and rules for buildings： EN199311： 2005[S].

[9] Eurocode 3： Design of Steel structures： Part 15： Plated structural elements： EN199315： 2006[S].

[10] Eurocode 3： Design of Steel structures： Part 17： Strength and Stability of ShellStructures： EN199316： 2007[S].

（編輯 武曉英）