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发布时间：2020-10-08 05:10 浏览次数：3566
摘要：
与中国的GB 50017―2003《钢结构设计规范》相比，BS EN199311： 2005等欧洲钢结构设计规范对构件的验算过程要复杂得多.针对国内设计单位近年来所承担的涉外项目激增的现状，研发基于欧洲钢结构规范的设计软件EuroSD.该软件应用Object ARX技术对AutoCAD进行二次开发，相对于目前国内常用的国外设计软件，其前处理建模更灵活.EuroSD提供多种内力分析方式，实现欧洲钢结构规范中的第1～4等级截面的验算，并能按照有效截面进行抗剪强度验算，最后提供详细的构件验算计算书.
关键词：
钢结构设计； 欧洲规范； 系统设计； 截面等级； 有效截面； Object ARX
中图分类号： TU391
文献标志码： B
0 引 言
20世纪70年代，欧盟国家为消除贸易过程中的技术壁垒并且协调各成员国的技术规范，欧洲共同体委员会开始编制一套建筑设计技术规范，即欧洲规范Euro Code，并于20世纪90年代颁布欧洲标准试行规范.21世纪初，欧洲共同体委员会正式推出欧盟国家级标准――欧洲规范EN.执行欧洲标准的国家包括英国、德国、法国、意大利、西班牙、瑞士、奥地利、比利时、丹麦、芬兰、希腊、冰岛、爱尔兰、卢森堡、荷兰、挪威、葡萄牙和瑞典等欧洲各国.[12]
我国与世界各国的商业交往日益密切，涉外工程建设合作项目呈增长趋势，国内很多工程建设企业开始在世界舞台上展现我国的设计能力和施工技术.当我国设计人员承担欧洲地区的建设工程项目时，不得不应用国外软件，以符合欧洲规范的设计规定.国内设计人员常用的国外设计软件包括美国CSI公司的SAP 2000和Etabs，美国REI公司的STAAD.Pro，韩国的Midas等.[3]这几种软件均不是欧洲规范应用国开发的，所以各软件对于欧洲标准的理解呈现仁者见仁的现象.另外，这些软件的研发核心团队均在国外，一旦软件在使用过程中出现漏洞，问题的反馈渠道少、软件更新速度慢.因此，开发基于国外规范的钢结构设计软件是非常必要和急需的.[4]
1 软件系统介绍
随着钢�Y构产业规模的扩大和建筑造型复杂性的提高，设计软件已经成为结构工程师进行设计必不可少的工具.国内许多工程师选择采用3D3S软件，该软件直接对CAD进行二次开发，适用于空间钢结构[57]，但是该软件至V12.1版本为止仍没有实现基于欧洲钢结构规范的设计.针对目前市场上基于欧洲规范的设计软件稀缺的现状，研发基于欧洲规范的钢结构设计软件EuroSD.
EuroSD对AutoCAD平台进行二次开发，是一款三维结构设计软件，其主要功能包括：各种特种钢结构体系三维建模、内力分析、设计验算以及验算结果显示与查询.根据软件功能需求，将软件分为4个系统：前处理系统、内力分析系统、设计验算系统和后处理系统，4个系统的数据流向见图1.
EuroSD的前处理系统和后处理系统应用Object ARX技术，生成若干ARX工程项目.前处理系统提供用户包括网架、桁架、框架在内的多种常用结构快键建模功能.EuroSD模型直接在AutoCAD三维平台上生成，用户也可根据结构的需要，在AutoCAD界面任意添加、修改或删除局部模型.后处理系统主要用于展示结构的内力分析和设计验算结果，结构展示方式包括结构表格、查询对话框以及AutoCAD图形展示等.
内力分析系统和设计验算系统采用VC++语言进行编程，生成若干动态数据库项目dll.内力分析系统包括结构静力分析算法、动力分析算法、非线性算法等.设计验算系统将所有支持的规范标准按标准之间的相关性抽象为具有多层继承派生关系的规范类群.内力分析系统和设计验算系统中的算法均经过封装，2个系统提供数据交互dll，外部可以通过接口获取分析及设计的结果，但不能干涉其内部算法.
内力分析系统和设计验算系统的框架设计方式可提高系统的数据安全性，并增加产品开发的灵活性，其只需对接口dll中的数据交互接口进行重载，即可将这2个核心系统应用到其他平台上.
2 设计验算系统的设计
2.1 项目设计
EuroSD软件的研发重点在于设计验算系统的设计和编写.设计验算系统包括3个主要项目：（1）将用户数据输入项目ARX中，有若干与钢结构规范相关的设计参数设置对话框会引导用户输入规范相关的数据；（2）验算核心项目dll，主要完成结构设计验算；（3）数据交互项目dll，对验算结果进行存储，并提供后处理获取数据的接口.
2.2 验算核心项目介绍
验算核心项目中包含3个主要类和4个类体系，其关系见图2.
为增加系统的后期可扩展性，对构件类体系、规范类体系、截面类体系和材料类体系根据规范分类设计相同的继承关系，见图3.
通过继承关系，构件验算核心编码可灵活添加不同国家、不同结构类型、不同材料类型的规范代码.通过分析规范条文之间的异同，对基类进行抽象；通过重载子类验算函数，实现各规范的设计验算功能.每个类体系的作用如下.
（1）模型类：组合节点类CNode，构件类CUnit，材料类CMat和规范类CCode的链表，存储整个结构的信息.
（2）载荷类：存储载荷信息、载荷组合信息和载荷效应信息（反力、内力、位移、挠度等）.
（3）材料类：记录钢材牌号、设计强度和弹性模量等材料信息.
（4）节点类：记录节点坐标、支座情况等信息.
（5）构件类体系：存储2部分信息.一部分是构件的输入信息，包括几何信息和设计信息，比如节点编号、端部约束释放、构件材料对象指针、构件设计采用的规范列表的序号以及相应规范的各种设计参数等；另一部分是当前验算组合的验算结果. （6）截面类体系：存储截面的几何信息以及设计验算需要用到的截面设计参数，比如截面面积、截面惯性矩等.
（7）规范类体系：规范类中的数据均为临时存储.主调程序会将当前组合和需要验算的构件传入规范类中，并对规范类对象进行初始化操作.规范类主要实现根据规范条文对构件进行设计验算的功能，最后将验算结果返回到构件类中.
3 欧洲钢结构规范的实现
与中国GB 50017―2003《钢结构设计规范》相比，欧洲规范在对构件进行设计验算时有诸多不同之处.
GB 50017―2003的验算项目包括：（1）对所有构件按净截面验算强度；（2）对所有构件按毛截面验算抗剪强度；（3）对轴压、压弯、拉弯构件按毛截面验算稳定；（4）对截面中的受压板件控制宽厚比.
欧洲规范的验算项目包括：（1）对轴拉构件验算净截面抗拉强度和毛截面极限抗拉强度；（2）对于轴压、压弯、拉弯构件的强度和稳定验算，根据受压板件的宽厚比，将截面分为4级，并对应不同的验算公式（第1和2级截面采用截面的塑性特性验算强度和稳定，第3级截面采用截面的弹性特性验算强度和稳定，第4级截面采用截面的有效截面特性验算强度和稳定）；（3）对于受剪、压弯、拉弯构件进行抗剪强度验算，根据腹板的宽厚比分别采用毛截面特性验算或有效截面验算.[810]
综上所属，GB 50017―2003的验算公式统一，而欧洲规范的验算公式根据不同的截面等级采用不同的验算公式.
根据欧洲规范的设计要求，EuroSD的构件设计分为5个主要部分：（1）截面等级判断；（2）有效截面特性计算；（3）截面强度验算；（4）截面抗剪强度验算；（5）构件稳定验算.其中，截面等级的判断和有效截面特性的计算是最复杂的部分，而构件强度、稳定的验算只需按照BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007的相关公式逐一实现即可，在此不作赘述.欧洲规范的构件验算涉及到3本规范，具体见表1.
3.1 截面等级判断
截面等级判断是欧洲规范的核心，其作用主要有3个：（1）BS EN 19931：2005的第5.6节指出只有结��中拥有第1级截面的构件可以在进行塑性整体分析时考虑塑性铰的出现；（2）截面等级判断完成才能选用适当的公式对构件进行验算；（3）因为第4级截面直接采用有效截面进行构件验算，故BS EN 1993不再控制截面中板件的宽厚比.
为确定截面等级，程序首先将计算截面的塑性应力分布和弹性应力分布情况[8]；接着将截面拆分为若干板件，并根据BS EN 199311：2005表5.2依次判断板件的等级；最后根据BS EN 199311：2005第5.5.2条确定截面分类，判断原则为截面等级取所有受压板件的最高等级.BS EN 199311：2005第5.5.2条第（9）～（11）款还给出判定等级的例外情况，这些例外情况在软件中全部实现.
3.2 有效截面特性计算
有效截面特性计算的内容包括：（1）截面的有效面积；（2）截面的有效惯性矩；（3）截面新的形心以及相对原形心的偏心；（4）由轴力引起的板件局部失效所产生的附加弯矩.每个截面特性对应的内力不同，见表2.需要说明的是：在计算有效截面时只需要计算第4等级截面中的第4等级板件的有效宽度.
4 软件应用
EuroSD的快捷建模方式非常多，全部实现可视化和参数化建模方式，以网架为例，建模对话框见图4.
建模完成后，对结构进行截面、钢材等级、荷载、支座等设计信息进行设置，即可进行结构内力分析.内力分析结果的查看方式也包括对话框方式和图形展示方式，见图5.
根据欧洲规范的设计需要，EuroSD提供大量可修改的规范参数，见图6.
验算完成后，EuroSD提供结果查询对话框和构件验算计算书2种构件验算查询方式，分别见图7和8.
通过结果查询对话框，用户可以对构件各项验算项的结果一目了然，并可查得哪些组合起到设计控制作用.若计算过程中对内力进行设计调整，此处显示的设计内力为经过调整后的值.完整的构
件验算计算书中详细列出结构的计算条件，主要验算项给出具体的计算公式和主要的计算参数，让用户清晰了解软件的计算过程.
5 结 论
介绍基于欧洲规范研发的钢结构设计软件EuroSD，其在建模方面采用Object ARX技术在AutoCAD界面进行二次开发，实现结构直接在三维状态下的可视化建模，可适用于复杂结构的设计.软件提供丰富的快捷建模方式，实现常用结构形式的参数化建模.
与国内市场常用的其他结构设计软件相比，EuroSD严格按照欧洲钢结构规范BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007
进行构件验算，并且提供详细的设计计算书，可提高设计效率.
EuroSD的验算核心工程采用dll项目，其接口
的设计与软件平台的耦合度低，可方便迁移到其他平台.EuroSD设计的类体系根据规范分类设计类的继承关系，不仅适用于欧洲规范，也可以拓展补充其他国家的钢结构设计规范，甚至是混凝土结构设计规范.所以，EuroSD的验算核心代码拥有高度的可扩展性和应用灵活性.
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[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].
（编辑 武晓英）
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