网架结构设计软件对比分析

郭振勇，刘开康，张哲，丰茂东

（1.中国中元国际工程有限公司，北京100089;2.大连都市发展设计有限公司，辽宁 大连116012）

网架结构设计软件对比分析

郭振勇1，刘开康1，张哲1，丰茂东2

（1.中国中元国际工程有限公司，北京100089;2.大连都市发展设计有限公司，辽宁 大连116012）

网架结构具有自重轻，刚度大，整体性好，适应性强等特点，广泛应用于大、中、小跨度屋盖设计。论文基于某援外项目分析了SSCAD和MSTCAD两种网架设计软件的异同，以供同类项目参考。

网架；MSTCAD；SSCAD

1 项目概况

某援外机场货运站项目，因某种原因，该项目重新复核出图，结果与原出图差异较大，本文基于此项目对SSCAD和MSTCAD两种网架设计软件进行了对比。

SSCAD是由上海交通大学龚景海博士研制开发，包括建模系统（建立空间结构模型）、优化设计系统（杆件线性优化设计和节点设计）、施工图设计系统（施工图、加工图设计）、模态分析系统（求解空间结构振型及周期）、地震反应分析系统（采用振型分解反应谱法进行抗震验算）、动力分析系统（采用时程分析法进行空间结构在动力荷载及地震作用下的反应分析）、几何非线性稳定分析（采用弧长法求单层网壳结构的临界荷载及对网壳结构进行全过程屈曲分析）七大部分。MSTCAD是由浙江大学空间结构研究中心罗尧治教授开发，具有独立的图形界面，建模、图形编辑、结构分析、节点设计、实体效果、图纸生成等都在同一界面完成，可以完成优化设计、模态分析、地震反应分析及温度荷载施加等功能。

2 网架工程简介

本文对比的网架用于货运站屋盖，为正放四角锥网架，螺栓球节点，平面尺寸为72m×60m，72m×45m，72m×60m三块，主要网格为3.75m×3.4m，柱距7.5m，跨度为48m+24m，檐口网架高度1.7m，5%双坡屋面。采用周边下弦支承，按照10.8m高600mm×900mm框架柱截面计算弹性支座。上弦恒载为0.5kN/m2，下弦恒载为0.4kN/m2，上弦活载为0.5kN/m2，基本风压为0.85kN/m2，A类，无雪压。为便于对比分析，网架自重按照杆件自重的1.2倍考虑。为了方便比较和分析，不考虑地震荷载作用，考虑±25℃温差。网架杆件均采用Q235B焊接钢管。

3 网架对比分析的基本思路

原设计采用的是 SSCAD软，目前采用的是MSTCAD2014软件，在原施工图基础重新建模计算，双方属于背靠背设计。以下从2个软件模型的规范选取、支座约束、荷载组合、强度控制、杆件截面分类等各个方面进行对比，以找到2种模型结果差异。

4 网架对比分析

4.1 支座约束

查询SSCAD软件中支座约束情况，发现其在所有支座的X向刚度和Y向刚度均采用800kN/m，而MSTCAD2014模型按照式（1）计算X向和Y向侧向刚度系数为2604kN/m和1157kN/m。

式中，E为弹性模量；I为惯性矩；l为柱高度。

现已施工的混凝土框架柱截面主要采用600mm× 900mm截面，X向和Y向刚度必然不同，故SSCAD模型中支座设置有误，并和实际情况最大相差2604/800=3.3倍。

4.2 规范选取及控制参数

SSCAD模型采用的的是《网架结构设计与施工规程》（JGJ 7—91），MTS2014模型采用的是《空间网格结构技术规程》（JGJ 7—2010），JGJ7—2010是JGJ 7—1991的替换版本，自2011年3月1日已开始实施。

《空间网格结构技术规程》（JGJ 7—2010）相对《网架结构设计与施工规程》（JGJ 7—1991）增加了许多限制内容和对部分参数趋于严格，对于该货运站项目影响最大的是《空间网格结构技术规程》（JGJ 7—2010）第5.1.5条规定[1]：“空间网格结构杆件分布应保证刚度的连续性，受力方向相邻的弦杆其杆件截面面积之比不宜超过1.8倍，多点支承的网架结构其反弯点处的上下弦杆宜按构造要求加大截面”。MSTCAD2014可通过“同一方向的弦杆截面面积之比不大于1.8”“同一方向的弦杆截面级差”“同一方向的腹杆截面级差”“同一节点的弦杆截面级差”“同一节点的腹杆截面级差”“同一节点上杆件截面级差”“同方向弦杆，当同时小于相邻杆件截面时作自动调整”这些选项自主选择是否控制。而SSCAD模型一直未按照JGJ 7—2010更新设置，无法按照规范进行调整。

2个软件均采用的是满应力的计算方法，因此杆件规格的选取也至关重要，在 2个软件模型中，杆件均选用φ60mm×3.5mm，φ75.5mm×3.5mm，φ88.5mm×3.75mm， φ114mm×3.75 mm，φ140mm×4.5mm，φ159mm×6 mm，φ180mm×6mm，φ159mm×8mm，φ219mm×8mm九种规格，密度在SSCAD默认中采用的是7850kg/m3，MSTCAD2014默认采用的是7 900 kg/m3，材料弹性模量均采用的是2.06× 105N/mm2，温度线膨胀系数均采用12×10-6。

压杆长细比控制均按照规范采用的是180，拉杆长细比在SSCAD模型中采用的是250，MSTCAD2014模型中采用的是200，此处也是控制比原设计控制严格之处。

4.3 荷载参数和荷载组合方面

在SSCAD和MSTCAD2014两个模型中，上弦恒载均采用0.5kN/m2，上弦活载均采用0.5kN/m2，下弦恒载均采用0.4kN/m2，而对于风荷载则相差较大，经过认真比对，发现以下2个问题：

1）在SSCAD模型中风荷载未根据网架实际所处高度考虑风压高度变化系数；

2）按照《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）表8.3.1中要求，当风从屋面一侧吹来时，屋面另外一侧有-0.5的体型系数，而SSCAD模型则未考虑来风方向另一侧的风压。

在SSCAD模型中荷载组合如下：

（1）1.2恒载

（2）1.2恒载+1.4活载

（3）1.2恒载+1.4风载

（4）1.2恒载+1.4温度

（5）1.2恒载+1.4活载+1.4风载

（6）1.2恒载+1.4活载+1.0温度

（7）1.2恒载+1.4活载+1.4风载+1.0温度作用

在MSTCAD2014模型中荷载组合如下：

（1）1.20静

(2)1.35静+0.98活

(3)1.20静+1.40活

(4)1.00静+1.40活

(5)1.35静+0.98风

(6)1.20静+1.40风

(7)1.00静+1.40风

(8)1.20静+1.40活+0.84风

(9)1.00静+1.40活+0.84风

(10)1.20静+0.98活+1.40风

(11)1.00静+0.98活+1.40风

(12)1.20静+1.40温

(13)1.20静+1.40活+0.84温

(14)1.00静+1.40活+0.84温

(15)1.20静+1.40风+0.84温

(16)1.00静+1.40活+0.84温

(17)1.20静+1.40活+0.84风+0.84温

从以上对比来看，SSCAD模型中组合数较少，并且未考虑组合值系数、永久荷载控制组合以及永久荷载对结构有利时组合3种情况，通过对比杆件应力控制和支座反力情况，发现该项目中部分杆件受工况“1.35恒载+0.98活载”控制，且《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）第3.2.3.2条关于永久荷载控制作用组合的规定属于强条。

4.4 杆件稳定强度设计

对于Q235B电焊钢管，《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）抗拉压强度设计值为215kN/mm2。SSCAD模型，控制应力 为 210kN/mm2， 控 制 应 力 比 为 210/215=0.977，而MSTCAD2014模型，对于电焊钢管，控制应力为193.5kN/mm2，控制应力比为193.5/215=0.9。

国内各设计院在进行杆件截面设计时，综合考虑原材料、施工技术条件（安装误差应力）、工程使用环境、实际受荷状况（局部荷载）、网架设计和下部结构分别设计等因素，通常杆件容许应力控制值为杆件强度设计值的0.85～0.90[2]。

《空间网格结构技术规程》（JGJ7—2010）表5.1.2中规定，螺栓球网架杆件计算长度系数为1.0，2个软件均可以自定义平面内、平面外计算长度系数，该项目网架杆件的计算长度系数均取1.0。

钢管分为焊接的高频焊管和轧制的无缝钢管，高频焊管截面分类为b类，无缝钢管截面分类为a类[3]。SSCAD中均默认截面分类统一采用b类，MSTCAD2014软件中在定义杆件时可以指定是a类还是b类。不同的截面类别，轴心受压杆件的稳定系数不一样。本项目网架2个模型中杆件均采用b类。

5 结语

本文基于实际项目对SSCAD和MSTCAD2014两个网架设计软件进行设计对比和校核，可发现2个软件均能很好地实现网架结构设计，不同设计师选择参数的差异和规范的理解程度造成了同一工程有较大的不同。设计师在网架设计过程中应概念清楚，理解规范，并需要考虑施工水平、加工工艺等综合因素做好设计工作。本文的对比分析思路也可以为其他不同种类软件的对比提供参考，同时也提醒设计人员可以采用不同的设计软件对同一工程进行对比分析，从而发现设计过程中存在的瑕疵和纰漏。

【1】JGJ7—2010空间网格结构技术规程[S].

【2】罗尧治.大跨度储煤结构——设计与施工[M].北京：中国电力出版社,2007.

【3】GB 50017—2003钢结构设计规范[S].

Comparative Analysis of TrussStructureDesignSoftware

GUOZhen-yong1,LIUKai-kang1,ZHANG Zhe1,FENG Mao-dong2
(1.China IPPRInternationalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100089，China; 2.DalianUrban DevelopmentDesignCo.Ltd.,Dalian116012，China)

Trusss tructure with has the advantages of lightweight,highrigidity,good integrity, strongadaptabilityand other characteristics, arewidely used inmedium and small span roof designs. Based on a foreign aid project, this paper analyzes the differences and similarities of SSCADandMSTCADinordertosupplyreferenceforthesimilarprojects.

w ireframe;MSTCAD;SSCAD

TU356

A

1007-9467（2016）08-0031-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.002

2016-02-03

郭振勇（1986～），男，工程师，从事工业与民用结构设计与研究，（电子信箱）77876185@qq.com。