装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统设计＊

王玮

（延安职业技术学院，陕西延安 716000）

1 引言

钢结构房屋是指主要承重元件均为钢材类物质的建筑，基础钢结构、钢梁、钢柱子、钢屋盖、钢屋架等材料都是钢结构房屋的必要组成部分。对于横跨度较大的钢结构房屋来说，钢屋架大都保持T型连接状态。钢屋盖不仅仅采用这一种材料，必要情况下，也可在搭建过程中应用砖瓦类结构，用于墙体形状的维系与保持。横向刚性压力是钢结构房屋所受的特征力学调节作用，与钢板材质、设备连接状态等多项物理因素保持关联作用关系[1-2]。在装配式搭建过程中，由于房屋主体结构所受的墙板压力不断增大，相连连接设备之间的滑动阻碍作用也会随之增强，易导致主体钢结构的建筑稳定性降低，影响房屋主体的基本抗压特性。为改善由装配刚性挤压而带来的房屋受力不均问题，设计压力数值调控计算系统就显得尤为重要。

传统有限元型压力计算系统利用ABAQUS软件记录装配式房屋刚性压力的数值变化量，再根据单位时间内最小压力值、最大压力值之间的调节数据差，分析该期间内横向刚性压力的真实传导行为，从而达到计算墙体所受压强值的目的。但计算所得的墙板压力数值过大，对UDI力导系数起到极强的增长抑制作用。为避免上述情况的发生，以钢结构房屋材料的本构关系为标准，联合Client/Server 压力数据采集模块、EMS数值计算结构等硬件执行设备，设计一种全新的装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统，在按需选取自动计算单元结构的同时，计算刚性压力条件的实际边界数值量，从而将系统调试至最佳应用状态。

2 刚性压力自动计算系统硬件设计

装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统的硬件执行环境由Client/Server 数据采集模块、刚性结构状态估计模块、EMS数值计算结构三部分组成，具体搭建处理方法如下。

2.1 Client/Server压力数据采集模块

Client/Server压力数据采集模块是自动计算系统的核心硬件执行设备，由主机端、客户端两部分结构共同组成。压力控制主机在接收钢结构房屋压力数值后，与相关结构主体建立传导连接，并将现有数值结构平均分成两个均等部分，一类用于Client 主机端的控制数值运算与处理，一类用于系统的后期统筹与应用[3-4]。在相关输入元件的支持下，装配式房屋刚性结构可将受力信息直接存储至系统数据库之中，且该设备元件能够借助压力存储结构将相关数值信息反馈至中间计算单元之中，一方面能够时刻感知装配式建筑的实施进程，另一方面可满足系统其它处理元件的应用处理需求，使非组合式墙板所受物理压力得到有效的控制调节。

图1 Client/Server压力数据采集模块结构图

2.2 房屋刚性结构状态估计模块

房屋刚性结构状态估计模块主要负责相关装配结构与刚性压力数值之间的信息传导交流，是Client/Server 压力数据采集模块的下级执行结构，由左右两侧执行元件共同组成。在不考虑其它外界干扰条件的前提下，房屋设备元件与结构状态估计行为总保持伴随出现状态。数据采集模块向装配式钢结构传输将抗压数据时，与横向刚性压力相关的传导数据会直接经由传输信道进入系统感知元件中，并将与自动计算相关的信息流反馈回核心控制主机之中[5-6]。在此情况下，横向房屋结构能够感知压力数据信息的变化行为，并将与装配式操作相关的压力数值条件，传输至钢结构材质元件中，而压力数据的分布与传导作为关联处置行为，总与上述系统执行状态伴随出现，且为维持系统的正常连接与计算[7]。除上述理论元件外，其它结构主体中的压力性数据条件始终不发生改变。

图2 房屋刚性结构状态估计模块结构图

2.3 EMS数值计算结构

EMS 数值计算结构是系统压力计算指令的核心元件，能够按照房屋刚性结构状态估计模块的连接需求，建立与Client/Server 压力数据采集模块的物理连接，并借助相关输入、输出信道，完成信息指标量的传导与调用[8]。EMS 计算是一种依附于装配式压力数据而存在的系统执行指令，可在房屋钢结构设备与存储数据库之间保持承上启下的调度应用关系。其计算结构图如图3所示。在压力自动计算系统处于正常运转的情况下，房屋横向刚性压力会逐渐传导至装配式梁板与梁盖结构之中，且一部分压力数据会随着传输时间的延长而逐渐缩小，直至完全等于系统数据传导所需的最小信息条件。在整个压力数据自动计算处置过程中，与装配式钢结构房屋相关的EMS信息可在系统中保持必要的连接共存状态，且随着数据库中待调取信息总量的提升，系统内部的数据传导行为速率也会逐渐加快，进而使横向刚性压力进入极值化分布状态，对UDI力导系数的增大起到一定程度的正向促进作用。

图3 EMS数值计算结构图

3 刚性压力自动计算系统软件设计

在上述设备元件的支持下，遵照房屋材料之间的本构关系，计算刚性压力的边界数值，再联合自动计算单元组织，实现系统的软件运行环境搭建，两相结合，完成装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统设计。

3.1 钢结构房屋材料的本构关系

钢结构房屋材料本构关系是指相关压力设备之间的协调关系。通常情况下针对不同元件主体具有不同的输出表达形式，且在整个装配过程中，元件与元件之间的连接关系始终不发生改变。最上层本构关系主要针对屋面瓦、屋架与屋面板框架。屋面瓦覆盖在屋架外端，能够阻挡刚性压力对屋面板框架造成的定向损伤，进而提升钢结构房屋的总体抗压水平，促进结构自身物理应用时间条件的延长。中层本构关系主要针对外墙面板及外墙板框架，这两种结构互为刚性压力作用的负载传导体，前者在承载装配式作用压力的同时，可将房屋内部的实时压力平均分割成多个小结构物理分子，再借助后者将这些轻数量级刚性受力作用分别传输至上层本构关系体和底层本构关系体，从而提升钢结构房屋的基本抗压稳定性。底层本构关系主要针对刚性支撑元件及基础柱形结构，与地面或待接触平面直接接触，具备较强的抗压承载能力。在最上层本构关系体、中层本构关系体保持稳定支撑的情况下，该层结构中的压力元件始终不会发生任何形式的形变，但随着横向刚性压力数值的增大，结构与结构之间的连接空隙不断缩小，直至相邻设备体处于完全接触的物理状态。钢结构房屋材料的本构关系图如图4所示。

图4 钢结构房屋材料的本构关系图

3.2 刚性压力边界计算条件

刚性压力边界条件是系统核心控制主机对装配式钢结构房屋提出的限定约束标准，随建筑实施时间的延长，该项物理参量的平均数值标准也会不断增大，直至完全等于非组合式墙板所能承受的最大压强理论值。在装配式钢结构房屋横向受力水平保持不变的情况下，刚性压力边界条件可分解为最大上限数值、最小下限数值两个部分。所谓最大上限数值是指非组合式墙板在单位时间内所能承受的横向压力最高级边限条件，受到上极限压力作用系数y1、上限刚性承载量p1的共同作用影响。若不考虑压力数值在房屋结构之间的连续传导行为，上极限压力作用系数与上限刚性承载量的变化范围均与装配时间t保持相同的物理变化关系，即在横向刚性压力的作用下，上限边界计算数值始终保持不断累积的变化趋势。最小下限数值是指非组合式墙板在单位时间内所能承受的横向压力最低级边限条件，受到下极限压力作用系数y2、上限刚性承载量p2的共同作用影响。因钢结构房屋元件之间存在明显的压力互传作用，故单位时间内刚性压力的下限数值始终高于相关元件设备的最小抗压系数权限。联立上述物理量，可将刚性压力的上、下边界条件分别定义为：

其中，w↑代表刚性压力的上边界条件，w↓代表刚性压力的下边界条件，δ、φ分别代表两个不同的刚性承载量系数，I1代表与上限刚性压力相关的承载参量，I2代表与下限刚性压力相关的承载参量代表横向压力作用条件。

3.3 自动计算单元选取

自动计算单元选取也叫系统压力数值标准计算，能够按照刚性结构状态估计模块、Client/Server 压力数据采集模块等元件设备的执行状态，确定既定计算周期内，刚性压力数值所及的最大距离条件，从而使系统控制主机能够时刻掌握装配式钢结构房屋的搭建实施情况。为保证系统对于压力数据的计算稳定性，该单元结构的选取必须严格遵循UDI力系数传导法则，设在一个力学传导周期内，刚性结构状态估计模块的执行系数始终保持为f，Client/Server压力数据采集模块的执行系数始终保持为k，且随着钢结构房屋传导力学总量条件的不断增大，上述两物理量的平均表现行为也不会发生改变。若计算单元芯片型号可随压力数值标准的改变而出现变化，则联立公式(1)，可将自动计算单元的选取判别标准定义为：

其中，j＇代表装配式钢结构房屋板件所承载的压力等级条件代表系统硬件结构表面所承担的平均横向刚性压力数值，β代表幂次项选取条件，i代表系统内部的自动计算系数平均值。至此，完成系统搭建的所有前期准备工作，在相关硬件设备结构的支持下，实现装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统的顺利应用。

4 系统实用性检测

为验证装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统的实用性能力，设计对比实验。选取一处于待建状态的装配式钢结构房屋作为实验对象，以搭载新型刚性压力自动计算系统的计算机作为实验组控制元件，以搭载有限元型压力计算系统的计算机作为对照组控制元件，在相同的实验环境下，分别记录在实验组与对照组系统在干预作用下，非组合式墙板所受压力、横向UDI力导系数两项实验指标的具体变化情况。

4.1 实用检测环境

分别将实验组系统、对照组系统接入实验房屋环境中，确保每个压力横梁上的监测节点数量均处于完全相等的状态，截取固定实验周期内，两组实验指标的变化数值，分析各项影响参量的实际变化行为。

图5 装配式钢结构实验房屋

4.2 非组合式墙板所受压力

非组合式墙板所受压力直接影响装配式钢结构房屋所受的刚性挤压形变量，通常情况下，前者的数值水平越低，后者的分布与传导作用效果越平均，反之则越聚集。下表反应了实验组、对照组非组合式墙板所受压力在各监测节点处的实时数值情况。

对比表1、表2可知，随着实验时间的延长，实验组、对照组非组合式墙板所受压力均保持不断上升的变化趋势，但从第35min 开始，实验组数值逐渐趋于稳定，而对照组数值则继续保持上升状态，从最大值角度来看，实验组的7.3×107N更是远低于对照组的10.3×107N。综上可知，装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统的应用，确实能够达到达到控制非组合式墙板所受压力的目的。

表1 实验组非组合式墙板所受压力

表2 对照组非组合式墙板所受压力

4.3 横向UDI力导系数

横向UDI力导系数也直接影响装配式钢结构房屋所受的刚性挤压形变量，但通常情况下，前者对后者起到抑制性促进的影响作用。下图反应了既定实验周期内，实验组、对照组横向UDI力导系数的具体变化情况。

分析图6可知，随着实验时间的延长，实验组、对照组横向UDI力导系数均呈现不断上升的变化趋势，但实验组上升幅度明显高于对照组，第75min 时，实验组横向UDI 力导系数达到9.8，远高于对照组的5.9。综上可知，随着装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统的应用，实现了促进横向UDI力导系数增大的初衷。

图6 横向UDI力导系数对比图

5 结束语

受到ABAQUS 软件记录特性的限制，传统有限元型压力计算系统很难直接控制装配式钢结构房屋非组合式墙板所受的物理压力，且难以增大横向UDI力导系数。而新型装配式钢结构房屋横向刚性压力自动计算系统，更改Client/Server压力数据采集模块的连接形式，根据房屋刚性结构状态估计模块的执行位置，设计了EMS数值计算结构，且随着钢结构房屋材料之间本构关系的不断明确，获得更加准确的刚性压力的上、下边界数值条件，自动计算单元选取行为也不再干扰相关压感系数的传输与利用。结合理论实验数据来看，非组合式墙板所受压力最大值下降了3.0×107N，而UDI力导系数却突破了8.0的限制极值，不仅打破了刚性挤压力条件分布与传导不均的僵局，也真正意义上加强了钢结构房屋的主体承压能力。