轻木桁架计算模型自动生成程序的设计与实现

轻木桁架计算模型自动生成程序的设计与实现

0轻木桁架节点性能100多年前的北美开始采用轻木材。在结构和安装技术方面，桩的特性得到了公认。在轻结构体系中，木框架所占的比例非常大，不同的屋顶框架和支撑结构的框架梁可以用来制作各种屋顶框架和支撑结构的框架梁。当轻木框架采用特殊的“齿板”连接时，结构计算应考虑节点的刚性，而节点的特性是复杂的。因此，关于齿板连接节点的性能一直是一个焦点。在最新的轻结构建筑规程中，为了实现齿板连接产生的节点的半刚性特征，已采用节点模型法。1采用“节点模拟”方法近似修正原计算模型—基于图形的节点模拟方法一般桁架总是以铰接杆系进行计算分析，但在轻型木桁架中，位于节点处的齿板连接有一定的刚度，不能简单地简化为刚节点或铰接点，因此这类结构的计算模型比常规的铰接杆系复杂得多.目前，国内外主要通过采用“节点模拟”方法近似修正原计算模型———修正后的模型主要由模拟弦杆和模拟腹杆组成，并增加一些虚拟杆和分节点.各模拟杆件间仍主要由铰接和半铰2种方式连接，以保证用有限元法通过程序自动计算其内力;修正后的模型具有与本身模型不同的节点位置以及杆件连接方式，部分杆件的尺寸也有相应调整.1.1节点模拟桁架的节点主要有支座端节点、屋脊节点、对接节点、腹杆节点以及搭接节点等，轻型木桁架的节点示意见图1.1.1.1与桁架上、下弦杆东南角出线点的选取支座端节点由上弦杆、下弦杆、虚拟杆和3个分节点构成，见图2.分节点定位方法为:在桁架下弦杆端部作一垂线，该垂线与桁架上、下弦杆中心线较低者的交点即为第1分节点;第2分节点位于下弦杆中心线上，并与第1分节点的水平距离为3s/4,s的取值见图2，第1和2分节点的水平距离应不大于600mm;过第2分节点作一垂线与上弦杆中心线相交点即为第3分节点.当第2和3分节点与第1分节点的间距小于50mm时，可将3个分节点简化为1个节点，即仅设立第1分节点.1.1.2竖切屋脊节点竖切屋脊节点的定位方法为:过屋脊节点作一垂线，与2根弦杆的中心线相交处即为竖切屋脊节点，见图3.当2根弦杆截面高度或坡度不同时，该垂线与2根弦杆中心线交点之间距离的1/2处即为竖切屋脊节点.1.1.3连接节点对接节点定位于2根弦杆的对接线上，或位于2根弦杆中心线与该对接线交点间距离的1/2处.1.1.4腹部杆节点腹杆节点位于腹杆与弦杆接触面长度s的中点与弦杆中心线垂直相交处，见图4.1.2锚点节点的设置各类节点中屋脊节点、对接节点、腹杆节点以及仅有第1分节点的支座端节点为铰接节点;当弦杆连续，腹杆连接于其侧时，该节点为半铰节点.弦杆为多跨连续杆件.设定桁架的左端为固定铰支座，其他的支座为滑动支座.在支座端节点模拟过程中会增加一些虚拟杆件(如第2和3分节点间的垂直杆件)，规范规定该类虚拟杆件的截面尺寸为40mm×90mm，材质为IIIc级.其余杆件按原模型的材料和截面属性进行设置.1.3腹杆节点的选取桁架分析模型的节点设置次序按如下顺序进行建模:(1)屋脊节点;(2)腹杆节点，由杆件相交最多的腹杆节点至杆件相交最少的腹杆节点;(3)其他节点.此外，距离小于50mm的2个节点可简化为1个，简化节点可设置在2个节点间距离的1/2处.2增强软件设计主要以几何分析的方法模拟轻型木桁架节点，所以采用AutoCAD2004进行二次开发.AutoCAD2004具有不必开发图形源代码、可继承已有的图形分析类以及用户界面亲和力高等优点.另外，采用其二次开发语言ObjectARX2004进行本文软件的编写.ObjectARX2004包含继承自MFC基础类库的各种自定义类库，如AcGe为几何运算类、AcUi为CAD专用对话框加载类等，并且编译完成后的arx程序能直接加载到AutoCAD界面中进行操作.本文程序的加载方式为直接将Node＿Simulation.arx文件拖入AutoCAD2004窗口中或通过输入appload命令加载该文件.2.1初始几何及材料参数目前，国内外使用最多的桁架类型为豪式桁架和芬克式桁架，豪式桁架的可设计跨度比芬克式桁架略大.本文着重开发这2种桁架的节点模拟软件.桁架的生成需通过对话框从用户处获得必要的几何参数.出于拓展可用性方面的考虑，程序被设定为可生成两侧不对称的豪式桁架，因此需要获得的初始几何及材料参数为:(1)净跨度;(2)左、右侧坡度;(3)左、右侧悬挑的水平长度;(4)各杆件截面大小、使用的树种材质;(5)左、右侧支座大小;(6)左、右侧节间等分数.由于在大多数情况下桁架左右对称且使用同一种树种材质，在程序中还设置“左右对称”、“使用统一材料”复选框，选中之后会自动完成对称及设置统一材料的操作，从而简化输入.豪式桁架生成的对话框见图5.2.2初始几何及材料参数芬克式桁架的生成过程与豪式桁架类似，程序根据用户输入的参数自动建模.如果生成的模型还需微调，用户可根据修改功能进行调整.同样，芬克式桁架支持各种比例的两侧不对称建模，程序要求用户输入的初始几何及材料参数为:(1)净跨度;(2)左、右侧坡度;(3)左、右侧悬挑的水平长度;(4)各杆件截面大小、使用的树种材质;(5)左、右侧支座大小;(6)细分级数(芬克式桁架腹杆不断划分的步骤数);(7)腹杆距左、右支座的距离;(8)划分比例因子:桁架将按照该比例不断进行划分，常用的比例因子有1/2和1/3.程序也支持用户采用任意其他的因子进行划分.芬克式桁架细分模式见图6，生成对话框见图7.2.3扩展数据方式桁架中各个杆件都可视为1个杆件单元，在CAD中表示为1条线(杆件轴线)，但每个杆件单元实际蕴含的信息是该杆件进行验算以及设计所需要的全部信息，因此在程序设计时须规划好每个杆件单元的附加信息种类及数量.将采用ObjectARX中的Xdata扩展数据方式杆件单元的附加信息编入代表杆件的直线中，供用户随时查看和修改.每个杆件的信息除该杆件的位置、长度和起始点坐标以外，还有以下数据:(1)杆件号;(2)截面宽b，截面高h;(3)杆件i和j端的连接情况分别为iFix和jFix，当其分别取值为-1时表示该端部悬挑，为0时表示铰接，为1时表示刚接;(4)类型号PNO，表示杆件在桁架中的位置;(5)材料号SNO;(6)截面号MNO.在程序中调用查询命令即可查询各杆件的相关信息.除杆件号由程序自动编号外，其他数据都可根据用户的需要进行修改.在截面修改后，主窗口中的杆件大小也会自动调整.杆件信息查询及修改对话框见图8.2.4添加杆件评论员若用户需添加杆件以满足强度变形要求，或制作更丰富多变的外形，可通过“添加杆件”命令将AutoCAD中的线条加入计算模型.添加杆件的步骤为:在AutoCAD中用“直线”命令在“轴线”图层上建立1条或多条需增加的杆件，然后运行添加杆件命令将这些杆件添加到计算模型中.添加杆件对话框要求用户输入相应的参数以便扩充AutoCAD中直线的Xdata数据，使其成为杆件单元.用户在选取要添加的杆件时，无需顾忌框选到已有杆件，程序会自动筛选并将不属于现有模型的直线添加为杆件单元.添加杆件对话框见图9.2.5删除杆件命令在生成桁架时，如果用户没有考虑好桁架的布置或需要修改某些杆件的位置以更方便地加工，可直接在CAD中修改杆件轴线的位置.在修改之后，杆件外形不会立即改变，此时若运行“重绘图”命令(reg)，桁架外形会自动恢复正常.删除杆件也是必要的操作之一.在运行删除杆件命令后，将提示用户选择1根或多根杆件进行删除.选择后，杆件将被删除轴线及轮廓线并从模型数据库中去除.2.6确定正常用户下弦及确定枝条位置桁架生成时将默认建立左、右端的2个支座，在桁架跨度过大的情况下，可能需要在跨中任意位置添加支座.程序支持用户在下弦范围内任意位置添加指定大小的支座.在添加过程中，对话框会提示用户下弦总长度，以mm为单位.用户可通过以下2种方式进行支座定位:(1)指定支座中心距下弦左端点的距离，以mm为单位;(2)指定支座中心距下弦左端点距离占整个下弦长度的比例，以百分比计.用户修改任一数值，程序会自动计算另一个数值，以保证数据统一.添加支座对话框见图10.删除支座只需要运行删除支座命令，然后选定需要删除的支座即可.2.7命令帮助为方便用户随时查看，用户可在AutoCAD2004环境中输入TrussHelp命令查看可用命令.3软件数据结构3.1几何类和图形类在ObjectARX中有以下几种类:图形类、几何类和反应器类等.本文大量应用其中的几何类和图形类进行计算.图形类包括AutoCAD中显示的直线、块参照和圆等，用户可直观地看到自己的建模成果，几何类主要在程序运算中帮助定位各个点以及延伸、构成等(一般不显示，仅供运算用).表1为本文主要应用的类及其继承、派生关系.3.2信号传递机制分离ctruss为统一数据的操作并为拓展桁架类型作准备，以豪式桁架为例，程序数据架构如下:桁架本身作为1个对象整合在CTruss类中，该类包括若干成员函数及成员变量.运用面向对象技术编写完成桁架对象，可以大大简化对桁架的操作.在每次软件运行之初，初始化函数将自动调用，然后生成1个CTruss类的对象SampleTruss，每个SampleTruss对象对应为1榀轻型木桁架.芬克式桁架也被管理在桁架类CTruss中.为实现源代码重复利用，芬克式桁架和豪式桁架共享部分成员函数，但拥有其自身的受保护成员变量(如细分级数data＿iDegree和划分比例因子data＿dScale等).4节点模型及模拟运算以豪式桁架为例.一榀桁架的净跨为12m，左侧上弦坡度为30°，悬挑为620mm,4等分节间;右侧上弦坡度为25°，悬挑为1000mm,5等分节间.支座均为2×6规格材(38mm×140mm).上弦采用2×6规格材，下弦采用2×8规格材(38mm×184mm).材料统一采用SPF,IIIc级.在“创建桁架对话框中”输入相应参数，得桁架实体模型，见图11.考虑到桁架跨度较大，在桁架下弦距下弦左端45%处插入1个支座.支座支撑形式为承重内墙，支撑面积为2×4规格材(38mm×90mm).在桁架下弦添加的支座见图12.确认建模无误后可进行节点模拟运算.模拟运算结果见图13，可知在模拟节点的定位及杆件连接关系上基本符合前述的桁架节点模拟理论.5基于清水松子模件的软件开发(1)程序支持最常用的豪式桁架和芬克式桁架的自动建模及计算模型生成，实现规范规定的节点