輕木桁架計(jì)算模型自動(dòng)生成程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0輕木桁架節(jié)點(diǎn)性能100多年前的北美開始采用輕木材。在結(jié)構(gòu)和安裝技術(shù)方面，樁的特性得到了公認(rèn)。在輕結(jié)構(gòu)體系中，木框架所占的比例非常大，不同的屋頂框架和支撐結(jié)構(gòu)的框架梁可以用來(lái)制作各種屋頂框架和支撐結(jié)構(gòu)的框架梁。當(dāng)輕木框架采用特殊的“齒板”連接時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的剛性，而節(jié)點(diǎn)的特性是復(fù)雜的。因此，關(guān)于齒板連接節(jié)點(diǎn)的性能一直是一個(gè)焦點(diǎn)。在最新的輕結(jié)構(gòu)建筑規(guī)程中，為了實(shí)現(xiàn)齒板連接產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)的半剛性特征，已采用節(jié)點(diǎn)模型法。1采用“節(jié)點(diǎn)模擬”方法近似修正原計(jì)算模型—基于圖形的節(jié)點(diǎn)模擬方法一般桁架總是以鉸接桿系進(jìn)行計(jì)算分析，但在輕型木桁架中，位于節(jié)點(diǎn)處的齒板連接有一定的剛度，不能簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)化為剛節(jié)點(diǎn)或鉸接點(diǎn)，因此這類結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型比常規(guī)的鉸接桿系復(fù)雜得多.目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)采用“節(jié)點(diǎn)模擬”方法近似修正原計(jì)算模型———修正后的模型主要由模擬弦桿和模擬腹桿組成，并增加一些虛擬桿和分節(jié)點(diǎn).各模擬桿件間仍主要由鉸接和半鉸2種方式連接，以保證用有限元法通過(guò)程序自動(dòng)計(jì)算其內(nèi)力;修正后的模型具有與本身模型不同的節(jié)點(diǎn)位置以及桿件連接方式，部分桿件的尺寸也有相應(yīng)調(diào)整.1.1節(jié)點(diǎn)模擬桁架的節(jié)點(diǎn)主要有支座端節(jié)點(diǎn)、屋脊節(jié)點(diǎn)、對(duì)接節(jié)點(diǎn)、腹桿節(jié)點(diǎn)以及搭接節(jié)點(diǎn)等，輕型木桁架的節(jié)點(diǎn)示意見圖1.1.1.1與桁架上、下弦桿東南角出線點(diǎn)的選取支座端節(jié)點(diǎn)由上弦桿、下弦桿、虛擬桿和3個(gè)分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，見圖2.分節(jié)點(diǎn)定位方法為:在桁架下弦桿端部作一垂線，該垂線與桁架上、下弦桿中心線較低者的交點(diǎn)即為第1分節(jié)點(diǎn);第2分節(jié)點(diǎn)位于下弦桿中心線上，并與第1分節(jié)點(diǎn)的水平距離為3s/4,s的取值見圖2，第1和2分節(jié)點(diǎn)的水平距離應(yīng)不大于600mm;過(guò)第2分節(jié)點(diǎn)作一垂線與上弦桿中心線相交點(diǎn)即為第3分節(jié)點(diǎn).當(dāng)?shù)?和3分節(jié)點(diǎn)與第1分節(jié)點(diǎn)的間距小于50mm時(shí)，可將3個(gè)分節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為1個(gè)節(jié)點(diǎn)，即僅設(shè)立第1分節(jié)點(diǎn).1.1.2豎切屋脊節(jié)點(diǎn)豎切屋脊節(jié)點(diǎn)的定位方法為:過(guò)屋脊節(jié)點(diǎn)作一垂線，與2根弦桿的中心線相交處即為豎切屋脊節(jié)點(diǎn)，見圖3.當(dāng)2根弦桿截面高度或坡度不同時(shí)，該垂線與2根弦桿中心線交點(diǎn)之間距離的1/2處即為豎切屋脊節(jié)點(diǎn).1.1.3連接節(jié)點(diǎn)對(duì)接節(jié)點(diǎn)定位于2根弦桿的對(duì)接線上，或位于2根弦桿中心線與該對(duì)接線交點(diǎn)間距離的1/2處.1.1.4腹部桿節(jié)點(diǎn)腹桿節(jié)點(diǎn)位于腹桿與弦桿接觸面長(zhǎng)度s的中點(diǎn)與弦桿中心線垂直相交處，見圖4.1.2錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置各類節(jié)點(diǎn)中屋脊節(jié)點(diǎn)、對(duì)接節(jié)點(diǎn)、腹桿節(jié)點(diǎn)以及僅有第1分節(jié)點(diǎn)的支座端節(jié)點(diǎn)為鉸接節(jié)點(diǎn);當(dāng)弦桿連續(xù)，腹桿連接于其側(cè)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)為半鉸節(jié)點(diǎn).弦桿為多跨連續(xù)桿件.設(shè)定桁架的左端為固定鉸支座，其他的支座為滑動(dòng)支座.在支座端節(jié)點(diǎn)模擬過(guò)程中會(huì)增加一些虛擬桿件(如第2和3分節(jié)點(diǎn)間的垂直桿件)，規(guī)范規(guī)定該類虛擬桿件的截面尺寸為40mm×90mm，材質(zhì)為IIIc級(jí).其余桿件按原模型的材料和截面屬性進(jìn)行設(shè)置.1.3腹桿節(jié)點(diǎn)的選取桁架分析模型的節(jié)點(diǎn)設(shè)置次序按如下順序進(jìn)行建模:(1)屋脊節(jié)點(diǎn);(2)腹桿節(jié)點(diǎn)，由桿件相交最多的腹桿節(jié)點(diǎn)至桿件相交最少的腹桿節(jié)點(diǎn);(3)其他節(jié)點(diǎn).此外，距離小于50mm的2個(gè)節(jié)點(diǎn)可簡(jiǎn)化為1個(gè)，簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)可設(shè)置在2個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離的1/2處.2增強(qiáng)軟件設(shè)計(jì)主要以幾何分析的方法模擬輕型木桁架節(jié)點(diǎn)，所以采用AutoCAD2004進(jìn)行二次開發(fā).AutoCAD2004具有不必開發(fā)圖形源代碼、可繼承已有的圖形分析類以及用戶界面親和力高等優(yōu)點(diǎn).另外，采用其二次開發(fā)語(yǔ)言O(shè)bjectARX2004進(jìn)行本文軟件的編寫.ObjectARX2004包含繼承自MFC基礎(chǔ)類庫(kù)的各種自定義類庫(kù)，如AcGe為幾何運(yùn)算類、AcUi為CAD專用對(duì)話框加載類等，并且編譯完成后的arx程序能直接加載到AutoCAD界面中進(jìn)行操作.本文程序的加載方式為直接將Node＿Simulation.arx文件拖入AutoCAD2004窗口中或通過(guò)輸入appload命令加載該文件.2.1初始幾何及材料參數(shù)目前，國(guó)內(nèi)外使用最多的桁架類型為豪式桁架和芬克式桁架，豪式桁架的可設(shè)計(jì)跨度比芬克式桁架略大.本文著重開發(fā)這2種桁架的節(jié)點(diǎn)模擬軟件.桁架的生成需通過(guò)對(duì)話框從用戶處獲得必要的幾何參數(shù).出于拓展可用性方面的考慮，程序被設(shè)定為可生成兩側(cè)不對(duì)稱的豪式桁架，因此需要獲得的初始幾何及材料參數(shù)為:(1)凈跨度;(2)左、右側(cè)坡度;(3)左、右側(cè)懸挑的水平長(zhǎng)度;(4)各桿件截面大小、使用的樹種材質(zhì);(5)左、右側(cè)支座大小;(6)左、右側(cè)節(jié)間等分?jǐn)?shù).由于在大多數(shù)情況下桁架左右對(duì)稱且使用同一種樹種材質(zhì)，在程序中還設(shè)置“左右對(duì)稱”、“使用統(tǒng)一材料”復(fù)選框，選中之后會(huì)自動(dòng)完成對(duì)稱及設(shè)置統(tǒng)一材料的操作，從而簡(jiǎn)化輸入.豪式桁架生成的對(duì)話框見圖5.2.2初始幾何及材料參數(shù)芬克式桁架的生成過(guò)程與豪式桁架類似，程序根據(jù)用戶輸入的參數(shù)自動(dòng)建模.如果生成的模型還需微調(diào)，用戶可根據(jù)修改功能進(jìn)行調(diào)整.同樣，芬克式桁架支持各種比例的兩側(cè)不對(duì)稱建模，程序要求用戶輸入的初始幾何及材料參數(shù)為:(1)凈跨度;(2)左、右側(cè)坡度;(3)左、右側(cè)懸挑的水平長(zhǎng)度;(4)各桿件截面大小、使用的樹種材質(zhì);(5)左、右側(cè)支座大小;(6)細(xì)分級(jí)數(shù)(芬克式桁架腹桿不斷劃分的步驟數(shù));(7)腹桿距左、右支座的距離;(8)劃分比例因子:桁架將按照該比例不斷進(jìn)行劃分，常用的比例因子有1/2和1/3.程序也支持用戶采用任意其他的因子進(jìn)行劃分.芬克式桁架細(xì)分模式見圖6，生成對(duì)話框見圖7.2.3擴(kuò)展數(shù)據(jù)方式桁架中各個(gè)桿件都可視為1個(gè)桿件單元，在CAD中表示為1條線(桿件軸線)，但每個(gè)桿件單元實(shí)際蘊(yùn)含的信息是該桿件進(jìn)行驗(yàn)算以及設(shè)計(jì)所需要的全部信息，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)須規(guī)劃好每個(gè)桿件單元的附加信息種類及數(shù)量.將采用ObjectARX中的Xdata擴(kuò)展數(shù)據(jù)方式桿件單元的附加信息編入代表?xiàng)U件的直線中，供用戶隨時(shí)查看和修改.每個(gè)桿件的信息除該桿件的位置、長(zhǎng)度和起始點(diǎn)坐標(biāo)以外，還有以下數(shù)據(jù):(1)桿件號(hào);(2)截面寬b，截面高h(yuǎn);(3)桿件i和j端的連接情況分別為iFix和jFix，當(dāng)其分別取值為-1時(shí)表示該端部懸挑，為0時(shí)表示鉸接，為1時(shí)表示剛接;(4)類型號(hào)PNO，表示桿件在桁架中的位置;(5)材料號(hào)SNO;(6)截面號(hào)MNO.在程序中調(diào)用查詢命令即可查詢各桿件的相關(guān)信息.除桿件號(hào)由程序自動(dòng)編號(hào)外，其他數(shù)據(jù)都可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行修改.在截面修改后，主窗口中的桿件大小也會(huì)自動(dòng)調(diào)整.桿件信息查詢及修改對(duì)話框見圖8.2.4添加桿件評(píng)論員若用戶需添加桿件以滿足強(qiáng)度變形要求，或制作更豐富多變的外形，可通過(guò)“添加桿件”命令將AutoCAD中的線條加入計(jì)算模型.添加桿件的步驟為:在AutoCAD中用“直線”命令在“軸線”圖層上建立1條或多條需增加的桿件，然后運(yùn)行添加桿件命令將這些桿件添加到計(jì)算模型中.添加桿件對(duì)話框要求用戶輸入相應(yīng)的參數(shù)以便擴(kuò)充AutoCAD中直線的Xdata數(shù)據(jù)，使其成為桿件單元.用戶在選取要添加的桿件時(shí)，無(wú)需顧忌框選到已有桿件，程序會(huì)自動(dòng)篩選并將不屬于現(xiàn)有模型的直線添加為桿件單元.添加桿件對(duì)話框見圖9.2.5刪除桿件命令在生成桁架時(shí)，如果用戶沒有考慮好桁架的布置或需要修改某些桿件的位置以更方便地加工，可直接在CAD中修改桿件軸線的位置.在修改之后，桿件外形不會(huì)立即改變，此時(shí)若運(yùn)行“重繪圖”命令(reg)，桁架外形會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常.刪除桿件也是必要的操作之一.在運(yùn)行刪除桿件命令后，將提示用戶選擇1根或多根桿件進(jìn)行刪除.選擇后，桿件將被刪除軸線及輪廓線并從模型數(shù)據(jù)庫(kù)中去除.2.6確定正常用戶下弦及確定枝條位置桁架生成時(shí)將默認(rèn)建立左、右端的2個(gè)支座，在桁架跨度過(guò)大的情況下，可能需要在跨中任意位置添加支座.程序支持用戶在下弦范圍內(nèi)任意位置添加指定大小的支座.在添加過(guò)程中，對(duì)話框會(huì)提示用戶下弦總長(zhǎng)度，以mm為單位.用戶可通過(guò)以下2種方式進(jìn)行支座定位:(1)指定支座中心距下弦左端點(diǎn)的距離，以mm為單位;(2)指定支座中心距下弦左端點(diǎn)距離占整個(gè)下弦長(zhǎng)度的比例，以百分比計(jì).用戶修改任一數(shù)值，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算另一個(gè)數(shù)值，以保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一.添加支座對(duì)話框見圖10.刪除支座只需要運(yùn)行刪除支座命令，然后選定需要?jiǎng)h除的支座即可.2.7命令幫助為方便用戶隨時(shí)查看，用戶可在AutoCAD2004環(huán)境中輸入TrussHelp命令查看可用命令.3軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3.1幾何類和圖形類在ObjectARX中有以下幾種類:圖形類、幾何類和反應(yīng)器類等.本文大量應(yīng)用其中的幾何類和圖形類進(jìn)行計(jì)算.圖形類包括AutoCAD中顯示的直線、塊參照和圓等，用戶可直觀地看到自己的建模成果，幾何類主要在程序運(yùn)算中幫助定位各個(gè)點(diǎn)以及延伸、構(gòu)成等(一般不顯示，僅供運(yùn)算用).表1為本文主要應(yīng)用的類及其繼承、派生關(guān)系.3.2信號(hào)傳遞機(jī)制分離ctruss為統(tǒng)一數(shù)據(jù)的操作并為拓展桁架類型作準(zhǔn)備，以豪式桁架為例，程序數(shù)據(jù)架構(gòu)如下:桁架本身作為1個(gè)對(duì)象整合在CTruss類中，該類包括若干成員函數(shù)及成員變量.運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)編寫完成桁架對(duì)象，可以大大簡(jiǎn)化對(duì)桁架的操作.在每次軟件運(yùn)行之初，初始化函數(shù)將自動(dòng)調(diào)用，然后生成1個(gè)CTruss類的對(duì)象SampleTruss，每個(gè)SampleTruss對(duì)象對(duì)應(yīng)為1榀輕型木桁架.芬克式桁架也被管理在桁架類CTruss中.為實(shí)現(xiàn)源代碼重復(fù)利用，芬克式桁架和豪式桁架共享部分成員函數(shù)，但擁有其自身的受保護(hù)成員變量(如細(xì)分級(jí)數(shù)data＿iDegree和劃分比例因子data＿dScale等).4節(jié)點(diǎn)模型及模擬運(yùn)算以豪式桁架為例.一榀桁架的凈跨為12m，左側(cè)上弦坡度為30°，懸挑為620mm,4等分節(jié)間;右側(cè)上弦坡度為25°，懸挑為1000mm,5等分節(jié)間.支座均為2×6規(guī)格材(38mm×140mm).上弦采用2×6規(guī)格材，下弦采用2×8規(guī)格材(38mm×184mm).材料統(tǒng)一采用SPF,IIIc級(jí).在“創(chuàng)建桁架對(duì)話框中”輸入相應(yīng)參數(shù)，得桁架實(shí)體模型，見圖11.考慮到桁架跨度較大，在桁架下弦距下弦左端45%處插入1個(gè)支座.支座支撐形式為承重內(nèi)墻，支撐面積為2×4規(guī)格材(38mm×90mm).在桁架下弦添加的支座見圖12.確認(rèn)建模無(wú)誤后可進(jìn)行節(jié)點(diǎn)模擬運(yùn)算.模擬運(yùn)算結(jié)果見圖13，可知在模擬節(jié)點(diǎn)的定位及桿件連接關(guān)系上基本符合前述的桁架節(jié)點(diǎn)模擬理論.5基于清水松子模件的軟件開發(fā)(1)程序支持最常用的豪式桁架和芬克式桁架的自動(dòng)建模及計(jì)算模型生成，實(shí)現(xiàn)規(guī)范規(guī)定的節(jié)點(diǎn)