同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同濟(jì)大學(xué)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有顯著的研究與應(yīng)用成果。該大學(xué)不僅在理論方面進(jìn)行了深入探討，還注重實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)大量的工程案例積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。同濟(jì)大學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究涵蓋了從材料選擇、結(jié)構(gòu)分析到施工技術(shù)的各個(gè)方面，形成了一套完整的理論體系和操作流程。，，在材料選擇上，同濟(jì)大學(xué)采用了一系列高性能的鋼材，如高強(qiáng)度低合金鋼、耐候鋼等，這些材料的使用大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命。在結(jié)構(gòu)分析方面，同濟(jì)大學(xué)運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的計(jì)算和模擬，確保設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。他們還關(guān)注環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，推廣使用可回收或再生材料，減少環(huán)境污染。，，在施工技術(shù)上，同濟(jì)大學(xué)不斷探索和應(yīng)用新技術(shù)，如BIM（建筑信息模型）技術(shù)、3D打印技術(shù)等，以提高施工效率和質(zhì)量。他們還重視工人培訓(xùn)和技能提升，確保施工團(tuán)隊(duì)能夠熟練地應(yīng)用新技術(shù)，保證工程質(zhì)量。，，同濟(jì)大學(xué)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了一系列突破性的成果，為我國(guó)乃至全球的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

一、同濟(jì)大學(xué)3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

• 軟件概況
  • 3D3S鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件是同濟(jì)大學(xué)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的一套建筑CAD軟件，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有獨(dú)創(chuàng)性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該類(lèi)結(jié)構(gòu)工具軟件的一個(gè)空白，主要面向工業(yè)、民用建筑設(shè)計(jì)院、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作企業(yè)等多類(lèi)單位。
• 軟件功能系統(tǒng)
  • 3D3S鋼與空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)
    • 可進(jìn)行任意跨布置的輕型門(mén)式剛架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與繪圖，能考慮吊車(chē)、夾層、活載不利布置等情況。直接生成Word文檔計(jì)算書(shū)和AutoCAD設(shè)計(jì)和施工圖（不含加工詳圖），套用相關(guān)規(guī)程規(guī)范，如CECS102 - 2002《門(mén)式剛架技術(shù)規(guī)程》等。
  • 3D3S實(shí)體建造及繪圖系統(tǒng)
    • 可讀取3D3S設(shè)計(jì)系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)模型、讀取SAP2000的三維計(jì)算模型或直接定義柱網(wǎng)輸入三維模型。在門(mén)式剛架模型基礎(chǔ)上可增加夾層橫梁，提供多種節(jié)點(diǎn)形式供用戶(hù)選用，自動(dòng)完成主剛架節(jié)點(diǎn)計(jì)算或驗(yàn)算，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和桿件類(lèi)型分類(lèi)和編號(hào)，還能自動(dòng)完成檁條節(jié)點(diǎn)等的設(shè)置，可編輯節(jié)點(diǎn)并重新驗(yàn)算，直接生成節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)和多種圖紙。
  • 3D3S鋼與空間結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性計(jì)算與分析系統(tǒng)
    • 適用于任意由梁、桿、索組成的桿系結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性荷載 - 位移關(guān)系及極限承載力的計(jì)算，預(yù)張力結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)找形分析與工作狀態(tài)計(jì)算（包括多種索體系），桿結(jié)構(gòu)屈曲特性的計(jì)算以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力時(shí)程的計(jì)算。
  • 3D3S輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪圖系統(tǒng)
    • 涵蓋獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算、條形基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)梁（多種類(lèi)型梁的驗(yàn)算）、鋼結(jié)構(gòu)柱（多種類(lèi)型柱的驗(yàn)算）、支撐桿件驗(yàn)算、壓型鋼板組合樓蓋設(shè)計(jì)和驗(yàn)算、組合梁設(shè)計(jì)和驗(yàn)算、鋼吊車(chē)梁（中小工作制吊車(chē)梁）的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算等，且均能直接生成計(jì)算書(shū)及AutoCAD設(shè)計(jì)和施工圖，套用相應(yīng)規(guī)范規(guī)程。

二、同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理相關(guān)知識(shí)

• 鋼材性能相關(guān)考點(diǎn)
  • 鋼材五項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)是屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、冷彎性能、沖擊韌性。鋼材中氧、硫、磷等元素含量過(guò)多會(huì)對(duì)鋼材性能產(chǎn)生不良影響，如氧含量過(guò)多會(huì)使鋼材出現(xiàn)熱脆現(xiàn)象，含硫量過(guò)多高溫下會(huì)發(fā)生熱脆，含磷量過(guò)多低溫下會(huì)發(fā)生冷脆。冷作硬化和時(shí)效硬化會(huì)使鋼材強(qiáng)度提高，但塑性、韌性降低。鋼材在250oC度附近有強(qiáng)度提高塑性、韌性降低現(xiàn)象，稱(chēng)之為藍(lán)脆現(xiàn)象，鋼材的沖擊韌性值越大，表示抵抗脆性斷裂的能力越強(qiáng)等。
  • 在鋼材選用方面，承受動(dòng)力荷載作用的鋼構(gòu)造，應(yīng)選用綜合性能好的鋼材。焊接構(gòu)造選用焊條的原則是，計(jì)算焊縫金屬?gòu)?qiáng)度宜與母材強(qiáng)度相適應(yīng)，一般采用等強(qiáng)度原則。例如手工焊焊接Q235鋼，一般采用E43型焊條；焊接Q345鋼材時(shí)應(yīng)采用E50焊條。
• 構(gòu)件設(shè)計(jì)相關(guān)考點(diǎn)
  • 軸心受壓構(gòu)件
    • 缺陷有剩余應(yīng)力、初始偏心、初始曲率，屈曲形式有彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲、彎扭曲屈曲。對(duì)于綴條式格構(gòu)柱，單肢不失穩(wěn)的條件是單肢穩(wěn)定承載力不小于整體穩(wěn)定承載力。格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的等穩(wěn)定性的條件繞虛軸與繞實(shí)軸的長(zhǎng)細(xì)比一樣。雙軸對(duì)稱(chēng)的工字型截面軸壓構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)的屈曲形式是彎曲屈曲，單軸對(duì)稱(chēng)截面的軸心受壓構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件繞對(duì)稱(chēng)軸失穩(wěn)時(shí)發(fā)生彎扭屈曲等。
  • 受彎構(gòu)件
    • 梁的最小高度是由強(qiáng)度控制的。組合梁的局穩(wěn)公式是按限制受壓翼緣板的寬厚比和腹板的高厚比原則確定。鋼梁在集中荷載作用下，若局部承壓強(qiáng)度不滿(mǎn)足應(yīng)采取的措施是設(shè)置支承加勁肋。按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，受彎構(gòu)件要限制撓度。
  • 壓彎構(gòu)件
    • 實(shí)腹式壓彎構(gòu)件在彎矩平面內(nèi)屈曲形式為彎曲失穩(wěn)，在彎矩平面外屈曲形式為彎扭失穩(wěn)。承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的工形截面壓彎構(gòu)件，其強(qiáng)度計(jì)算公式中，塑性開(kāi)展系數(shù)γ取相應(yīng)值，且其翼緣板的局部穩(wěn)定保證條件是根據(jù)單向均勻受壓板的臨界力導(dǎo)出的。

三、同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)課程中的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

• 結(jié)構(gòu)概述
  • 門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、施工方便等特點(diǎn)。其發(fā)展歷程可追溯到20世紀(jì)初，未來(lái)將朝著高效、節(jié)能、環(huán)保等方向發(fā)展，同時(shí)新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用也將推動(dòng)其創(chuàng)新和發(fā)展。
• 分析方法
  • 靜力分析方法
    • 有限元法將門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)小的單元，通過(guò)求解每個(gè)單元的平衡方程來(lái)得到結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)，也可基于力學(xué)原理和數(shù)學(xué)公式，推導(dǎo)出門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的靜力分析公式進(jìn)行計(jì)算。
  • 動(dòng)力分析方法
    • 通過(guò)模擬地震等動(dòng)力作用下的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和抗震性能，具體包括模態(tài)分析法和時(shí)程分析法。
  • 穩(wěn)定性分析方法
    • 線(xiàn)性穩(wěn)定性分析基于線(xiàn)性化理論，對(duì)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界荷載；非線(xiàn)性穩(wěn)定性分析考慮門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性效應(yīng)，采用非線(xiàn)性有限元等方法對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
• 優(yōu)化設(shè)計(jì)
  • 目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便，同時(shí)滿(mǎn)足建筑和環(huán)境要求。方法包括采用數(shù)學(xué)建模、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)手段，進(jìn)行多目標(biāo)、多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)，如截面優(yōu)化、節(jié)點(diǎn)連接方式優(yōu)化、形狀優(yōu)化、支撐體系優(yōu)化等，并有相關(guān)的案例分析。
• 制作與施工
  • 制作工藝包括鋼材選擇、切割、彎曲，然后將各個(gè)鋼材部件組裝在一起并進(jìn)行焊接，之后進(jìn)行防腐處理。施工方面包括安裝鋼結(jié)構(gòu)到基礎(chǔ)上，且要確保施工現(xiàn)場(chǎng)安全、整潔，準(zhǔn)備好施工設(shè)備和材料，最后按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)收。

同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件操作指南

3D3S軟件在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新研究進(jìn)展

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的非線(xiàn)性分析方法