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PKPM设计软件在施工领域中的应用PKPM设计软件在施工领域中的应用摘 要工程施工现场布置的部分设施，为机械安装及检修过程中涉及的钢结构、混凝土、调整、制作施工方案中的设计、计算提供理论依据，将方案编制过程中大量的计算、校核及出图从以前的烦琐手工操作解放出来；并可自动生成材料报表，进行工程量统计及概预算分析等工作。关键词 PKPM 钢结构 应力计算 优化设计 自动出图 材料表 方案编制一、 软件介绍PKPM系列CAD软件是一套集建筑设计、结构设计、设备设计、工程量统计和概预算报表等于一体的大型综合CAD系统。本系统装有先进的应力分析软件包，容纳了国内最流行的各种计算方法，如平面杆系、矩形及异形楼板、高层三维壳元及薄壁杆系、梁板楼梯及异形楼梯、各类基础、砖混及底框抗震分析等等。全部结构计算模块均按新的设计规范编制。二、 应用实例（150t试吊架设计）1、 概述中山嘉明2×390MW燃气蒸汽联合循环机组工程每台机组主厂房各设置两台杭州华新双钩电动桥式起重机，起重能力分别为100/20t及15t/3t。试吊最大起重量为125t。由于工期较紧，从其它工地调拔时间长、成本大，故设计150t试吊架，利用现场边角料制作。经检验，该试吊架具有使用轻便、承载力大的特点。2、 设计前提现场有从设备包装架上割除的废料如下：I18工字钢、H200*200*8*12型钢、16槽钢及L75*75*8角钢各一批。由于设计承载力较大，利用现场材料进行单层设计无法实现。考虑双层，而双层受力元件多，属三维框架结构，要计算纵、横、垂直方向的受力及载荷的传导、变形及局部加强。人工手算工作量过大、算法过于复杂且容易忽略关键因素，带来安全隐患。采用PKPM计算可以使设计者从烦琐的计算中解脱出来，专心应对重要因素。且PKPM可自动对截面进行优化，设计成型后可自动出图及生成材料报表，进行工程量统计及概预算分析等工作，大大缓解设计者的工作量。3、 框架设计初步：考虑压力平板车长宽、试吊块组合后的尺寸及试吊区域的空间尺寸，定义试吊架的尺寸为6000mm*2200mm*600mm。由于长宽比为3：1，采用弹性算法，引入最佳支（吊）点距离a=0.2L=1200mm。综合考虑试块尺寸及设计方便等因素，取框架梁间距为1000mm。各种规格废料中以H型钢力学性能为最优，故将三维框架中所有梁元及柱元截面均定义为H型钢，降低小杆件存在数量，以避免在截面优化过程中出现冗余计算。设计考虑恒、活载，所有由试块施加的载荷均按恒载计算，活载值按机具及人重考虑取值为6KN/m2。均布载荷=150*10/(6*2.2)=114KN/m2，不利因素取值1.2，则计算均布恒载荷=150 KN/m2。由于立柱高度仅200mm，柔度很小，故不考虑其稳定性。整个框架不采用斜拉梁。框架所有节点均采用焊接方式。将吊点改为支点以方便计算。4、 模型输入选取PKPM下的钢结构（STS）模块，点击进入框架设计。根据设计初步考虑，输入各信息值（步骤略），得如下图所示模型。在设计信息选项中不考虑风载荷及抗震，材料属性均为Q235。取恒载分项系数1.2，活载分项系数1.4，活载组合值系数0.7。取梁端负弯矩调整系数0.85，取连梁刚度系数0.7，取梁设计弯矩放大系数1。5、 TAT（结构三维分析与设计软件）、SATWE（结构空间有限元分析设计软件）或PMSAP（复杂空间结构分析与设计软件）计算在模型信息输入完毕后，自动生成各层载荷传导与计算。随后便可以进行各元件及整体的内力分析。从而为优化设计选择合适截面。PKPM内置3套内力分析软件，分别为TAT、SATWE及PMSAP，这3套应力分析软件各有所长。其中TAT（结构三维分析与设计软件）界面简单实用，信息明确。它将各连接元件视为整体（如连续梁），采用整体算法并将计算结果出图，一目了然。而SATWE及PMSAP则采用了目前极其流行的数值算法（有限元分析），充分利用计算机的快速、处理量大的优点，将整体划分为单个元件，对其受力状态逐一描述。因此所包含信息量较大，但准确性相对较高。TAT、SATWE及PMSAP的选用无严格规定，一般为视具体情况定。本设计实例中，首先用TAT对整体进行计算，找出应力较大的部分。然后采用SATWE对应力偏大的部分进行逐一计算，并对整体做应力云斑图。最后用PMSAP进行比较、验算。本设计实例以SATWE为主要分析软件。第一步：TAT计算下图为TAT下的整体受力分析，可以看出受力较大的部分为外侧靠近支点的两条连续梁及座于支点上的两条连续梁，而中间部分的梁则受力偏小。第二步：SATWE计算首先对单个元件应力计算用SATWE完成结构布置，分别对柱元、梁元等受力杆件分层进行编号。下图为受力层的各受力元编号图。依据TAT计算结果，对受力偏大或受力偏小的元件进行单独检查。如下图所示为受力偏大的第34号梁元在活载作用下的受力分析。在分析出各元件所受主要作用力之后，可利用SATWE的强大功能对整体受力各状态制作受力分析云斑图。下面两图分别为受力层弯矩云斑图及框架整体弯矩云斑图。第三步：PMSAP对比PMSAP同样拥有强大的计算能力及有限元分析能力，主要运用于复杂的结构计算中。本设计实例中主要使用其对SATWE的计算结果进行比对及检验。下图为PMSAP功能对话窗口，从中我们可以看到其拥有强大的分析能力及庞大的信息量。为方便分析，只选取其中的“构件内力彩色云斑图”进行对比分析。下图为PMSAP下的第一层（非受力层）内力分析彩色云斑图，对比SATWE结果一致。通过上述步骤的计算与分析，我们已经很直观地看到了各元件的受力情况。为了校核受力较大的元件以验证其安全性，优化受力较小的元件避免材料的浪费，需对各受力部件进行PK计算。6、 STS的PK计算返回STS下的框架菜单，选取其中的“形成PK文件”条目。建立框架或连续梁分别对上述受力偏大及偏小的元件进行PK计算。下面两图为对受力偏大的梁元进行PK计算的结果，结果显示靠近支点的3号、6号梁元受力超限。由于现场可用废料有限，无法对截面修改，故不做优化处理，在框架完成后对此处进行局部加强处理即可。相同步骤对受力偏小元件进行截面优化，优化结果近似于I14工字钢。对比I18工字钢及16槽钢的力学性能，选取工字钢作为替代材料。优化步骤操作较多，故此处不作赘述。至此，150t试吊架设计成型。7、 重复前述各步计算，对试吊架的安全性进行校核下图为截面优化后的TAT整体应力分析，通过图形输出结果可以发现，受力偏大部分仍然为靠近支点处连续梁元。故需对支点（即试吊架吊点）进行加固。加固需对计算文件进行分析，查看超限量的大小后再进行加固设计。8、 生成计算文件，检查结果。下图为超限连梁的PK计算文件，可知3号及6号梁元受剪力超限。超限信息如下：最大剪力V=167.10, 最大剪应力=136.75> fv=125.00 *超限量为9.4%，因此只需稍做加固即可。9、 自动生成材料表及绘制设计图。重新转入STS下的框架菜单，点击选取“画结构平面图及钢材统计”，PKPM会自动生成材料表并用自带的“概预算”软件进行造价分析。由于软件的外部接口系统完善，也可以连接到外部软件进行上述工作。PKPM可自动生成施工图，在输入必要的设计信息之后，可使用STS下的“全楼节点连接设计”、“画三维框架设计图”、“画三维框架节点施工图”及“画三维框架构件施工详图”等模块进行自动出图。PKPM出图速度很快，本实例共计出图（4号）54页，仅用时几秒钟。所出图纸信息全面，方便施工。对施工标准及要求方面均按相应规范进行了必要的备注，每份图纸均附有自动生成的材料表及编号。由于其包含的信息量很大，且试吊架结构相对简单，故本实例中作者仅采用PKPM进行施工图设计，出图则是采用AUTOCAD三维模式绘制如下。在吊点加固方面，采用方形梁内部十字支撑的方式，经计算及实际检验合格。三、 软件应用意义用PKPM进行施工设计或校核计算快速省力。150t试吊架从设计到出图仅用时4小时。用于对大件吊装、拖运或施工脚手架搭设的施工方案编制中，选取较高安全系数对承力平台进行校核验算，将PKPM的计算文件直接导入方案，节省工程师的工作量，提高工作效率。中山凝汽器拖运平台（承重130t）及穿钛管用脚手架平台（承重52t）均采用了PKPM辅助设计及计算，仅用时2小时便完成了方案编制工作，其高效性可见一斑。下面两图为凝汽器穿钛管用脚手架平台的设计计算结果（最大挠度0.89mm）与实际承重效果的对比。经实际检验，方案中结果与现场实际情况吻合良好。9-12/12 2008年度科技论文（评审稿）