周世光 金微 張劍 宋小惠 范凌峰 楊小草

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

爆炸沖擊作用下簡支檁條動力響應(yīng)求解工具開發(fā)

周世光 金微 張劍 宋小惠 范凌峰 楊小草

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

采用單質(zhì)點簡支梁模型，基于線性加速度法開發(fā)簡支檁條動力響應(yīng)求解工具。能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸沖擊荷載作用下檁條的變形計算，并輸出各時刻的位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)。該軟件工具不但為工程結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計提供了便捷、有效的解決途徑，還提高了設(shè)計人員的作業(yè)效率。

抗爆； 檁條； 動力響應(yīng)； 開發(fā)

隨著《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范（SH / T 3160—2009）》的出版，國內(nèi)石油化工廠區(qū)的結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計就有了依據(jù)，按該規(guī)范條款所述，控制室抗爆結(jié)構(gòu)宜采用混凝土材料作為抗爆外墻[1]。但隨著中國企業(yè)不斷開拓海外設(shè)計市場，就需要滿足當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計標準，抗爆結(jié)構(gòu)的材料也不再局限于混凝土，而是有了更多的選擇，既可以使用鋼材，又可以選擇砌塊作為主要材料。

較小的爆炸沖擊荷載，我們一般選用輕型鋼結(jié)構(gòu)方案進行設(shè)計，對于單層倉庫結(jié)構(gòu)而言，更是如此。在常規(guī)工況下，其圍護結(jié)構(gòu)檁條、墻梁等構(gòu)件，一般采用軟件工具箱（如 PKPM 工具箱等）可以進行設(shè)計，但目前尚未有能夠計算爆炸沖擊工況下，檁條動力響應(yīng)計算工具，給設(shè)計工作帶來了不便。

為此，我們開發(fā)了MemberBRSol動力響應(yīng)求解工具。該工具能夠完成爆炸沖擊荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)檁條的動力分析、求解起變形、支座轉(zhuǎn)角等結(jié)果，還能提供Excel支持的計算結(jié)果輸出，并且能實現(xiàn)批量自動計算等功能。

1 編制依據(jù)

工程化求解工具，顧名思義，其核心在于求解算法。爆炸工況下動力構(gòu)件的分析有兩種，分別為擬靜力分析與動力時程分析，后者能夠求解構(gòu)件在不同時刻的狀態(tài)。MemberBRSol是采用單質(zhì)點簡支梁模型[2]，基于單自由度線性加速度法而開發(fā)的動力求解工具，其模型原理及求解方法的具體推導(dǎo)過程見《石油化工鋼結(jié)構(gòu)抗爆墻選型與優(yōu)化》[3]。

2 軟件設(shè)計

2.1 開發(fā)平臺

MemberBRSol是在Windows平臺下開發(fā)的一款軟件，其運行需要.Net的支持，采用VB、C++兩種語言共同開發(fā)[4-5]。軟件高級版本支持多核CPU的并行計算，能提高動力響應(yīng)問題的求解效率。

2.2 軟件架構(gòu)

軟件采用C / S（Client / Server）結(jié)構(gòu)，俗稱客戶端 / 服務(wù)器結(jié)構(gòu)。程序分布在各個PC客戶終端，完成數(shù)據(jù)輸入后，通過局域網(wǎng)向服務(wù)器端PC提交授權(quán)許可，當(dāng)?shù)玫絹碜苑?wù)器端授權(quán)后，客戶端軟件再繼續(xù)進行下一步構(gòu)件動力響應(yīng)分析，并最終輸出結(jié)果。軟件運行流程如圖1所示。

圖1 軟件運行流程Fig.1 Software fl ow chart

軟件邏輯架構(gòu)主要分為UI層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層。其中，UI層主要負責(zé)與用戶的交互輸入功能，用戶通過界面，輸入計算所需的初始數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)層則實現(xiàn)構(gòu)件動力響應(yīng)求解以及計算結(jié)果輸出、匯總功能。而數(shù)據(jù)層則主要負責(zé)向業(yè)務(wù)層提供必要的數(shù)據(jù)查詢結(jié)果。軟件邏輯架構(gòu)圖見圖2。

圖2 軟件邏輯架構(gòu)Fig.2 Software logic architecture

2.3 界面設(shè)計

界面UI采用VB語言[6]編寫，基于對話框模式開發(fā)，接收用戶所輸入的數(shù)據(jù)。圖3為軟件的界面，通過界面左側(cè)兩個單選按鈕，可以選擇計算的方式。在“指定數(shù)據(jù)”方式下，需要用戶指定構(gòu)件彈性抗力Ru、剛度K以及有效質(zhì)量meq，然后調(diào)用C++語言編寫的dll動態(tài)鏈接庫函數(shù)進行求解；“自動計算”方式，則提供了批量自動計算功能，用戶只需輸入檁條的起始、終止跨距及間距，數(shù)據(jù)間隔，以及其他少量數(shù)據(jù)，軟件就能自動連續(xù)對不同跨度、間距的檁條進行動力求解分析，當(dāng)然，同樣也需要調(diào)用dll動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)。

圖3 軟件界面Fig.3 UI of software

無論哪種方式，都需要用戶提供外部荷載時程曲線，當(dāng)用戶點擊“計算”按鈕后，軟件便會彈出如圖4所示的荷載選擇對話框。在選擇荷載文件后，dll動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)會自動讀取文件中的時程曲線。但只有該曲線尚不能完成動力響應(yīng)的求解，我們還需要得到構(gòu)件彈性抗力、剛度、有效質(zhì)量等信息，這些信息，在“指定數(shù)據(jù)”方式下，由用戶直接在界面中輸入，不過，在“自動計算”方式下，軟件則會自動讀取數(shù)據(jù)庫（如圖5所示）中所有規(guī)格的型鋼數(shù)據(jù)，包括重量、慣性矩等，從而自動計算不同截面、跨度、間距下的檁條動力響應(yīng)情況。

圖4 荷載選擇對話框Fig.4 Dialog for load selection

圖5 軟件截面數(shù)據(jù)庫Fig.5 Section database of software

對于高級版本的MemberBRSol，可以充分利用多核多線程CPU的并行計算優(yōu)勢，同時求解多組數(shù)據(jù)，效率為單線程計算的2 ～ 3倍以上，大大提高了作業(yè)效率。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

軟件所使用的截面信息數(shù)據(jù)庫采用ANSI碼的文本文件，數(shù)據(jù)間以逗號作為分割符號，如圖6所示。通過C++編寫的函數(shù)，可以直接讀取數(shù)據(jù)庫中的截面名稱、特性等數(shù)據(jù)。

2.5 結(jié)果輸出

軟件完成計算求解后，會自動生成對應(yīng)的結(jié)果文件（csv格式），該文件可以采用“記事本”程序直接打開，也可以采用Excel查看結(jié)果。如圖 7 所示，在結(jié)果文件中，會列有各 T 時刻的動態(tài)位移、加速度、速度等計算結(jié)果，并在文件末尾顯示最大動態(tài)位移及其對應(yīng)時間等結(jié)果。

圖6 數(shù)據(jù)庫文件Fig.6 Database fi le

圖7 計算結(jié)果文件Fig.7 Result fi le of calculation

若在“自動計算”方式下求解，軟件會如圖8所示自動生成不同截面、跨度、間距的檁條動態(tài)響應(yīng)計算結(jié)果文件，每個文件的內(nèi)容與圖7相同。此外，在該方式下，軟件還會生成一個匯總文件，如圖9所示，用戶可以便捷地查看各種截面、跨度、間距檁條的匯總計算結(jié)果。

圖8 不同截面、跨度、間距檁條計算結(jié)果文件Fig.8 Result fi le of calculation for different sections， span and space purlin

圖9 自動計算結(jié)果匯總Fig.9 Results summary of calculation for automatic model

2.6 部分代碼

ata為C++語言編寫的動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)，負責(zé)接收來自UI界面?zhèn)魅氲某跏紨?shù)據(jù)，然后進行迭代求解動態(tài)響應(yīng)問題。該函數(shù)有4個形參，Ru、Meq、K、Scale，分別對應(yīng)彈性抗力，有效質(zhì)量、剛度、荷載比例。部分代碼如下所示：

3 結(jié)束語

MemberBRSol是一款高效的簡支梁檁條動力響應(yīng)求解工具。能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸沖擊荷載作用下檁條的變形計算，并輸出各時刻的位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)。該工具不僅能為工程結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計提供便捷、有效的解決途徑，還能提高設(shè)計人員的作業(yè)效率，創(chuàng)造出良好的社會經(jīng)濟效益。

[1]SH / T 3160—2009，石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范[S].

[2]俞海洪， 周世光. 單自由度抗爆結(jié)構(gòu)的非線性動力響應(yīng)分析[J]. 化工與醫(yī)藥工程， 2013， 34（3）：43-47.

[3]周世光.石油化工鋼結(jié)構(gòu)抗爆墻選型與優(yōu)化[D].同濟大學(xué)，2014.

[4]郭興峰，廖建軍，周明輝.Visual Basic 2005程序設(shè)計教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[5]陳志泊. 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言——C++[M]. 北京：人民郵電出版社，2007.

[6]周世光. 混凝土抗爆墻防護性能的改進[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2017， 17（1）：94-99.

Development of Solution Tool for Dynamics Response of Simply Supported Purlin in Blast

Zhou Shiguang, Jin Wei, Zhang Jian, Fan Lingfeng, Yang Xiaocao
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

In this article, by using the model of single mass and simply constrained beam, the tool which is based on linear acceleration for the solution of dynamic response of simply supported purlin was developed, with which the de fl ection of the purlin in blast can be calculated and the transient de fl ection, velocity and acceleration ban be output. This tool not only provides convenient and effective way in design of blast-resistant structures, but also raises the working ef fi ciency of designers.

blast-resistance; purlin; dynamic response; development

O 383+.2，TU 391

A

2095-817X（2017）06-0019-004

2017-03-16

周世光（1985—），男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計及軟件開發(fā)工作。