我在参加一次现场施工验收时，无意中发现了这座钢结构景观人行栈桥，它位于杨浦大桥下的滨江绿地内，靠近澧浦路。后来我陪同公司总工程师和几位同事进行了实地考察，大家都对它赞不绝口。但直到现在，我们也不知道这座景观桥是哪家公司设计的。
在造型分析之前我们先从照片上来看看这辆金桥的外观造型：
好的！现在让我们使用 PKPM、3D3S 和 Midas Gen 来了解更多信息。
1. 假设
假设：桥梁跨度50m；荆桥主要承重构件为中间两根大跨度钢梁加其间的竖向钢构件支撑组成的单根钢桁架；低标高侧桥面宽度3m，悬臂3m；高标高侧桥面宽度6m，在中点设置斜梁与钢桁架下弦杆连接起斜支撑作用，实际悬臂3m；从照片中可以看出，这座荆桥的支撑与柱子是铰接的，柱子的刚度相对于桥体来说简直弱爆了。抗震规范一直强调的“强节点、弱构件”似乎并没有得到很好的体现，所以我假设梁、柱在这里按刚接考虑。下面是对各个构件的假设：
框架钢柱：热轧无缝钢管Ø1500x25
框架钢梁、中主钢桁架下弦：焊接箱形截面800x600x480x20x20
中主钢桁架上弦：矩形管截面350x450x20x20
中部主钢桁架腹板：矩形管截面300x450x14x14
上桥面主梁、斜梁：矩形管截面250x400x10x10
次梁：矩形管截面250x400x12x12
下桥面悬臂梁：工字楔型截面H200~800x350x12x14
项目总体概况假设为：抗震设防烈度7度，地震加速度0.10g，抗震设计组别I，场地类别III，地面粗糙度类别B。
假定荷载条件：恒荷载：3.0Kn/m2、活荷载：3.5Kn/m2、雪荷载：0.35Kn/m2、施工荷载：2Kn/m2、风荷载：0.55Kn/m2，温度：上升20℃，下降10℃。
2. 首次使用 3D3S
对于钢结构工程来说，同济大学开发的3D3S早已名声大噪，直到看到这座金桥才真正认识和了解这个软件，感觉不错，就是为钢结构而生的。
3D3S是一款基于AutoCAD平台开发的有限元分析软件，借助CAD强大的操作系统，使得模型的建立十分便捷。
它提供了多种模块，功能非常强大。本次项目我使用了“基础分析”模块，这个模块和PKPM中的SPASCAD类似。在这个模块界面下，运行“结构建模”，利用AutoCAD的操作习惯，就可以轻松搭建出金桥的空间模型系统：
运行“添加杆件”→“选择定义为杆件的线”，定义并添加结构杆件的截面形式：
“截面库”提供了丰富的截面形式供设计人员选择，这里重点说一下：在“截面库”中，运行“基本截面”→“自定义截面”→“图形采集”，可以将自定义截面导入系统进行分析计算，Midas也有同样的功能，这个简直太强大了，相比之下PKPM就显得很死板，不够灵活，希望后续版本可以改进。
在空间系统中，还必须定义主体结构的支撑。这里我们将四个柱脚定义为固结支撑。运行“结构建模”→“支撑”完成定义。
杆件和支撑布置完成后，3D3S还需要定义“层”。同一结构中不同位置的杆件可以定义为不同的层；同一层中不同位置的杆件也可以定义为不同的结构类型。这里我将整个荆桥定义为一个结构层，然后用“结构建模”→“层”定义荆桥中部主承重钢桁架的上下弦杆和腹板：
之后，您需要定义并添加不同的载荷工况。运行“应用载荷”→“载荷工况”以添加所需的载荷工况：
然后在“载荷库”中编辑各种载荷条件的具体值：
3D3S提供了多种荷载添加方式，这里我们选择“杆件荷载传递”，这是因为我假设在进行整体结构分析时，不考虑金桥桥面的刚度贡献（当然程序还是提供了布置板单元的功能）。为了实现荷载传递，3D3S按照单双向板的传递原理，将杆件围成的封闭面内的面荷载分配到各个杆件上。运行“应用荷载”→“荷载传递范围”：
然后运行“自动应用载荷”将载荷施加到定义的封闭表面上：
之后系统会自动弹出结构基本自振周期的对话框，这里按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录F中的公式（F.2.1-1）计算：T1=（0.10~0.15）n。我规定金桥的楼层数为1层，X、Y方向的自振周期均为0.1s。
点击“确定”后系统弹出如下提示：
说实话这里我也有点搞不懂，系统好像把金桥模型分成了四个段进行风荷载分析计算，看不懂！
运行“地震参数”来定义地震荷载。这里选择上海标准：
定义温度影响，运行“应用载荷”→“温度”，这里我们假设温度上升20℃，下降10℃：
运行“负载统计”，选择任意成员查看负载情况：
运行“荷载组合”，系统可以快速自动生成荷载组合，或者用户也可以定义荷载组合：
完成以上操作后，即可进行试分析，在“内力分析”模块中，依次运行“结构类型”、“检查模型”、“结构计算”：
在“结构类型”选项中，“3D”和“将自重转换为质量”一般是默认的，其他情况下我不明白它们是什么意思。
在“模型检查”对话框中，不能有错误提示，否则计算结果会不正常。有一次，我尝试“强行”运行，结果循环计算结果却是一个天文数字。
《结构计算》中很多选项的理论原理我至今还不太理解，每次想起来都觉得很惭愧，有时候只是机械地操作软件，还远远没有掌握。
计算分析完成后我们来看看大概的分析结果：
在这里您可以查看周期、振动模式、内力、支撑反应等。
在设计和校核钢结构构件时，首先需要定义每个构件应该遵循哪些设计规范，以及每个构件的结构类型。3D3S已经把这个设计得很好了。这个功能应该对应前面“结构建模”中的“定义层级”功能。这里我规定金桥遵循《钢结构设计规范》GB50017-2003，主要承重钢桁架构件定义为“桁架”，其他构件定义为“多层结构”。
软件还提供了平面内、平面外“计算长度”的定义，功能比PKPM更加强大；在PKPM的Satwe计算分析中，仅在“设计属性补充”中为梁提供了“梁平面外长度”的定义。
定义完成后，运行“参数检查”和“设计验证”：
运行“结果显示（钢结构）”查看最终设计结果：
强度和稳定性结果：
骚乱：
从分析结果来看，在我的假设下，所有杆件均符合设计要求。3D3S给我的第一印象是，它可以完成用PKPM难以完成的设计工作。操作起来非常方便直观，建模效率高。施工图能力比PKPM强，计算书也完整详细。使用过程中还有很多操作和原理我不明白，希望请教高手。另外，如果有时间，我还想用它的“多层”模块来分析混凝土结构。
3. Midas Gen 分析
Midas Gen是我的一个“老”朋友，这次我再次感受到了它的威力。
对于这个金桥模型的建立，如果直接用Midas系统中的节点坐标来一点一点的建模，效率实在是太低了，好在Midas Gen还提供了强大的CAD文件导入功能。
首先我在AutoCAD中画出主承重钢桁架的立面，并将上弦圆弧分成20条直线，水平投影尺寸为2500mm，因为Midas中无法创建圆弧（3D3S也是一样）。
由于 Midas 只接受 DXF 格式，所以必须先将 CAD 文件转换为依赖格式，然后使用 Midas Gen 的“导入”命令导入。请注意，CAD 中的单位是毫米，而我在 Midas 中设置的测量单位是米，需要输入“放大倍数”0.001；在 CAD 中，我在 XY 平面绘制了立面，而 Midas Gen 中桥梁的立面是 XZ 平面，所以导入时需要输入绕 X 轴 90 度的旋转角度。
Midas Gen 还具有丰富的横截面库，并且与 3D3S 一样，具有编辑任何界面的能力。这可以在“工具”菜单中的“横截面属性计算器”中完成。
这座景观桥不涉及自定义路段，所以这个功能就留待以后学习和体验吧。
Midas Gen与3D3S一样，可以将主结构中不同位置的杆件定义为不同的结构类型。具体操作：选中需要定义的杆件上的一点，右键，运行“元素”→“扩展”，在“扩展类型”中选择“节点→线元素”，在“元素属性”的“元素类型”中选择“桁架元素”。
图中红色条定义为桁架单元，其他浅色条为梁单元。边界条件定义与3D3S一致，次梁两端铰接。请注意，将曲梁定义为两端铰接后，计算时信息窗会出现警告信息：
这个我不太明白，在Midas系统中，两个不同高度的节点会被定义在两个不同的“层”中，可以通过“结构”→“主数据”→“定义层数据”来查看：
Midas Gen 的问题与 3D3S 的问题非常相似。
运行“边界”→“释放两端约束”→“铰链-铰链”：
绿色节点代表铰链。四根钢柱的底部被定义为固结支撑。
整体模型建立完成后，开始施加载荷。运行“载荷”→“静态载荷工况”：
操作方法和3D3S类似，这里需要注意的是雪荷载和施工荷载的定义。根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第5.3.3条规定：“非人行屋面均布活荷载不得与雪荷载、风荷载同时组合”。此处“类型”选项选择“用户定义荷载（USER）”，雪荷载就不会和活荷载同时组合。施工荷载的定义也是一样。这里有一点值得讨论，规范条文说非人行屋面活荷载不得和雪荷载同时组合。实际情况是金桥桥面应该是人行的，但考虑到上海很少下雪，所以考虑不同时组合。
之前提到过，Midas Gen 施加荷载时，如果荷载传递范围内有不允许弯曲的构件（桁架的上下弦），则不能施加面荷载。这里我将面荷载转化为线荷载和节点荷载钢结构梁挠度限值，按照双向板“梯形三角传递”的荷载传递规律施加到不同类型的杆件上。
说实话这个过程相当细致和耗时，一不小心就容易出错。我觉得也许有更高效的方法，有机会我会尝试一下。
我们先看一下计算结果。首先运行“结果”→“荷载组合”：
选择“Auto Generate”，在这里可以快速高效的列出规范要求的各种工况钢结构梁挠度限值，用户也可以自由编辑组合。如果要考虑偏心地震，必须有上图中的gLCB1、gLCB2、gLCB3、gLCB4四种工况组合。在这里可以查看各种工况组合下各种杆件的内力和应力。
“树形菜单”中“钢结构”中的“性能参数”等很多选项的内容都无法编辑。
根据《钢结构设计规范》GB50017-2003附录A表A.1.1规定，主梁、桁架在恒载与活载标准组合下的挠度限值是L/400，在活载标准值下的挠度限值是L/500；柱在活载标准值下的挠度限值是L/400。可见Midas Gen中梁、柱的挠度控制分别为L/250、L/300，与规范相比偏差很大。看不懂，解决不了……是不是盗版软件的缘故？呵呵，这个还不如3D3S。
如需查看挠度计算结果，可以运行“结果”→“变形”→“查看位移”，选择需要查看的节点：
在信息窗口中可以看到各个节点的位移值：
运行“设计”→“运行批量设计”：
该桥梁已在 Midas Gen 进行验证并通过。
Midas Gen 根据钢结构规范计算腹板高厚比、宽厚比、长细比、强度、稳定性、梁的整体稳定性、构件的剪切强度，并且提供了比较详细的验证过程，这个非常好，对用户理解设计过程有很大的帮助。
以截面尺寸为H200~800x350x12x14的I形楔形悬臂构件为例：在MidasGen的“运行批量设计”计算书中，此构件不满足《建筑抗震设计规范》GB50011关于框架梁翼缘延伸宽厚比的限制为11。但由于此构件并非框架梁而是悬臂梁，仅需满足《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.3.8条关于梁受压翼缘自由延伸宽厚比的要求，因此仍能通过整体计算要求：
（注：这里的防腐蚀规范其实是2001年版的，不过幸好极限值和2016年版规定的一样。）
从3D3S的计算结果也可以验证这一点：
3D3S仅执行《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.3.8条的规定，对于真实的框架梁，执行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第8.3.2条的规定：
另外我发现一个问题，在定义了桁架的模型中，用Midas Gen计算分析的周期和3D3S相差较大，但是在定义了所有梁单元的模型中，计算分析的周期和3D3S相差不大：
桁架单元：
梁单元：
3D3S循环结果：
关于内力和位移的计算结果，3D3S和Midas Gen这两个软件有很多区别，我还没搞清楚，这个有待解决。
4. PKPM 验证
接下来我将使用PKPM中的Spascad模块来对桥梁进行检查，在Spascad环境下在空间系统中建立模型非常方便快捷，具体的操作我就不多说了。
我将主承重钢桁架的上、下弦杆作为梁单元输入，中间腹板作为“斜线”输入，近似计算结果如下：
荆桥在中标中也通过了验证，但一些局部构件的分析计算与3D3S的计算结果存在差异。对于框架柱的径厚比，Spascad执行了《高层民用建筑钢结构技术规范》JGJ99-2015第7.4.1条表7.4.1的规定：当抗震等级为4级时，圆管的径厚比为70（235/fy）。
我在Spascad中运行“结构计算”→“设计参数”→“设计信息”，将“钢构件材料强度：符合《高速钢规程》JGJ99-2015”和“钢柱长细比、宽厚比：符合《高速钢规程》JGJ99-2015第7.3.9条和7.4.1条（不勾选防腐规程）”两项前面的勾去掉后重新计算，但程序依然符合《高速钢规程》。
但3D3S仅实现了《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.4.5条：“对于圆管截面受压构件，外径与壁厚之比不应大于100（235/fy）”。
对于悬臂梁工字形楔形截面H200~800x350x12x14，Spascad结合《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.1.1条关于截面塑性发展系数的取值执行第4.3.8条：“当梁的计算弯曲强度取γx=1.0时，b/t可放宽为15√235/fy”。
在自激振荡周期方面，Spascad 与 3D3S 的结果差别不大：
PKPM 在荷载工况组合方面不够“透明”，不显示规范中审核的荷载工况组合，只提供用户定义自己的荷载工况组合的功能：
Spascad在这方面有些不公平，迫使用户只能机械地操作软件，不利于学习和理解负载规范。
经过三款软件的使用，我的感受是：PKPM V3.2比上一版本进步很大，但还是一般；3D3S对钢结构很有针对性；Midas Gen各方面表现都很出色……三款软件各有千秋。
三个软件的计算结果存在明显差异，我还有很多疑问没有搞清楚。论坛上有同事认为结果的差异是软件计算的“黑芯”不同造成的，不必过于担心。不管怎样，希望能在最短的时间内搞清楚一些问题。
还是想说一下PKPM，通过对3D3S和Midas Gen的逐渐掌握，明显感觉到PKPM与这两款软件相比，灵活性不够，甚至有些方面还稍显落后。虽然V3.2在操作风格、界面形式、计算分析内容多样性等很多方面都已经向国际知名软件靠拢，但还是有“小题大做”的感觉。我想，不只是对我个人，对中国的结构设计工作者来说，PKPM都是一个绕不过去的坑。话不多说，希望它越来越好。
五、结论
我的血液沸腾了！我期待着更复杂、更具挑战性的结构体系。激情、热情和一点点傲慢充斥着我的脑海。当我无耻地想到将来要设计一座像杨浦大桥这样的大桥时，我仍然会笑着打自己一巴掌……
