同濟大學在鋼結構設計領域采用了先進的3D3S實體建造及繪圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)為學生提供了從設計到施工的完整解決方案，包括三維建模、結構分析、材料選擇、構件加工以及現(xiàn)場施工指導等環(huán)節(jié)，通過這個系統(tǒng)，學生能夠深入理解鋼結構設計的復雜性，并學會如何將理論知識應用于實際操作中，該系統(tǒng)還支持多種文件格式，方便與其他軟件進行數(shù)據(jù)交換，確保了設計過程的高效和準確性。

一、同濟大學3D3S鋼結構設計軟件

• 軟件概況
  • 3D3S鋼結構CAD軟件是同濟大學獨立開發(fā)的一套建筑CAD軟件，擁有自主知識產權，在建筑鋼結構設計領域具有獨創(chuàng)性，填補了國內該類結構工具軟件的一個空白，主要面向工業(yè)、民用建筑設計院、鋼結構設計制作企業(yè)等多類單位。
• 軟件功能系統(tǒng)
  • 3D3S鋼與空間結構設計系統(tǒng)
    • 可進行任意跨布置的輕型門式剛架系統(tǒng)的設計與繪圖，能考慮吊車、夾層、活載不利布置等情況。直接生成Word文檔計算書和AutoCAD設計和施工圖（不含加工詳圖），套用相關規(guī)程規(guī)范，如CECS102 - 2002《門式剛架技術規(guī)程》等。
  • 3D3S實體建造及繪圖系統(tǒng)
    • 可讀取3D3S設計系統(tǒng)的三維設計模型、讀取SAP2000的三維計算模型或直接定義柱網(wǎng)輸入三維模型。在門式剛架模型基礎上可增加夾層橫梁，提供多種節(jié)點形式供用戶選用，自動完成主剛架節(jié)點計算或驗算，進行節(jié)點和桿件類型分類和編號，還能自動完成檁條節(jié)點等的設置，可編輯節(jié)點并重新驗算，直接生成節(jié)點設計計算書和多種圖紙。
  • 3D3S鋼與空間結構非線性計算與分析系統(tǒng)
    • 適用于任意由梁、桿、索組成的桿系結構，可進行結構非線性荷載 - 位移關系及極限承載力的計算，預張力結構的初始狀態(tài)找形分析與工作狀態(tài)計算（包括多種索體系），桿結構屈曲特性的計算以及結構動力特性和動力時程的計算。
  • 3D3S輔助結構設計及繪圖系統(tǒng)
    • 涵蓋獨立基礎設計和驗算、條形基礎、鋼結構梁（多種類型梁的驗算）、鋼結構柱（多種類型柱的驗算）、支撐桿件驗算、壓型鋼板組合樓蓋設計和驗算、組合梁設計和驗算、鋼吊車梁（中小工作制吊車梁）的設計和驗算等，且均能直接生成計算書及AutoCAD設計和施工圖，套用相應規(guī)范規(guī)程。

二、同濟大學鋼結構設計原理相關知識

• 鋼材性能相關考點
  • 鋼材五項機械性能指標是屈服強度、抗拉強度、延伸率、冷彎性能、沖擊韌性。鋼材中氧、硫、磷等元素含量過多會對鋼材性能產生不良影響，如氧含量過多會使鋼材出現(xiàn)熱脆現(xiàn)象，含硫量過多高溫下會發(fā)生熱脆，含磷量過多低溫下會發(fā)生冷脆。冷作硬化和時效硬化會使鋼材強度提高，但塑性、韌性降低。鋼材在250oC度附近有強度提高塑性、韌性降低現(xiàn)象，稱之為藍脆現(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等。
  • 在鋼材選用方面，承受動力荷載作用的鋼構造，應選用綜合性能好的鋼材。焊接構造選用焊條的原則是，計算焊縫金屬強度宜與母材強度相適應，一般采用等強度原則。例如手工焊焊接Q235鋼，一般采用E43型焊條；焊接Q345鋼材時應采用E50焊條。
• 構件設計相關考點
  • 軸心受壓構件
    • 缺陷有剩余應力、初始偏心、初始曲率，屈曲形式有彎曲屈曲、扭轉屈曲、彎扭曲屈曲。對于綴條式格構柱，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。格構式軸心受壓構件的等穩(wěn)定性的條件繞虛軸與繞實軸的長細比一樣。雙軸對稱的工字型截面軸壓構件失穩(wěn)時的屈曲形式是彎曲屈曲，單軸對稱截面的軸心受壓構件，當構件繞對稱軸失穩(wěn)時發(fā)生彎扭屈曲等。
  • 受彎構件
    • 梁的最小高度是由強度控制的。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，若局部承壓強度不滿足應采取的措施是設置支承加勁肋。按正常使用極限狀態(tài)計算時，受彎構件要限制撓度。
  • 壓彎構件
    • 實腹式壓彎構件在彎矩平面內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力荷載的工形截面壓彎構件，其強度計算公式中，塑性開展系數(shù)γ取相應值，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出的。

三、同濟大學鋼結構課程中的門式剛架結構設計

• 結構概述
  • 門式剛架結構是一種常見的鋼結構形式，具有結構簡單、受力明確、施工方便等特點。其發(fā)展歷程可追溯到20世紀初，未來將朝著高效、節(jié)能、環(huán)保等方向發(fā)展，同時新材料、新工藝、新技術的應用也將推動其創(chuàng)新和發(fā)展。
• 分析方法
  • 靜力分析方法
    • 有限元法將門式剛架結構離散化為有限個小的單元，通過求解每個單元的平衡方程來得到結構的整體響應，也可基于力學原理和數(shù)學公式，推導出門式剛架結構的靜力分析公式進行計算。
  • 動力分析方法
    • 通過模擬地震等動力作用下的門式剛架結構響應，分析結構的動力特性和抗震性能，具體包括模態(tài)分析法和時程分析法。
  • 穩(wěn)定性分析方法
    • 線性穩(wěn)定性分析基于線性化理論，對門式剛架結構的穩(wěn)定性進行分析，確定結構的失穩(wěn)臨界荷載；非線性穩(wěn)定性分析考慮門式剛架結構的非線性效應，采用非線性有限元等方法對結構的穩(wěn)定性進行分析。
• 優(yōu)化設計
  • 目標是確保結構安全可靠、經(jīng)濟合理、施工方便，同時滿足建筑和環(huán)境要求。方法包括采用數(shù)學建模、數(shù)值計算和計算機仿真等技術手段，進行多目標、多約束優(yōu)化設計，如截面優(yōu)化、節(jié)點連接方式優(yōu)化、形狀優(yōu)化、支撐體系優(yōu)化等，并有相關的案例分析。
• 制作與施工
  • 制作工藝包括鋼材選擇、切割、彎曲，然后將各個鋼材部件組裝在一起并進行焊接，之后進行防腐處理。施工方面包括安裝鋼結構到基礎上，且要確保施工現(xiàn)場安全、整潔，準備好施工設備和材料，最后按照相關標準和設計要求對鋼結構進行驗收。

同濟大學鋼結構設計軟件操作指南

3D3S軟件在鋼結構設計中的應用案例

門式剛架結構設計的最新研究進展

鋼結構設計中的非線性分析方法