周世光 金微 张剑 宋小惠 范凌峰 杨小草

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

爆炸冲击作用下简支檩条动力响应求解工具开发

周世光 金微 张剑 宋小惠 范凌峰 杨小草

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

采用单质点简支梁模型，基于线性加速度法开发简支檩条动力响应求解工具。能够实现爆炸冲击荷载作用下檩条的变形计算，并输出各时刻的位移、速度、加速度等数据。该软件工具不但为工程结构抗爆设计提供了便捷、有效的解决途径，还提高了设计人员的作业效率。

抗爆； 檩条； 动力响应； 开发

随着《石油化工控制室抗爆设计规范（SH / T 3160—2009）》的出版，国内石油化工厂区的结构抗爆设计就有了依据，按该规范条款所述，控制室抗爆结构宜采用混凝土材料作为抗爆外墙[1]。但随着中国企业不断开拓海外设计市场，就需要满足当地的设计标准，抗爆结构的材料也不再局限于混凝土，而是有了更多的选择，既可以使用钢材，又可以选择砌块作为主要材料。

较小的爆炸冲击荷载，我们一般选用轻型钢结构方案进行设计，对于单层仓库结构而言，更是如此。在常规工况下，其围护结构檩条、墙梁等构件，一般采用软件工具箱（如 PKPM 工具箱等）可以进行设计，但目前尚未有能够计算爆炸冲击工况下，檩条动力响应计算工具，给设计工作带来了不便。

为此，我们开发了MemberBRSol动力响应求解工具。该工具能够完成爆炸冲击荷载作用下，钢结构檩条的动力分析、求解起变形、支座转角等结果，还能提供Excel支持的计算结果输出，并且能实现批量自动计算等功能。

1 编制依据

工程化求解工具，顾名思义，其核心在于求解算法。爆炸工况下动力构件的分析有两种，分别为拟静力分析与动力时程分析，后者能够求解构件在不同时刻的状态。MemberBRSol是采用单质点简支梁模型[2]，基于单自由度线性加速度法而开发的动力求解工具，其模型原理及求解方法的具体推导过程见《石油化工钢结构抗爆墙选型与优化》[3]。

2 软件设计

2.1 开发平台

MemberBRSol是在Windows平台下开发的一款软件，其运行需要.Net的支持，采用VB、C++两种语言共同开发[4-5]。软件高级版本支持多核CPU的并行计算，能提高动力响应问题的求解效率。

2.2 软件架构

软件采用C / S（Client / Server）结构，俗称客户端 / 服务器结构。程序分布在各个PC客户终端，完成数据输入后，通过局域网向服务器端PC提交授权许可，当得到来自服务器端授权后，客户端软件再继续进行下一步构件动力响应分析，并最终输出结果。软件运行流程如图1所示。

图1 软件运行流程Fig.1 Software fl ow chart

软件逻辑架构主要分为UI层、业务层、数据层。其中，UI层主要负责与用户的交互输入功能，用户通过界面，输入计算所需的初始数据。业务层则实现构件动力响应求解以及计算结果输出、汇总功能。而数据层则主要负责向业务层提供必要的数据查询结果。软件逻辑架构图见图2。

图2 软件逻辑架构Fig.2 Software logic architecture

2.3 界面设计

界面UI采用VB语言[6]编写，基于对话框模式开发，接收用户所输入的数据。图3为软件的界面，通过界面左侧两个单选按钮，可以选择计算的方式。在“指定数据”方式下，需要用户指定构件弹性抗力Ru、刚度K以及有效质量meq，然后调用C++语言编写的dll动态链接库函数进行求解；“自动计算”方式，则提供了批量自动计算功能，用户只需输入檩条的起始、终止跨距及间距，数据间隔，以及其他少量数据，软件就能自动连续对不同跨度、间距的檩条进行动力求解分析，当然，同样也需要调用dll动态链接库中的函数。

图3 软件界面Fig.3 UI of software

无论哪种方式，都需要用户提供外部荷载时程曲线，当用户点击“计算”按钮后，软件便会弹出如图4所示的荷载选择对话框。在选择荷载文件后，dll动态链接库中的函数会自动读取文件中的时程曲线。但只有该曲线尚不能完成动力响应的求解，我们还需要得到构件弹性抗力、刚度、有效质量等信息，这些信息，在“指定数据”方式下，由用户直接在界面中输入，不过，在“自动计算”方式下，软件则会自动读取数据库（如图5所示）中所有规格的型钢数据，包括重量、惯性矩等，从而自动计算不同截面、跨度、间距下的檩条动力响应情况。

图4 荷载选择对话框Fig.4 Dialog for load selection

图5 软件截面数据库Fig.5 Section database of software

对于高级版本的MemberBRSol，可以充分利用多核多线程CPU的并行计算优势，同时求解多组数据，效率为单线程计算的2 ～ 3倍以上，大大提高了作业效率。

2.4 数据库设计

软件所使用的截面信息数据库采用ANSI码的文本文件，数据间以逗号作为分割符号，如图6所示。通过C++编写的函数，可以直接读取数据库中的截面名称、特性等数据。

2.5 结果输出

软件完成计算求解后，会自动生成对应的结果文件（csv格式），该文件可以采用“记事本”程序直接打开，也可以采用Excel查看结果。如图 7 所示，在结果文件中，会列有各 T 时刻的动态位移、加速度、速度等计算结果，并在文件末尾显示最大动态位移及其对应时间等结果。

图6 数据库文件Fig.6 Database fi le

图7 计算结果文件Fig.7 Result fi le of calculation

若在“自动计算”方式下求解，软件会如图8所示自动生成不同截面、跨度、间距的檩条动态响应计算结果文件，每个文件的内容与图7相同。此外，在该方式下，软件还会生成一个汇总文件，如图9所示，用户可以便捷地查看各种截面、跨度、间距檩条的汇总计算结果。

图8 不同截面、跨度、间距檩条计算结果文件Fig.8 Result fi le of calculation for different sections， span and space purlin

图9 自动计算结果汇总Fig.9 Results summary of calculation for automatic model

2.6 部分代码

ata为C++语言编写的动态链接库中的函数，负责接收来自UI界面传入的初始数据，然后进行迭代求解动态响应问题。该函数有4个形参，Ru、Meq、K、Scale，分别对应弹性抗力，有效质量、刚度、荷载比例。部分代码如下所示：

3 结束语

MemberBRSol是一款高效的简支梁檩条动力响应求解工具。能够实现爆炸冲击荷载作用下檩条的变形计算，并输出各时刻的位移、速度、加速度等数据。该工具不仅能为工程结构抗爆设计提供便捷、有效的解决途径，还能提高设计人员的作业效率，创造出良好的社会经济效益。

[1]SH / T 3160—2009，石油化工控制室抗爆设计规范[S].

[2]俞海洪， 周世光. 单自由度抗爆结构的非线性动力响应分析[J]. 化工与医药工程， 2013， 34（3）：43-47.

[3]周世光.石油化工钢结构抗爆墙选型与优化[D].同济大学，2014.

[4]郭兴峰，廖建军，周明辉.Visual Basic 2005程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[5]陈志泊. 面向对象的程序设计语言——C++[M]. 北京：人民邮电出版社，2007.

[6]周世光. 混凝土抗爆墙防护性能的改进[J]. 安全与环境学报，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，工程师，主要从事结构设计及软件开发工作。