AutoCAD计算截面面积、惯性矩

AUTOCAD计算功能简介及应用

用AUTOCAD求面积、几何质（形）心、质心惯性矩等部分计算功能，并举例说明这些计算功能与EXCEL等软件相结合，能够快速而精确地完成水工建筑物稳定性等的计算。

1前言

在水利水电工程设计中，时常要对水电站厂房、大坝的结构稳定性及其地基面垂直应力等进行计算，然而计算时必须要知道结构自身的重心、重量，以及外力的作用点、基础接触面惯性矩等。如果截面为规则的几何图形，这些量的计算就比较容易；若为不规则，则计算比较烦琐，以前常用的方法是分块求和或积分，既不方便，又耗时。上述这些量值若在Auto cad中，用Auto cad的面积、几何质（形）心、质心惯性矩等计算功能计算是非常容易的。

2 Auto cad计算功能和操作技巧

2．1 计算功能介绍

对于规则的几何多边形，如图1（a）所示一个4m×2m的长方形，其面积A、形心O（X，Y）、形心轴惯性矩I，很容易算出，有的甚至口算也可算出，即面

积A＝8m2，形心O（1，2），形心惯性矩I

x1＝10．67m4，I

y1

＝2．67m4，但对如图

1（b）所示的不规则多边形，就不可能套用现成的计算公式来计算。过去通常的方法是，面积可分块求和，形心和形心轴惯性矩则分别按式（1）和式（2）［1］来求。

式中X、Y———分别为多边形形心O的x和y坐标；

x、y———分别为多边形中某点距形心x

1轴和y

1

轴的距离；

A

i

———不规则多边形中第i个规则多边形的面积；n———组合成不规则多边形中规则多边形的总个数；i———某个规则多边形；

I x1、I

y1

———分别是形心x

1

轴和y

1

轴的惯性矩。

图1（b）用Auto cad的计算功能可得面积A＝18．28m2，形心o（3．2，2．0），

惯性矩I

x1＝26．28m4、I

y1

＝42．52m4。

虽然按式（1）和（2）能够计算出多边形的形心和形心惯性矩，但速度较慢。设计工程师皆知，现在每项设计周期都很短，尤其是在设计前期的优化阶段，建筑结构的几何尺寸前后变化较大，多次重复计算的工作量必然成倍增加。例如，设计一座混凝土重力坝，在坝体体形优化过程中，不仅坝体自重、重心会发生变化，外力荷载也会跟随发生变化，如基础接触面变大或变小以及防渗措施的改变，基础接触面扬压力的大小和合力的作用点都会发生变化，若每变化一次就用式（1）计算一次，太费时间，如利用Auto cad的计算功能，即可轻松而快捷、准确地得到。图2是某混凝土重力坝扬压力作用图。应用Auto cad面积和形心计算功能，即可得扬压力U＝676t／m，作用点离坝踵12．572 8m。主要步骤如下：（1）打开Draw（画图）菜单，用Region（区域）命令把多边形abcde定义成一个Region，即形成一个Object；

（2）打开Tools（工具）菜单，再打开Inquiry（查询）菜单，用Mass properties （块特性）命令，点击abcde这个物体，即出现如下一段文字：

其中，Area（面积）676．000就是多边形abcde的面积，此处即是作用在基础面单位长度上的扬压力；Centroid（质心）X坐标12．572 8即是扬压力作用点

离坝踵的水平距离。

Auto cad也有体积和三维重心计算功能。图3是一个三维实体混凝土重力坝坝段，用Mass Properties命令得出的重心坐标为（9．14，15．58，7．50），体积为9 286．80m3。具体操作步骤如下：

（1）用Region命令把图2坝体横剖面轮廓线和孔洞（如排水廊道）分别定

义成闭合的Region；

（2）打开Draw（画图）菜单，再打开Solids（实体）菜单，点击Extrude （突出）命令，然后选择上一步所形成的Regiones，沿Z轴方向突出15m，即可各自形成独立的三维体；

（3）打开Modify（修改）菜单，再打开Boolean（布朗运算）菜单，点击Subtract（减去）命令，依次点击上述三维实体，即可得到图3中的三维实体；

（4）用Mass Properties命令可得该坝段的重心和体积。此功能在计算中应用不多，原因是Auto cad没有由面组成实体的功能，所以许多复杂的三维实体在Auto cad中无法形成。

2．2 操作技巧

要用好上述这些计算功能，需要操作上的技巧。如在计算图2的混凝土重力坝的抗滑稳定性和地基面垂直应力时，应将a点即多边形左边最下角点移至（0，0）点，绘图中的“1”个单位代表长度“1m”或“1m”水头，如此得出的数据可避免一些不必要的单位换算或加减计算。又如用Auto cad的面积计算功能计算如图4所示的开挖剖面面积时，首先从绘制好的开挖图中取出开挖轮廓线，可是这些开挖轮廓线，看似成一个闭合的Loops（环），但用Region命令却生成不了一个Region。解决此问题的方法为，首先打开Draw（画图）菜单，点击boundary 菜单，会出现Boundary Creation对话框（见图5），把对话框中Object type 设置为Region，然后点击PickPoints按钮，紧接着拖动鼠标在开挖轮廓线内任一处点击一次，即可产生一个闭合的Region；若此法不行（只有极少数情况），可用Polyline线沿开挖轮廓线走一圈，再用Region命令，百分之百形成一个闭合的Region。用此方法只需5分钟即可算出该开挖剖面面积为3 138．7m2。

另外，要注意绘图比例。若绘图比例不是1∶1000，要得出长度以m、面积以m2和形心惯性矩以m4为单位的结果，那么用Mass Properties命令得出的长度、面积和形心惯性矩值分别要除以（1000×比例尺）、（1000×比例尺）2和（1000×

比例尺）4。

3 实际应用

混凝土重力坝的自重和质心用Auto cad来计算相对比较简单，现以水电站厂房的整体稳定计算来说明这种方法的可靠性、准确性和高效性。

3．1 工程概况

石泉水电站二期工程厂房为岸边式，其上部为封闭式混凝土结构，机组段长18m，房顶高程388．5m，地基面高程347．18m，厂房整体结构见图6。厂房下游校核洪水位387．5m，设计洪水位382．5m，正常尾水位363．7m。地基面允许压应力为6 000kN／m2，地基接触面允许拉应力小于100kN／m2。由于厂房下游尾水位较高，因此要求分析厂房的整体稳定性。

3．2 稳定分析计算

用文献［2］指定的有关公式计算厂房的抗滑安全系数、抗浮安全系数和地基面垂直应力，首要的也是较麻烦的工作就是计算出建筑物自身的重力和质心。