MIDAS应用之钢框架结构及优化设计

例题3钢框架结构分析及优化设计例题.钢框架结构分析及优化设计概要本例题通过某六层带斜撑的钢框架结构来介绍MIDAS/Gen的优化设计功能。MIDAS/Gen提供了强度优化和位移优化两种优化方法。强度优化是指在满足在相应规范要求的强度下，求出最小构件截面，即以结构重量为目标函数的优化功能。位移优化是针对钢框架结构，在强度优化设计前提下，增加了以侧向位移为约束条件的自动设计功能。本文主要讲述强度优化设计功能。此例题的步骤如下:简要建立及分析模型设置设计条件钢构件截面验算及设计钢结构优化设计1.简要本例题介绍MIDAS/Gen的优化设计功能。例题模型为带斜撑的六层钢框架结构。(该例题数据仅供参考)基本数据如下：HW200x204x12/12HM244x175x7/11次梁：HN200x100x5.5/8支撑：HN125x60x6/8Q235一层4.5m二～六层3.0m设防烈度：8º（0.20g）场地：II类设计地震分组：1组地面粗糙度；A基本风压：0.35KN/m2；荷载条件：1-5层楼面，恒荷载4.0KN/m2，活荷载2.0KN/m2；6层屋面，恒荷载5.0KN/m2，活荷载1.0KN/m2；1-5层最外圈主梁上线荷载4.0KN/m；6层最外圈主梁上线荷载1.0KN/m；分析计算考虑双向风荷载，用反应谱分析法来计算双向地震作用图1分析模型图2结构平面图图3①，③轴线立面图图4①，④轴线立面图图5eq\o\ac(○,B)，eq\o\ac(○,C)轴线立面图图6eq\o\ac(○,A)，eq\o\ac(○,D)轴线立面图2.建立及分析模型建立模型并进行分析运算。主菜单选择模型>材料和截面特性>材料：添加材料号：1；名称：Q235；规范：GB03(S)；数据库：Q235；材料类型：各向同性。主菜单选择模型>材料和截面特性>截面：添加：添加梁、柱截面尺寸。主菜单选择模型>结构建模助手>框架:利用建模助手建立梁框架输入：添加x坐标，距离2.5，重复6；添加y坐标，距离4，重复3；编辑：Beta角90度，材料选择Q235，截面选择主梁截面，生成框架；插入：插入点，0，0，0；Alpha，-90。运用选择及拖放操作，将次梁截面赋予模型。主菜单选择模型>单元>扩展：建立框架柱扩展类型：节点—>线单元；单元类型：梁单元；材料：Q235；截面：柱截面；输入复制间距：dz=-4.5；选择生成柱的节点，建立框架柱。主菜单选择模型>单元>建立：建立支撑单元类型：桁架单元；材料：Q235；截面：支撑截面。主菜单选择建筑物数据>复制层数据:复制次数：5；距离：3，添加；在模型窗口中选择要复制的单元。主菜单选择建筑物数据>生成层数据:点击生成层数据。主菜单选择模型>边界条件>一般支承:定义边界条件在模型窗口中选择柱底嵌固点。主菜单选择荷载>静力荷载工况:建立荷载工况DL：恒荷载；LL：活荷载；WX：风荷载；WY：风荷载。主菜单选择荷载>自重：添加自重荷载工况：DL；自重系数：Z=－1。主菜单选择荷载>定义楼面荷载类型：定义楼面荷载名称：楼面荷载：DL4.0，LL2.0，添加；屋面荷载：DL5.0，LL1.0，添加。主菜单选择荷载>分配楼面荷载：楼面荷载类型：楼面荷载；分配模式：双向；荷载方向：整体坐标系Z；复制楼面荷载：方向Z，距离4@3；在模型窗口指定加载区域节点。主菜单选择荷载>连续梁单元荷载：荷载工况：DL；选择：添加；荷载类型：均布荷载；荷载作用单元：两点间直线；向：整体坐标系Z；数值：W=-4；复制荷载：方向Z，距离4@3。重复步骤13和14输入屋面荷载及梁单元荷载。主菜单选择荷载>横向荷载>风荷载：添加X方向风荷载荷载工况：WX；风荷载设计标准：GB50009-2001；基本风压：3.5；阻尼比：0.02；其它数据使用默认值；风荷载方向系数：X轴方向系数1，Y轴方向系数0。重复步骤1，输入Y向风荷载WY，注意此时风荷载方向系数X轴方向系数0，Y轴方向系数1。主菜单选择荷载>反应谱分析数据>反应谱函数>：添加反应谱函数:设计反应谱：GB50011-2001；设计地震分组：1；地震设防烈度：8º（0.20g）；场地类别：Ⅱ；地震影响：多遇地震；阻尼比：0.02。主菜单选择荷载>反应谱分析数据>反应谱荷载工况：特征值分析控制>频率数量（振型数）：6；振型组合方法：CQC；反应谱荷载工况名称：Rx(Ry)；地震角度：0º(90º)。主菜单选择模型>结构类型：定义结构类型结构类型：3-D(三维分析)；将结构的自重转换为质量：转换到X、Y(地震作用方向)。主菜单选择模型>质量>将荷载转换成质量：质量方向：X，Y；荷载工况：DL(LL)；组合系数：1.0(0.5)。主菜单选择分析>运行分析：进行分析计算。3.设置设计条件按规范的要求进行设计。主菜单选择结果>荷载组合：添加荷载组合一般组合：用于查看内力变形等，一般组合中有包络组合；钢结构设计：用于设计组合；设计规范：GB50017-03；点击自动生成。主菜单选择设计>一般设计参数>定义计算长度系数：设计类型：三维；由程序自动计算“计算长度系数”：若勾选则按GBJ17-88附录四的公式自动计算，否则须由设计者直接输入计算长度系数。图7定义计算长度系数主菜单选择设计>一般设计参数>指定构件：分配类型：自动；选择类型：全部；当梁单元被其它节点分割成几部分时，需由程序指定构件来定义梁单元在强轴作用平面内的自由长度。主菜单选择设计>一般设计参数>编辑构件类型：定义框架梁、框架柱、支撑。选项：添加/替换；构件类型：梁；梁：框架梁；同样方法定义柱和支撑构件。主菜单选择设计>钢构件设计参数>设计标准：设计标准：GB50017－03；勾选考虑抗震；选择抗震设防烈度：8度。图8设计标准主菜单选择设计>钢构件设计参数>编辑钢材:编辑钢材规格等图9编辑钢材特性主菜单选择设计>钢构件设计参数>编辑梁的等效弯矩系数：该系数用于计算梁的整体稳定系数，可由程序计算。当有些特殊构件需由设计者指定时，直接输入梁的等效弯矩系数即可。4.钢构件截面验算及及设计通过设计结果对杆杆件截面进行行调整主菜单选择设计计>钢构件截面面验算：钢构构件截面验算算注：在注：在“特征值”排序下，“图形结果”和“详细结果”中所显示的杆件为本组特征值中应力比最大的。如果想查看指定杆件的结果，在排序中选择“构件”图10钢构件验算在选择项勾选某个个单元，再勾勾选连接模型型空间，在模模型空间可以以看到被选择的单元，点选“图形结果”以图形方式式输出验算结结果，点选“详细结果”以文本文件输出详详细结果。修改未通过验算的的杆件在截面验算对话框框中，选择未未通过验算的的截面（柱和和支撑），点击“修改”，弹出“修改钢材材的材料特性性和截面”对话框。选选择截面数据据库及截面形状，设置规格格限定条件（0为搜索所有有规格），限限定“极限验算比”范围，搜索合适的截截面，在满足足要求的截面面中选择合适适的截面。注：有时放宽“极限验算比注：有时放宽“极限验算比”的下限，可能会搜索到令工程师更为满意的截面。图11修改杆件截面面此处选择面积最小小的截面HWW250xx250x99/14（柱），HM1944x150xx6/9（支撑），点击“修改改”确定将要替替换的截面，点击“关闭”回到“截面验算对话框”，点击击“更新”，弹出更新截截面特性对话话框。选择修修改后的截面，点击更新模型型中的相关截截面，并重新新进行分析计计算。如仍有有未通过验算的截面，则重重复步骤1、2直至所有截截面均通过验验算，满足强强度和长细比的要求。5.钢结构优化设计主菜单选择模型型>材料和截面面特性>截面:添加新的截截面注：1.可在建模时就进行详细的截面划分。2．截面分组情况需由工程师根据建筑要求、杆件受力情况，结构特点等多方面进行考虑。显然，杆件截面分组越多，优化设计带来的收益越大。程序提供的优化设设计功能是针针对特征值——截面进行的的，如需得注：1.可在建模时就进行详细的截面划分。2．截面分组情况需由工程师根据建筑要求、杆件受力情况，结构特点等多方面进行考虑。显然，杆件截面分组越多，优化设计带来的收益越大。的设计结果，需在在进行钢结构构优化设计（或或位移优化设设计）之前对对要优化的构件进行更为详详细的截面分分组。具体操操作为添加新新截面，并运运用拖拉等操作将杆件赋予截截面。本例题题综合考虑受力力等情况，做如下下划分：主梁截面分为两组组：1~5层的主梁为为一组截面；；6层屋顶的主梁为一一组截面；柱截面分为四组：：1层中间四根中柱划划为一组截面面；1层的边柱及角柱划划为一组截面面；2~6层中间四根根中柱划为一一组截面；2~6层的边柱及及角柱划为一一组截面；支撑截面分为三组组：1层支撑划为一组截截面；2~3层支撑划为为一组截面；；4~6层支撑划为为一组截面。图12杆件截面分组组主菜单选择设计计>钢结构优化化设计：进行行钢构件截面面优化设计图13优化设计约束束条件：容许：杆件的容许许应力比。注：1.“BUILT”为使用程序自动生成的截面数据库，详见帮组文件中“钢结构优化”部分。2.D1、D2…的具体含义见帮组文件。数据库：选择型钢钢数据库。注：1.“BUILT”为使用程序自动生成的截面数据库，详见帮组文件中“钢结构优化”部分。2.D1、D2…的具体含义见帮组文件。库；“用户”使用用户在“用户户定义截面列列表”中定义的截截面数据库。（本例题使使用“GB-YB”数据库）。形状：同建模时输输入的构件形形状，也可修修改截面形状状。D1、D2、D33…：对截面尺尺寸进行限定定。此处输入入0，则搜索所所有截面。勾选要优化的截面面，或选择所有截截面进行优化化。分析选项：输入反反复计算次数数。图14优化设计迭代代次数板厚数据：在使用用“BUILT”据库时，焊焊接截面所使使用的钢板厚厚度数据库在在此定义。图15自定义截截面所使用的的板厚柱截面设计：轴力和弯矩：选择择满足指定条条件的构件，指指定条件指轴轴力（必需的的轴向强度）和和弯矩（必需需的抗弯强度度）产生的组组合应力（强强度）在容许许应力比范围围内（在容许（图13）中设置的容容许强度比）。仅有轴力：选择满满足指定条件件的构件，指指定条件指轴轴力（必需的的轴向强度）在在容许应力比比范围内。考虑柱轴向变形的的影响，可以以只对轴力进进行优化。因因为若选择按按弯矩优化，由于高层建筑筑各柱的弹性性压缩量不同同，与柱相连连的梁构件会会因柱弹性压缩引起附加弯矩矩，随之柱端端也会产生附附加弯矩，将将会出现越是是上部柱构件其截面越大的现现象。为了能能正确反映各各柱的弹性压压缩量的差异异，选择按轴力优化的方法，使使各柱的弹性性压缩量趋于于相等。施加的轴力和弯矩矩：选择轴力力组合柱连接接方法：选择择外缘尺寸。图16柱优化设设计的两条限限定条件用户定义截面列表表：当截面数数据库选择“用户”时，在此定定义用户数据据库，具体格式详见见帮助文件。按进行优化设计钢结构优化设计结结果输出：可以通过文本格式式及图形格式式来查看杆件件应力、杆件件重量、结构构整体重量等数据在优化设设计过程中的的变化情况及及最后结果。注：优化设计是以满足设计强度为标准进行的，所以在优化设计之后应该对优化后的结果进行使用性能验算。包括挠度、风荷载和地震作用下的水平位移、层间位移验算等。具体方法在其他技术文档已有讲解，本文不在赘述。注：优化设计是以满足设计强度为标准进行的，所以在优化设计之后应该对优化后的结果进行使用性能验算。包括挠度、风荷载和地震作用下的水平位移、层间位移验算等。具体方法在其他技术文档已有讲解，本文不在赘述。图17优化设计计的结果更新模型：点击“更新分析模型”即即可将优化设设计所求得的的杆件截面赋赋给模型。再再次进行分析和验算，对对个别不符合合要求的截面面或者应力比比过小的截面单独独进行调整，便完成了了整个优化设设计。优化设计前后结果果对比截面优化前优化后1-5层主梁HM244x1175x7//11HN250x1125x6//96层主梁HM244x1175x7//11HN250x1125x6//91层中柱HW250x2250x9//14HM340x2250x9//141层边柱HW250x2250x9//14HW250x2250x9//142-6层中柱HW250x2250x9//14HW250x2250x9//142-6层边柱HW250x2250x9//14HW175x1175x7..5/111层支撑HM194x1150x6//9HM194x1150x6//92-3层支撑HM19