1、例題3 鋼框架結構分析及優化設計例題.鋼框架結構分析及優化設計概要本例題通過某六層帶斜撐的鋼框架結構來介紹midas Gen的優化設計功能。midas Gen提供了強度優化和位移優化兩種優化方法。強度優化是指在滿足相應規范的強度要求條件下，求出最小構件截面，即以結構重量為目標函數的優化功能。位移優化是針對鋼框架結構，在強度優化設計前提下，增加了以側向位移為約束條件的自動設計功能。本文主要講述強度優化設計功能。此例題的步驟如下:1. 簡介2. 建立模型并運行分析3. 設置設計條件4. 鋼構件截面驗算及設計5. 鋼結構優化設計1.簡介本例題介紹midas Gen的優化設計功能。例題模型為帶斜撐的六

2、層鋼框架結構。(該例題數據僅供參考) 基本數據如下：Ø 軸網尺寸：見圖2Ø 柱: HW 200x204x12/12Ø 主梁：HM 244x175x7/11Ø 次梁：HN 200x100x5.5/8Ø 支撐：HN 125x60x6/8Ø 鋼材： Q235Ø 層高：一層 4.5m 二六層 3.0mØ 設防烈度：8º（0.20g）Ø 場地： II類Ø 設計地震分組：1組Ø 地面粗糙度；AØ 基本風壓：0.35KN/m2；Ø 荷載條件：1-5層樓面，恒荷載 4.0

3、KN/m2，活荷載2.0KN/m2 ；6層屋面，恒荷載 5.0KN/m2，活荷載1.0KN/m2；1-5層最外圈主梁上線荷載4.0KN/m；6層最外圈主梁上線荷載1.0KN/m；Ø 分析計算考慮雙向風荷載，用反應譜分析法來計算雙向地震作用圖1 分析模型圖2 結構平面圖 圖3 ，軸線立面圖 圖4 ，軸線立面圖 圖5 ，軸線立面圖 圖6 ，軸線立面圖2.建立模型并運行分析建立模型并進行分析運算。1. 主菜單選擇 特性>材料>材料特性值： 添加材料號：1； 名稱：Q235； 規范：GB03(S) ；數據庫：Q235； 材料類型：各向同性。2. 主菜單選擇 特性>截面>

4、;截面特性值：添加：添加梁、柱截面尺寸。3. 主菜單選擇 結構>建模助手>基本結構>框架: 利用建模助手建立框架梁輸入：添加x坐標，距離2.5，重復6； 添加z坐標，距離4，重復3；編輯： Beta角90度，材料選擇Q235，截面選擇主梁截面，生成框架；插入：插入點，0，0，0；Alpha，-90。4. 運用選擇及拖放操作，將次梁截面賦予模型。5. 主菜單選擇 節點/單元>單元>擴展：建立框架柱擴展類型：節點->線單元；單元類型 ：梁單元；材料： Q235；截面：柱截面；輸入復制間距：dz=-4.5；選擇生成柱的節點，建立框架柱。6. 主菜單選擇 節點/單元

5、>單元>建立單元：建立支撐單元類型：桁架單元；材料：Q235；截面：支撐截面。7. 主菜單選擇 結構>建筑>控制數據>復制層數據: 復制次數：5；距離：3，添加；在模型窗口中選擇要復制的單元。8. 主菜單選擇 結構>建筑>控制數據>定義層數據>生成層數據: 點擊生成層數據。9. 主菜單選擇 邊界>邊界>一般支承: 定義邊界條件在模型窗口中選擇柱底邊界節點，勾選D-ALL、R-ALL10. 主菜單選擇 荷載>靜力荷載>建立荷載工況>靜力荷載工況: DL：恒荷載；LL：活荷載；WX：風荷載；WY：風荷載。11. 主

6、菜單選擇 荷載>靜力荷載>結構荷載/質量>自重：添加自重 荷載工況：DL；自重系數：Z=-1。12. 主菜單選擇 荷載>靜力荷載>初始荷載/其它>分配樓面荷載 >定義樓面荷載類型：定義樓面荷載名稱：樓面荷載：DL -4.0，LL -2.0，添加；屋面荷載：DL -5.0，LL -1.0，添加。13. 主菜單選擇 荷載>靜力荷載>初始荷載/其它>分配樓面荷載 >分配樓面荷載：樓面荷載類型：樓面荷載；分配模式：雙向；荷載方向：整體坐標系Z；復制樓面荷載：方向Z，距離43；在模型窗口指定加載區域節點。14. 主菜單選擇 荷載>靜

7、力荷載>梁荷載>連續：荷載工況：DL； 選擇：添加；荷載類型：均布荷載；荷載作用單元：兩點間直線；向：整體坐標系Z；數值：W=-4；復制荷載：方向Z，距離43。15. 重復步驟13和14輸入屋面荷載及梁單元荷載。16. 主菜單選擇 荷載>靜力荷載>橫向荷載>風荷載：添加X方向風荷載荷載工況：WX；風荷載設計標準： GB50009-2012； 地面粗糙度：A；基本風壓：0.35；地形修正系數：1；阻尼比：0.02；結構振型系數：查表法其它數據使用默認值；基本周期：自動計算（特征值分析后，輸入結構真實周期）風荷載方向系數：X軸方向系數1，Y軸方向系數 0。17. 重復

8、步驟16，輸入Y向風荷載WY，注意此時風荷載方向系數X軸方向系數0，Y軸方向系數1。18. 主菜單選擇 荷載>地震作用>反應譜數據>反應譜函數 添加反應譜函數:設計反應譜：GB50011-2010；設計地震分組：1；地震設防烈度：8º（0.20g）；場地類別：；地震影響：多遇地震；阻尼比：0.02(本例取0.02)。19. 主菜單選擇 荷載>地震作用>反應譜數據>反應譜：特征值分析控制>頻率數量（振型數）：6； 振型組合方法：CQC；反應譜荷載工況名稱：Rx (Ry)；地震角度：0º(90º)。20. 主菜單選擇 結構&g

9、t;類型>結構類型：定義結構類型結構類型：3-D (三維分析)；將結構的自重轉換為質量：轉換到X、Y (地震作用方向)。21. 主菜單選擇 荷載>靜力荷載>結構荷載/質量>節點質量>荷載轉換成質量：質量方向：X，Y；荷載工況：DL (LL)；組合系數：1.0 (0.5)。22. 主菜單選擇 分析>運行>運行分析：進行分析計算。3.設置設計條件按規范的要求進行設計。1. 主菜單選擇 結果>組合>荷載組合：添加荷載組合一般組合：用于查看內力變形等，一般組合中有包絡組合；鋼結構設計：用于設計組合；設計規范：GB50017-03；點擊自動生成。2.

10、 主菜單選擇 設計>通用>一般設計參數>定義結構控制參數：設計類型 ：三維；由程序自動計算“計算長度系數” ：若勾選則按GB50017-03附錄D的公式自動計算，否則須由設計者手動輸入計算長度系數。 圖7 定義結構控制參數 3. 主菜單選擇 設計>通用>一般設計參數>指定構件：分配類型：自動；選擇類型：全部；當梁單元被其它節點分割成幾部分時，需由程序指定構件來定義梁單元在強軸作用平面內的自由長度。4. 主菜單選擇 設計>通用>一般設計參數>編輯構件類型：定義框架梁、框架柱、支撐。 選項：添加/替換；構件類型：梁；梁：框架梁；同樣方法定義柱和

11、支撐構件。5. 主菜單選擇 設計>設計>鋼構件設計>設計規范：設計標準：GB50017-03；勾選考慮抗震；選擇抗震設防烈度：8度。圖8 設計標準 6. 主菜單選擇 設計>設計>鋼構件設計>編輯鋼材: 編輯鋼材規格等圖9 編輯鋼材特性7. 主菜單選擇 設計>設計>鋼構件設計>等效臨界彎矩系數：該系數用于計算梁的整體穩定系數，可由程序計算。當有些特殊構件需由設計者指定時，直接輸入梁的等效彎矩系數即可。4.鋼構件截面驗算及設計根據設計結果對桿件截面進行調整1. 主菜單選擇 設計>鋼構件設計>鋼構件驗算>鋼構件驗算：鋼構件截面驗

12、算注：在“特征值”排序下，“圖形結果”和“詳細結果”中所顯示的桿件為本組特征值中應力比最大的。如果想查看指定桿件的結果，在排序中選擇“構件”圖10 鋼構件驗算在選擇項勾選某個單元，再勾選連接模型空間，在模型空間可以看到被選擇的單元，點選“圖形結果”以圖形方式輸出驗算結果，點選“詳細結果”以文本文件輸出詳細結果。2. 修改未通過驗算的桿件在截面驗算對話框中，選擇未通過驗算的截面（柱和支撐），點擊“修改”，彈出“修改鋼材的材料特性和截面”對話框。選擇截面數據庫及截面形狀，設置規格限定條件（0為搜索所有規格），限定“極限驗算比”范圍，搜索合適的截面，在滿足要求的截面中選擇合適的截面。注：有時放寬“極

13、限驗算比”的下限，可能會搜索到令工程師更為滿意的截面。圖11 修改桿件截面通過“收索適合截面”選擇面積最小的截面HW 250x250x9/14（柱），H M 194x150x6/9（支撐），點擊“修改”確定將要替換的截面，點擊“關 閉”回到“截面驗算對話框”，點擊“更新”，彈出更新截面特性對話框。 選擇修改后的截面，點擊更新模型中的相關截面，并重新進行分析計 算。如仍有未通過驗算的截面，則重復步驟1、2直至所有截面均通過驗算， 滿足強度和長細比的要求。5.鋼結構優化設計1. 主菜單選擇 特性>截面>截面特性值 定義新的截面注：1.可在建模時就進行詳細的截面劃分。2截面分組情況需由工

14、程師根據建筑要求、桿件受力情況，結構特點等多方面進行考慮。顯然，桿件截面分組越多，優化設計帶來的收益越大。（但分組太多也會導致優化時間增加，另外截面類型太多也不符合實際情況，因而截面分組應適當）程序提供的優化設計功能是針對特征值截面進行的，如需得到更為優化的設計結果，需在進行鋼結構優化設計（或位移優化設計）之前對要優化的構件進行更為詳細的截面分組。具體操作為添加新截面，并運用拖放等操作將桿件賦予截面。本例題綜合考慮受力等情況，做如下劃分：主梁截面分為兩組：15層的主梁為一組截面；6層屋頂的主梁為一組截面；柱截面分為四組：1層中間四根中柱劃為一組截面；1層的邊柱及角柱劃為一組截面；26層中間四根

15、中柱劃為一組截面；26層的邊柱及角柱劃為一組截面；支撐截面分為三組：1層支撐劃為一組截面；23層支撐劃為一組截面；46層支撐劃為一組截面。圖12 桿件截面分組2. 主菜單選擇 設計>鋼結構設計>鋼構件驗算>鋼結構優化設計：進行鋼構件截面優化設計 圖13 優化設計約束條件：容許：桿件的容許應力比。注：1.“BUILT”為使用程序自動生成的截面數據庫，詳見幫組文件中“鋼結構優化”部分。2.D1、D2的具體含義見幫組文件。數據庫：選擇型鋼數據庫。其中“BUILT”使用程序內置的焊接截面數據庫；“用戶”使用用戶在“用戶定義截面列表”中定義的截面數據庫。（本例題使用“GB-YB”數據庫

16、）。形狀：同建模時輸入的構件形狀，也可修改截面形狀。D1、D2、D3：對截面尺寸進行限定。此處輸入0，則搜索所有截面。勾選要優化的截面，或選擇所有截面進行優化。分析選項：輸入反復計算次數。 圖14 優化設計迭代次數板厚數據：在使用“BUILT”據庫時，焊接截面所使用的鋼板厚度數據庫在此定義。圖15 自定義截面所使用的板厚柱截面設計：軸力和彎矩：選擇滿足指定條件的構件，指定條件指軸力（必需的軸向強度）和彎矩（必需的抗彎強度）產生的組合應力（強度）在容許應力比范圍內（在容許（圖13）中設置的容許強度比）。僅有軸力： 選擇滿足指定條件的構件，指定條件指軸力（必需的軸向強度）在容許應力比范圍內?？紤]柱

17、軸向變形的影響，可以只對軸力進行優化。因為若選擇按彎矩優化，由于高層建筑各柱的彈性壓縮量不同，與柱相連的梁構件會因柱彈性壓縮引起附加彎矩，隨之柱端也會產生附加彎矩，將會出現越是上部柱構件其截面越大的現象。為了能正確反映各柱的彈性壓縮量的差異，選擇按軸力優化的方法，使各柱的彈性壓縮量趨于相等。施加的軸力和彎矩：選擇軸力組合柱連接方法：選擇外緣尺寸。圖16 柱優化設計的兩條限定條件用戶定義截面列表：當截面數據庫選擇“用戶”時，在此定義用戶數據庫，具體格式詳見幫助文件。按 進行優化設計3. 鋼結構優化設計結果輸出：可以通過文本格式及圖形格式來查看桿件應力、桿件重量、結構整體重量等數據在優化設計過程中

18、的變化情況及最后結果。注：優化設計是以滿足設計強度為前提進行的，所以在優化設計之后應該對優化后的結果進行使用性能驗算。包括撓度、風荷載和地震作用下的水平位移、層間位移驗算等。具體方法在其他技術文檔已有講解，本文不在贅述。 圖17 優化設計的結果4. 更新模型：點擊“更新分析模型”即可將優化設計所求得的桿件截面賦給模型。再次進行分析和驗算，對個別不符合要求的截面或者應力比過小的截面單獨進行調整，便完成了整個優化設計。優化設計前后結果對比截面優化前優化后1-5層主梁HM 244x175x7/11HN 250x125x6/96層主梁HM 244x175x7/11HN 250x125x6/91層中柱HW 250x250x9/14HM 340x250x9/141層邊柱HW 250x250x9/14HW 250x250x9/142-6層中柱HW 250x250x9/14HW 250x250x9/142-6層邊柱HW 250x250x9/14HW 175x175x7.5/111層支撐HM 194x