midas Gen-鋼結構優(yōu)化分析及設計

1、鋼框架結構分析及優(yōu)化設計1n/iiD/I例題鋼框架結構分析及優(yōu)化設計例題.鋼框架結構分析及優(yōu)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midasGen的優(yōu)化設計功能。midasGen提供了強度優(yōu)化和位移優(yōu)化兩種優(yōu)化方法。強度優(yōu)化是指在滿足相應規(guī)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(shù)的優(yōu)化功能。位移優(yōu)化是針對鋼框架結構，在強度優(yōu)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(yōu)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(yōu)化設計231. 簡介本例題介紹midasGen

2、的優(yōu)化設計功能。例題模型為帶斜撐的六層鋼框架結構。(該例題數(shù)據(jù)僅供參考)基本數(shù)據(jù)如下：> 軸網(wǎng)尺寸：見圖2> 柱：HW200x204x12/12> 主梁：HM244x175x7/11> 次梁：HN200x100x5.5/8> 支撐：HN125x60x6/8> 鋼材：Q235> 層高：一層4.5m二六層3.0m> 設防烈度：8°(0.20g)> 場地：II類> 設計地震分組：1組> 地面粗糙度；A> 基本風壓：0.35KN/m2；> 荷載條件：1-5層樓面，恒荷載4.0KN/m2,活荷載2.0KN/m2；6層

3、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；> 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，沏0旳0,.旳02500,2預r>25004j,j->(D®®圖2結構平面圖/,AA八A/A/A/AVNA沖'I-.圖3軸線立面圖1/AA7/AAAA人/N圖5，©軸線立面圖圖4，軸線立面圖圖6Q,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(guī)范：GB03

4、(S)；數(shù)據(jù)庫：Q235；材料類型：各向同性。2.主菜單選擇特性截面截面特性值：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(jié)點/單元單元擴展：建立框架柱擴展類型：節(jié)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(jié)點，建立框架柱。6. 主菜單選擇節(jié)點/單

5、元單元建立單元：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(shù)據(jù)復制層數(shù)據(jù):復制次數(shù)：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(shù)據(jù)定義層數(shù)據(jù)生成層數(shù)據(jù):點擊生成層數(shù)據(jù)。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(jié)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(shù)：Z=-l。12. 主菜單選擇荷載靜力荷載初始荷載/其

6、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(qū)域節(jié)點。14.主菜單選擇荷載靜力荷載梁荷載連續(xù)：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(shù)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

7、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(shù)：1；阻尼比：0.02；結構振型系數(shù)：查表法其它數(shù)據(jù)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(shù)：X軸方向系數(shù)1,Y軸方向系數(shù)0。17. 重復步驟16，輸入Y向風荷載WY，注意此時風荷載方向系數(shù)X軸方向系數(shù)0，Y軸方向系數(shù)1。18. 主菜單選擇荷載地震作用反應譜數(shù)據(jù)反應譜函數(shù)添加反應譜函數(shù):設計反應譜：GB50011-2010；設計地震分組：1；地震設防烈度：8°（0.20g）；場地類別：11；地震影響：多遇地震；阻尼比：0

8、.02（本例取0.02）。19. 主菜單選擇荷載地震作用反應譜數(shù)據(jù)反應譜：特征值分析控制頻率數(shù)量（振型數(shù)）：6；振型組合方法：CQC；反應譜荷載工況名稱：Rx（Ry）；地震角度：0°（90°）。20. 主菜單選擇結構類型結構類型：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(jié)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(shù)：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(guī)范的要求進行設計。1.主菜單選擇結果組合荷載組

9、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(guī)范：GB50017-03；點擊自動生成。2. 主菜單選擇設計通用一般設計參數(shù)定義結構控制參數(shù):設計類型：三維；由程序自動計算“計算長度系數(shù)”：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(shù)。圖7定義結構控制參數(shù)3. 主菜單選擇設計通用一般設計參數(shù)指定構件：分配類型：自動；選擇類型：全部；當梁單元被其它節(jié)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(shù)編輯構件類型定義框架梁、框架柱、支撐。選項：添

10、加/替換；構件類型：梁；梁：框架梁；同樣方法定義柱和支撐構件。5. 主菜單選擇設計設計鋼構件設計*設計規(guī)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林編輯鋼材規(guī)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(shù)：該系數(shù)用于計算梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，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(shù)即可。4. 鋼構件截面驗算及設計根據(jù)設計結果對桿件截面進行調整注：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

11、，在排序中選擇“構件”1.主菜單選擇設計鋼構件設計鋼構件驗算鋼構件驗算：鋼構件截面驗算GE5OT17-D3琶01益茸吋話枉爲|訃訂標;CCCC0170：羊位：kB,ii.卅宅枸節(jié)|ICHUEMBSECT址泮KGOMSHRM+4FyOK3571r匡主聲，HM244x175x70.5酣D.2陽Q235235CWCIK2r百層主HM2x17Sx7/l0.518J.279Q235235G&0OKZ13廠1層中柱,HW25QK25013'0.73I0J31Q235Z35QQ0OK314r1S24£.HW25Qk25(W0.777Q2352S5GOOOK駅5r上£層中社

12、HV/2E(h£25ftx0.653&74Q23&2a50&0OK111裁r上另層邊梓Z5QA25O10.4970.019Q235ZJ3QOTOK1S7rHM194x1EOxM0,fi71DJOGQ23EaasG&oK953r23層支揑,HM104m1»xS0.507LOOT02352J5G&0OK2619rM層支摧,Hhl191X150X00.3®0.000Q235Z35QfOOIC441Qr.HN2*3x124x30.4530.231023523fiaw倉特性值隱改更新洼議旦叵畫|t-.-'全選I解晾迭擇I鞠計算

13、圖鬼結果詳細結果簡要結杲I關閉圖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(shù)據(jù)庫及截面形狀，設置規(guī)格限定條件（0為搜索所有規(guī)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。單位：m注：有時放寬“極限驗算比”的下限，可能會搜索到令工程師更為滿意的截面。苗茴號.600相同tw（J00a匚鋁同m000相同t

14、fE0'6j到1打即全耐腔值就到從到CHK選擇LCBCOMSHRHB面祖1500x1616.20OKrJ.-J470.9360.M2OSOGO:ul50xt66M2.51QKr47Q.82B0.0020.5600046600.U135k5W)Ml6114/20OK*470.9920.002O&QCH)0.16C0MNUK47QWO.DOZDJ4Do.taso0.008&HM254x2006/12OK470.853OtM)?0ED&20000&073輛296xtWx7/11OK470.S960C：20.3960O.t9S0D0D72HWmx2WxW12K陽

15、0.S27D.0Q2D20000.20400QD72HP20Cx2C4x12/12OK47".韌Q.0O2DJOOD0200Q-M72HW200x200'12OKo470.9040.W30_MMC.20CCD.GD&4排降為廈麺*斑匚跚幵卻鏈瞬圖11修改桿件截面通過“收索適合截面”選擇面積最小的截面HW250x250x9/14（柱），HM194x150x6/9（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

16、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(yōu)化設計注：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程師根據(jù)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(yōu)化設計帶來的收益越大。（但分組太多也會導致優(yōu)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）1.主菜單選擇特性截面截面特性值定義新的截面程序提供的優(yōu)化設計功能是針對特征值一截面進行的，如需得到更為優(yōu)化的設計結果，需在進行鋼結構優(yōu)化設計（或位移優(yōu)化設計）之前對要優(yōu)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

17、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?shù)闹髁簽橐唤M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。樹4X確琢爼M34耳工作0沽析揑制埶據(jù)腎特1止值另析L孌型，持1止值問里薛結枸i用畀樓層T:節(jié)爭2CS白“羊云4E6祐架羊兀：yt梁單元：390nB特怛值0-B村料:1&-I徽面:1CI1:亡層主冥I2渥主欒工3i層中掛I1礙拄I口2已層中柱IbI7眉支翟IRI9L-E層

18、主擺IE1次梁曰邊界殺件©卓支漱：16+円荷裁擷偽責里：20L薛力荷載圖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(yōu)化設計：進行鋼構件截面優(yōu)化設計的廿L-iHapa-11;f；-r-注：1. “BUILT”為使用程序自動生成的截面數(shù)據(jù)庫，詳見幫組文件中“鋼結構優(yōu)化”部分。2. D1、D2的具體含義見幫組文件。扳庫甘4£杞詡iH涯計用戶就如壞關鹵圖13優(yōu)化設計約束條件：容許：桿件的容許應力比。數(shù)據(jù)庫：選擇型鋼數(shù)據(jù)庫。其中“BUILT”使用程序內置的焊接截面數(shù)據(jù)庫；“用戶”使用用戶在“用戶定義截面列表中定義的截面數(shù)據(jù)庫。（本例題使用“GB-YB”數(shù)據(jù)庫）。

19、形狀：同建模時輸入的構件形狀，也可修改截面形狀。DI、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(yōu)化的截面，或選擇所有截面進行優(yōu)化。分析選項：輸入反復計算次數(shù)。亙豆一-苒文：加n圖14優(yōu)化設計迭代次數(shù)板厚數(shù)據(jù)：在使用“BUILT”據(jù)庫時，焊接截面所使用的鋼板厚度數(shù)據(jù)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(chǎn)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。

20、考慮柱軸向變形的影響，可以只對軸力進行優(yōu)化。因為若選擇按彎矩優(yōu)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(chǎn)生附加彎矩，將會出現(xiàn)越是上部柱構件其截面越大的現(xiàn)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(yōu)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。磅認取消tiUQuT1組臺柱連接方迭:內境尺寸：外嫌尺寸圖16柱優(yōu)化設計的兩條限定條件用戶定義截面列表：當截面數(shù)據(jù)庫選擇“用戶”時，在此定義用戶數(shù)據(jù)庫，具體格式詳見幫助文件。按進行優(yōu)化設計3.鋼結構優(yōu)化設計結果輸出：可以通過文本格式及圖形格式來查

21、看桿件應力、桿件重量、結構整體重量等數(shù)據(jù)在優(yōu)化設計過程中的變化情況及最后結果。注：優(yōu)化設計是以滿足設計強度為前提進行的，所以在優(yōu)化設計之后應該對優(yōu)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(yōu)化設計的結果4. 更新模型：點擊“更新分析模型”即可將優(yōu)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(yōu)化設計。優(yōu)化設計前后結果對比截面優(yōu)化前優(yōu)化后1-5層主梁HM244x175x7/11HN250x125x6/96層主梁HM244x175x7/11HN250x125x6/91層中柱HW250x250x9/14HM340x250x9/