基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模

2015.6.5基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模及分析——以喀什體育中心游泳館為例

主要建模流程1.下部混凝土結(jié)構(gòu)建模（PKPM）2.屋蓋鋼結(jié)構(gòu)建模（3D3S）3.將已經(jīng)建好并通過分析的下部混凝土模型和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)模型整合進(jìn)入MIDAS-GEN做整體分析(MIDAS-GEN)基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模屋蓋鋼結(jié)構(gòu)建?；?D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模3D3S建模流程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式、起坡高度、厚度及桿件截面初選荷載布置（恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度和地震作用）荷載組合模型檢查及計(jì)算桿件截面優(yōu)選（空間布置及截面大小）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式、厚度、起坡高度及桿件截面初選

1、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)長寬之比大于1.5時(shí)（喀什體育中心游泳館的長寬比為90/44=2.05），宜采用兩向正交正放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架或者正放抽空四角錐網(wǎng)架。游泳館選用正放四角錐網(wǎng)架。按照柱跨均分為二劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸分別為3.0m和3.5m（豎向網(wǎng)格間距）、3.75m（水平網(wǎng)格間距）。

2、網(wǎng)架的高跨比可取為1/10~1/18，確定網(wǎng)格尺寸時(shí)應(yīng)使相鄰桿件間的夾角大于45度，且不小于30度。游泳館的軸線跨度為44米，網(wǎng)格優(yōu)選厚度為2444mm~4400mm。根據(jù)后期網(wǎng)架實(shí)際的支座大小及位置，最后調(diào)整網(wǎng)架的實(shí)際跨度為42.75m，游泳館網(wǎng)格最終厚度為2800mm（1/15.3）。

3、按照建筑的要求網(wǎng)架起坡高度為10%（中間高點(diǎn)比兩側(cè)高2400mm）。

4、網(wǎng)架桿件截面的優(yōu)選按照相同直徑不同厚度的原則，桿件截面直徑及厚度應(yīng)分布區(qū)間應(yīng)均勻，而且種類不宜過多，游泳館最終優(yōu)選后的網(wǎng)架桿件截面尺寸分為180x10，165x8，159x6，140x4，114x4，88.5x4，77.5x3.75，60x3.5?；?D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式、厚度、起坡高度及桿件截面初選

建模要點(diǎn)：1、先按照已經(jīng)劃分好的平面網(wǎng)格尺寸建好模型，然后使用軟件中的起坡功能來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架的坡度，比直接按照實(shí)際坡度建模方便且速度快。也可在CAD中畫好網(wǎng)格尺寸，建好模型然后導(dǎo)入到3D3S中。

2、網(wǎng)架的厚度一般會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)選一個(gè)比較具體的范圍，喀什游泳館最開始使用的是3000mm厚的網(wǎng)架，經(jīng)初步計(jì)算發(fā)現(xiàn)有進(jìn)一步的優(yōu)化空間，最終選定2800mm的網(wǎng)架厚度，優(yōu)選的過程中，網(wǎng)架撓度的大小和桿件截面應(yīng)力的大小是主要控制因素。

3、桿件截面優(yōu)選時(shí)不同壁厚最好不選用相同直徑，防止工廠制作下料錯(cuò)誤和施工過程偷工減料?；?D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模荷載布置（恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度和地震）恒載：網(wǎng)架上弦的恒載0.7kN/m2（包括屋面做法及檁條）；下弦恒載0.3kN/m2

活載：取不上人屋面0.5kN/m2和0.56kN/m2（基本雪荷載0.45kN/m2考慮雙坡屋面1.25的不均勻系數(shù)）的大值0.56kN/m2風(fēng)荷載：考慮最不利情況，正風(fēng)（風(fēng)壓）和負(fù)風(fēng)（風(fēng)吸）

體型系數(shù)風(fēng)振系數(shù)正風(fēng)0.51.0負(fù)風(fēng)-0.81.5溫度工況：該鋼結(jié)構(gòu)屋蓋沒有外露部分，故僅考慮室內(nèi)溫差±30°C（鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的合攏溫度為20±4°C）

地震作用：抗震按8度設(shè)防，加速度0.30g，地震分組為第三組，場地類別Ⅱ類基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模荷載布置（恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度和地震）

注意事項(xiàng)：1、檁條也可以選擇在模型中建入，此時(shí)恒載就不必考慮檁條自重。上下弦的恒載可在不同的荷載庫中，但是必須選擇同一個(gè)工況，才能保證在荷載組合中將所有恒載都考慮進(jìn)去，如左下圖所示。馬道的活載可以選擇按照馬道區(qū)間布置成均布活荷載，也可按照計(jì)算后的節(jié)點(diǎn)荷載輸入，如有下圖所示。2、雪荷載和上人屋面活荷載可分開建立工況，在荷載組合中多些荷載組合，也可按照喀什游泳館的做法，直接選用較大的雪荷載作為活荷載參與組合，減少荷載組合數(shù)目，加快計(jì)算。

基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模荷載布置（恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度和地震）

注意事項(xiàng)：3、喀什游泳館的計(jì)算沒有按照普通的框架結(jié)構(gòu)考慮左風(fēng)和右風(fēng)的作用，而是直接選取了最不利的兩種情況（風(fēng)壓和風(fēng)吸）作為屋面鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算的風(fēng)荷載，保證屋面鋼結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，定義過程如左下圖所示。4、溫度工況：在軟件中是以兩個(gè)溫度變量的形式顯示，以人工定義的鋼結(jié)構(gòu)的合攏溫度為基準(zhǔn)點(diǎn)，如右下圖操作。

基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模荷載布置（恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度和地震）

5、根據(jù)實(shí)際的地震工況條件在程序的地震作用參數(shù)菜單設(shè)置，程序會(huì)按照設(shè)置自動(dòng)生成水平兩個(gè)方向的地震工況和考慮豎向地震作用。如圖所示。

基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模荷載組合荷載組合：3D3S軟件可根據(jù)實(shí)際定義的荷載工況進(jìn)行自動(dòng)生成荷載組合，也可根據(jù)個(gè)人需要自定義荷載組合。一般都會(huì)建議手動(dòng)做一個(gè)通用的荷載組合模板，供其他工程使用?？κ灿斡攫^有恒載、活載、正風(fēng)、負(fù)風(fēng)、溫升30度、溫降30度、X和Y水平地震和豎向地震九個(gè)工況，按照規(guī)范要求進(jìn)行了最基本的組合，共有81種組合。

基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模模型檢查及計(jì)算模型檢查：可檢查模型的桿件最小夾角；模型各個(gè)工況的荷載；與底部框架柱的鉸接支座設(shè)置；網(wǎng)架所有節(jié)點(diǎn)的單元釋放（鉸接的桿件的兩端做單元釋放，釋放繞2、3軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)擊構(gòu)件信息顯示按鈕，選中單元釋放進(jìn)行觀察）。然后即可進(jìn)行計(jì)算。

基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模桿件截面優(yōu)選（空間布置及截面大?。┦紫冗x擇《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，設(shè)置撓度、受拉構(gòu)件和受壓構(gòu)件長細(xì)比限制，該處設(shè)置根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，比規(guī)范要求的嚴(yán)格，規(guī)范對(duì)應(yīng)的三個(gè)數(shù)值分別是1/250、1/200、1/400。

截面驗(yàn)算時(shí)可先優(yōu)選截面，將控制優(yōu)選的范圍定義在0.3~0.85之間，最后進(jìn)行應(yīng)力比校核，出施工圖時(shí)可適當(dāng)放寬應(yīng)力比至0.9。

網(wǎng)架弦截面調(diào)整，相鄰桿件截面比值以及夾角?；?D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)喀什體育中游泳館的網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)選用螺栓球，支座位置的節(jié)點(diǎn)球?yàn)楹附忧?。螺栓球的大小一般都?huì)控制不小于100mm，不大于300mm，使用方便且便于控制節(jié)點(diǎn)自重所在結(jié)構(gòu)的比重（一般設(shè)置為25%）。

封板和錐頭庫經(jīng)過螺栓球設(shè)計(jì)階段后會(huì)優(yōu)選出相對(duì)應(yīng)的螺栓型號(hào)和封板型號(hào)，沒有相對(duì)應(yīng)的型號(hào)程序會(huì)報(bào)警顯示，可人工添加進(jìn)去。

先進(jìn)行螺栓球設(shè)計(jì)，然后自動(dòng)識(shí)別到焊接球節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，直至節(jié)點(diǎn)都設(shè)計(jì)結(jié)束。

支座的設(shè)計(jì)需要進(jìn)在MIDAS-GEN中進(jìn)行模擬。基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模模型整合基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模模型整合準(zhǔn)備工作：通過小軟件轉(zhuǎn)成mgt文件基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模MIDAS-GEN建模流程合并后增添下部PKPM的基本設(shè)置分析工況設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算混凝土部分設(shè)計(jì)結(jié)果匯總整體模型數(shù)據(jù)設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模合并數(shù)據(jù)文件后的模型，下部模型僅僅保留了截面尺寸和材料參數(shù)，其余信息全部缺失，需要重新補(bǔ)充進(jìn)去。首先要定義結(jié)構(gòu)的自重。

合并后增添下部PKPM的基本設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模合并數(shù)據(jù)文件后的模型，下部模型僅僅保留了截面尺寸和材料參數(shù)，其余信息全部缺失，需要重新補(bǔ)充進(jìn)去。其次，要定義下部結(jié)構(gòu)的層，定義結(jié)構(gòu)底部的固端約束。

合并后增添下部PKPM的基本設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模合并后的整體模型剖面圖示意如下圖

合并后增添下部PKPM的基本設(shè)置模型層概念的定義，GEN自動(dòng)識(shí)別模型中高度方向的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)有節(jié)點(diǎn)的地方都會(huì)自動(dòng)被判定為一個(gè)層，需要根據(jù)實(shí)際層的位置重新設(shè)定。

基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模最后，給下部模型添加恒載、活載、風(fēng)荷載。

合并后增添下部PKPM的基本設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模

1、合并后的整體模型示意如下圖，混凝土和鋼結(jié)構(gòu)之間的連接，模型中選用彈性連接來模擬抗拉球形支座。彈性連接的水平方向剛度均為5KN/mm（按照專業(yè)公司的支座參數(shù)選型）

整體模型數(shù)據(jù)設(shè)置注意：GEN中非普通連接都是連接兩個(gè)不同的點(diǎn)，所以需要將網(wǎng)架提高一個(gè)支座高度（500mm即可）?；?D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模

2、合并后的整體模型上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土的阻尼比是不同的，需要分別定義各自的阻尼比。下部混凝土的阻尼比是0.05，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的阻尼比是0.02。

整體模型數(shù)據(jù)設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模

3、GEN中需要將模型的荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量才能計(jì)算。恒載的組合系數(shù)是1.0，活載的組合系數(shù)是0.5。

整體模型數(shù)據(jù)設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模

4、檢查荷載組合，轉(zhuǎn)入進(jìn)來的荷載組合沒有錯(cuò)誤情況下是3D3S中的荷載組合，在GEN中的荷載組合包括了包絡(luò)組合，轉(zhuǎn)過來的荷載組合很多都有問題，需要自己一個(gè)個(gè)檢查，建議像3D3S一樣，重新制作一份荷載組合文件模板，方便其他工程使用。整體模型數(shù)據(jù)設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模設(shè)置反應(yīng)譜工況前要先設(shè)置一個(gè)反應(yīng)譜函數(shù)。分析工況設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模游泳館設(shè)置了三個(gè)反應(yīng)譜工況，X和Y水平和Z豎向三個(gè)工況。設(shè)置好分析工況之后就可以運(yùn)行計(jì)算。分析工況設(shè)置基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模鋼結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算目的是校核網(wǎng)架桿件的應(yīng)力比。網(wǎng)架桿件的應(yīng)力比與3D3S結(jié)果吻合比較好，都在桿件截面充分利用的應(yīng)力比范圍內(nèi)0.3~0.9。

注意：如果個(gè)別桿件的應(yīng)力比較大，需要調(diào)整，可以先在MIDAS-GEN模型中找到該桿件，在3D3S模型中調(diào)整桿件的截面，因?yàn)槟壳癎EN還沒不能出施工圖，最終出施工圖需要使用3D3S。鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模MIDAD-GEN的應(yīng)力比結(jié)果鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算桿件編號(hào)截面尺寸/mm最大應(yīng)力比160x3.50.668275.5x3.750.642388.5x40.8454114x40.8905140x40.7776159x60.7787165x80.8568180x100.9193D3S的應(yīng)力比結(jié)果基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模混凝土部分的設(shè)計(jì)參數(shù)在一般設(shè)計(jì)參數(shù)和鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)這兩個(gè)菜單下，可以設(shè)置抗震等級(jí)，扭矩折減系數(shù)等等。混凝土部分設(shè)計(jì)基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模經(jīng)過鋼結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算和混凝土部分的設(shè)計(jì)，可以給出結(jié)構(gòu)的振型模態(tài)，游泳館設(shè)置了45個(gè)振型。結(jié)果匯總模態(tài)周期X向平動(dòng)Y向平動(dòng)Z向平動(dòng)質(zhì)量（%）合計(jì)（%）質(zhì)量（%）合計(jì)（%）質(zhì)量（%）合計(jì)（%）10.720.03250.032523.447323.44730.00000.000020.6441.282541.31500.068423.51570.00320.003230.610.682041.99701.391524.90720.00000.003240.522.586844.583914.146439.05360.00250.005750.500.868745.45268.436747.49040.05030.056060.480.050845.50330.152947.64331.37021.4262450.330.001697.90800.000098.092227.486991.2008X、Y、Z三個(gè)方向的有效振型參與質(zhì)量系數(shù)分別達(dá)到了97.91％，98.09％，91.20％，均大于90％，符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)的要求。結(jié)構(gòu)第三階振型為扭轉(zhuǎn)，扭平周期比T3/T1=0.61/0.72=0.85<0.9,滿足規(guī)范要求?；?D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架支座位置柱頂?shù)乃轿灰疲╔方向水平地震工況）。結(jié)果匯總X向水平地震工況水平位移/mm（X向最大位移48.855mm）X向水平地震工況豎向位移/mm（Y向最大位移為-24.467mm）基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架支座位置柱頂?shù)乃轿灰疲╕方向水平地震工況）。結(jié)果匯總Y向水平地震工況水平位移/mm（X向最大位移為21.661mm）Y向水平地震工況豎向位移/mm（Y向最大位移為83.898mm）基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架的豎向位移（恒載+活載工況）。結(jié)果匯總恒載+活載工況網(wǎng)架的豎向位移/mm（豎向位移最大值為96mm）△z/L＝96mm/43200mm＝1/450<1/250，豎向最大位移為位于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的中央位置，位移滿足要求《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003第A.1.1條中的規(guī)定，同時(shí)位移也滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010第3.5.1條中的規(guī)定。基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架的豎向位移（豎向地震工況）。結(jié)果匯總豎向地震工況的豎向位移/mm（最大正向位移為13.2mm，最大負(fù)向位移為-12.4mm）基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架的水平位移（溫升30攝氏度工況）。結(jié)果匯總溫升30攝氏度的X向位移/mm（左端最大位移為-12.5mm，右端最大位移為17.7mm）溫升30攝氏度的Y向位移/mm（上端最大位移為6.4mm，下端最大位移為-11.5mm）基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架的水平位移（溫降30攝氏度工況）。結(jié)果匯總溫降30攝氏度的X向位移/mm（左端最大位移為12.5mm，右端最大位移為-17.7mm）溫降30攝氏度的Y向位移/mm（上端最大位移為-6.4mm，下端最大位移為11.5mm）基于3D3S和MIDAS-GEN的組合結(jié)構(gòu)建模網(wǎng)架的水平位移匯總。結(jié)果匯總網(wǎng)架水平位移統(tǒng)計(jì)表（單位mm）