midas-Gen-鋼結構優(yōu)化分析及設計

例題3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:簡介建立模型并運行分析設置設計條件鋼構件截面驗算及設計鋼結構優(yōu)化設計

1.簡介本例題介紹midasGen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：HW200x204x12/12HM244x175x7/11次梁：HN200x100x5.5/8支撐：HN125x60x6/8Q235一層4.5m二～六層3.0m設防烈度：8o（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分析模型圖2結構平面圖圖3①，③軸線立面圖圖4①，④軸線立面圖圖5eq\o\ac(○,B)，eq\o\ac(○,C)軸線立面圖圖6eq\o\ac(○,A)，eq\o\ac(○,D)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。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(S)；數(shù)據(jù)庫：Q235；材料類型：各向同性。主菜單選擇特性>截面>截面特性值：添加：添加梁、柱截面尺寸。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。運用選擇及拖放操作，將次梁截面賦予模型。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。主菜單選擇節(jié)點/單元>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。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。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)。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=-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4@3；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4@3。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(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：8o（0.20g）；場地類別：Ⅱ；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(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：0o(90o)。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>編輯鋼材: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”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(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。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。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。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1.主菜單選擇特性>截面>截面特性值定義新的截面注：1.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）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。本例題綜合考慮受力等情況，做如下劃分：主梁截面分為兩組：1~5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；2~6層中間四根中柱劃為一組截面；2~6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；2~3層支撐劃為一組截面；4~6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(yōu)化設計：進行鋼構件截面優(yōu)化設計圖13優(yōu)化設計約束條件：容許：桿件的容許應力比。注：1.“BUILT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。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）。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(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)。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。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HW250x250x9/14HM340x250x9/141層邊柱HW250x250x9/14HW250x250x9/142-6層中柱HW250x250x9/14HW250x250x9/142-6層邊柱HW250x250x9/14HW175x175x7.5/111層支撐HM194x150x6/9HM194x150