钢结构优化分析及设计

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例题钢框架结构分析及优化设计
2 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:
1.简要
2.建立及分析模型
3.设置设计条件
4.钢构件截面验算及设计
5.钢结构优化设计
例题钢框架结构分析及优化设计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:
轴网尺寸:见图1
柱: HW 200x204x12/12
主梁:HM 244x175x7/11
次梁:HN 200x100x5.5/8
支撑:HN 125x60x6/8
钢材: Q235
层高: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
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例题钢框架结构分析及优化设计
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图1 分析模型
图2 结构平面图
例题 钢框架结构分析及优化设计
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图3 ①,③轴线立面图 图4 ①,④轴线立面图
图5 ○B ,○C 轴线立面图 图6 ○A ,○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。

例题钢框架结构分析及优化设计
6 1.主菜单选择特性>材料>材料特性值: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。

2.主菜单选择特性>截面>截面特性值:
添加:添加梁、柱截面尺寸。

3.主菜单选择结构>建模助手>基本结构>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z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。

4.运用选择及拖放操作,将次梁截面赋予模型。

5.主菜单选择节点/单元>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。

6.主菜单选择节点/单元>单元>建立单元:建立支撑
单元类型:桁架单元;
材料:Q235;
截面:支撑截面。

7.主菜单选择结构>建筑>控制数据>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。

8.主菜单选择结构>建筑>控制数据>定义层数据>生成层数据: 点击生成层
例题钢框架结构分析及优化设计
数据。

9.主菜单选择边界>边界>一般支承:定义边界条件
在模型窗口中选择柱底边界节点
10. 主菜单选择荷载>静力荷载>建立荷载工况>静力荷载工况:
DL:恒荷载;LL:活荷载;
WX:风荷载;WY:风荷载。

11. 主菜单选择荷载>静力荷载>结构荷载/质量>自重:添加自重
荷载工况:DL;自重系数:Z=-1。

12. 主菜单选择荷载>静力荷载>初始荷载/其它>分配楼面荷载
>定义楼面荷载类型:定义楼面荷载
名称:楼面荷载:DL 4.0,LL 2.0,添加;
屋面荷载:DL 5.0,LL 1.0,添加。

13. 主菜单选择荷载>静力荷载>初始荷载/其它>分配楼面荷载
>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。

14. 主菜单选择荷载>静力荷载>梁荷载>连续:
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。

15. 重复步骤13和14输入屋面荷载及梁单元荷载。

16. 主菜单选择荷载>静力荷载>横向荷载>风荷载:添加X方向风荷载
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例题钢框架结构分析及优化设计
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荷载工况:WX;
风荷载设计标准:GB50009-2012;
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。

17. 重复步骤16,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。

18. 主菜单选择荷载>地震作用>反应谱数据>反应谱函数
添加反应谱函数:
设计反应谱:GB50011-2010;
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(本例取0.02)。

19. 主菜单选择荷载>地震作用>反应谱数据>反应谱:
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)。

20. 主菜单选择结构>类型>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)。

21. 主菜单选择荷载>静力荷载>结构荷载/质量>节点质量
>荷载转换成质量:
质量方向:X,Y;
荷载工况:DL (LL);
例题 钢框架结构分析及优化设计
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组合系数:1.0 (0.5)。

22. 主菜单选择 分析>运行>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。

1. 主菜单选择 结果>组合>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。

2. 主菜单选择 设计>通用>一般设计参数>定义结构控制参数:
设计类型 :三维;
由程序自动计算“计算长度系数” :若勾选则按GBJ17-03附录四的公式自 动计算,否则须由设计者手动输入计算长度系数。

图7 定义计算长度系数
例题钢框架结构分析及优化设计
10 3. 主菜单选择设计>通用>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。

4. 主菜单选择设计>通用>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。

5. 主菜单选择设计>设计>钢构件设计>设计规范:
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
例题 钢框架结构分析及优化设计
11 6. 主菜单选择 设计>设计>钢构件设计>编辑钢材: 编辑钢材规格等
图9 编辑钢材特性
7. 主菜单选择 设计>设计>钢构件设计>等效临界弯矩系数:
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。

例题钢框架结构分析及优化设计
12 4.钢构件截面验算及设计
通过设计结果对杆件截面进行调整
1. 主菜单选择设计>钢构件设计>钢构件验算>钢构件验算:钢构件截面验算
图10 钢构件验算
在选择项勾选某个单元,再勾选连接模型空间,在模型空间可以看到被选
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”
例题 钢框架结构分析及优化设计
13 择的单元,点选“图形结果”以图形方式输出验算结果,点选“详细结 果”以文本文件输出详细结果。

2. 修改未通过验算的杆件
在截面验算对话框中,选择未通过验算的截面(柱和支撑),点击“修 改”,弹出“修改钢材的材料特性和截面”对话框。

选择截面数据库及截 面形状,设置规格限定条件(0为搜索所有规格),限定“极限验算比”范 围,搜索合适的截面,在满足要求的截面中选择合适的截面。

图11 修改杆件截面
此处选择面积最小的截面HW 250x250x9/14(柱),HM 194x150x6/9(支
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。

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撑),点击“修改”确定将要替换的截面,点击“关闭”回到“截面验
算对话框”,点击“更新”,弹出更新截面特性对话框。

选择修改后的截
面,点击更新模型中的相关截面,并重新进行分析计算。

如仍有未通过
验算的截面,则重复步骤1、2直至所有截面均通过验算,满足强度和长细
比的要求。

5.钢结构优化设计
1. 主菜单选择特性>截面>截面特性新的截面
程序提供的优化设计功能是针对特征值—截面进行的,如需得到更为优化
的设计结果,需在进行钢结构优化设计(或位移优化设计)之前对要优化
的构件进行更为详细的截面分组。

具体操作为添加新截面,并运用拖放等
操作将杆件赋予截面。

本例题综合考虑受力等情况,做如下划分:
主梁截面分为两组:
1~5层的主梁为一组截面;
6层屋顶的主梁为一组截面;
柱截面分为四组:
1层中间四根中柱划为一组截面;
1层的边柱及角柱划为一组截面;
2~6层中间四根中柱划为一组截面;
2~6层的边柱及角柱划为一组截面;
支撑截面分为三组:
1层支撑划为一组截面;
2~3层支撑划为一组截面;
4~6层支撑划为一组截面。

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。

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图12 杆件截面分组
2. 主菜单选择 设计>钢结构设计>钢构件验算>钢结构优化设计:进行钢构 件截面优化设计
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图13 优化设计约束条件:
容许:杆件的容许应力比。

数据库:选择型钢数据库。

其中“BUILT”使用程序内置的焊接截面数据库;“用户”使用用户在“用户定义截面列表”中定义的截面数
据库。

(本例题使用“GB-YB”数据库)。

形状:同建模时输入的构件形状,也可修改截面形状。

D1、D2、D3…:对截面尺寸进行限定。

此处输入0,则搜索所有截面。

勾选要优化的截面,或选择所有截面进行优化。

分析选项:输入反复计算次数。

图14 优化设计迭代次数
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。

例题 钢框架结构分析及优化设计
17 板厚数据:在使用“BUILT ”据库时,焊接截面所使用的钢板厚度数据库在
此定义。

图15 自定义截面所使用的板厚
柱截面设计:
轴力和弯矩:选择满足指定条件的构件,指定条件指轴力(必需的轴
向强度)和弯矩(必需的抗弯强度)产生的组合应力(强度)在容许应力比范围内(在容许(图13)中设置的容许强度比)。

仅有轴力: 选择满足指定条件的构件,指定条件指轴力(必需的轴
向强度)在容许应力比范围内。

考虑柱轴向变形的影响,可以只对轴力进行优化。

因为若选择按弯矩优 化,由于高层建筑各柱的弹性压缩量不同,与柱相连的梁构件会因柱弹性
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压缩引起附加弯矩,随之柱端也会产生附加弯矩,将会出现越是上部柱构件其截面越大的现象。

为了能正确反映各柱的弹性压缩量的差异,选择按轴力优化的方法,使各柱的弹性压缩量趋于相等。

施加的轴力和弯矩:选择轴力组合柱连接方法:选择外缘尺寸。

图16 柱优化设计的两条限定条件
用户定义截面列表:当截面数据库选择“用户”时,在此定义用户数据库,具体格式详见帮助文件。


进行优化设计
3. 钢结构优化设计结果输出:
可以通过文本格式及图形格式来查看杆件应力、杆件重量、结构整体重量等数据在优化设计过程中的变化情况及最后结果。

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图17 优化设计的结果
4. 更新模型:
点击“更新分析模型”即可将优化设计所求得的杆件截面赋给模型。

再次 进行分析和验算,对个别不符合要求的截面或者应力比过小的截面单独进 行调整,便完成了整个优化设计。

优化设计前后结果对比
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。

例题钢框架结构分析及优化设计
20 5. 主菜单选择设计>设计结果>钢构件设计:钢构件设计结果平面输出。

荷载工况/荷载组合:ALL COMBINATION;
验算比:组合;
勾选验算,显示:梁、柱、支撑;
柱截面尺寸:1(指显示的柱截面尺寸放大系数);
在模型窗口选择需要显示的杆件,按
即可。

图18 钢构件验算结果平面输出。

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