midas-Gen-鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析及設(shè)計(jì)

1、例題3鋼框架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)例題.鋼框架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)概要本例題通過某六層帶斜撐的鋼框架結(jié)構(gòu)來介紹midasGen的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。midasGen提供了強(qiáng)度優(yōu)化和位移優(yōu)化兩種優(yōu)化方法。強(qiáng)度優(yōu)化是指在滿足相應(yīng)規(guī)范的強(qiáng)度要求條件下，求出最小構(gòu)件截面，即以結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化功能。位移優(yōu)化是針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)前提下，增加了以側(cè)向位移為約束條件的自動(dòng)設(shè)計(jì)功能。本文主要講述強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。此例題的步驟如下：1.簡(jiǎn)介2.建立模型并運(yùn)行分析3.設(shè)置設(shè)計(jì)條件4.鋼構(gòu)件截面驗(yàn)算及設(shè)計(jì)5.鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)6.簡(jiǎn)介本例題介紹midasGen的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。例題模型為帶斜撐的六層鋼框架結(jié)構(gòu)。(該

2、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：HW200 x204x12/12?主梁：HM244x175x7/11?次梁：HN200 x100 x5.5/8?支撐：HN125x60 x6/8?鋼材：Q235?層高：一層4.5m二六層3.0m?設(shè)防烈度：8o(0.20g)?場(chǎng)地：II類?設(shè)計(jì)地震分組：1組?地面粗糙度；A?基本風(fēng)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(jì)算考慮雙向風(fēng)荷載，

3、用反應(yīng)譜分析法來計(jì)算雙向地震作用圖 1 分析模型圖 2 結(jié)構(gòu)平面圖圖 3，軸線立面圖圖 4，軸線立面圖圖 5B)g 由線立面圖圖 6.陰線立面圖2.建立模型并運(yùn)行分析建立模型并進(jìn)行分析運(yùn)算。1 .主菜單選擇特性材料材料特性值：添加材料號(hào)：1;名稱：Q235;規(guī)范：GB03(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(jié)構(gòu)建模助手基本結(jié)構(gòu)框架：利用建模助手建立框架梁輸入：添加x坐標(biāo)，距離2.5,重復(fù)6;添加z坐標(biāo)，距離4,重復(fù)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(diǎn)，0,0

4、,0;Alpha,-90o4 .運(yùn)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(diǎn)/單元單元擴(kuò)展：建立框架柱擴(kuò)展類型：節(jié)點(diǎn)-線單元；單元類型：梁?jiǎn)卧?；材料：Q235;截面：柱截面；輸入復(fù)制間距：dz=-4.5;選擇生成柱的節(jié)點(diǎn)，建立框架柱。6 .主菜單選擇節(jié)點(diǎn)/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。7 .主菜單選擇結(jié)構(gòu)建筑控制數(shù)據(jù)復(fù)制層數(shù)據(jù)：復(fù)制次數(shù)：5;距離：3,添加；在模型窗口中選擇要復(fù)制的單元。8 .主菜單選擇結(jié)構(gòu)建筑控制數(shù)據(jù)定義層數(shù)據(jù)生成層數(shù)據(jù)：點(diǎn)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(diǎn)，

5、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(fēng)荷載；WY:風(fēng)荷載。11 .主菜單選擇荷載靜力荷載結(jié)構(gòu)荷載/質(zhì)量自重：添加自重荷載工況：DL;自重系數(shù)：Z=-1o12 .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(biāo)系Z;復(fù)制樓面荷載：方向Z,距離43;在模型窗口指定加載區(qū)域

6、節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)間直線；向：整體坐標(biāo)系Z;數(shù)值：W=-4;復(fù)制荷載：方向Z,距離43。15 .重復(fù)步驟13和14輸入屋面荷載及梁?jiǎn)卧奢d。16 .主菜單選擇荷載靜力荷載橫向荷載風(fēng)荷載：添加X方向風(fēng)荷載荷載工況：WX;風(fēng)荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB50009-2012;地面粗糙度：A;基本風(fēng)壓：0.35;地形修正系數(shù)：1;阻尼比：0.02;結(jié)構(gòu)振型系數(shù)：查表法其它數(shù)據(jù)使用默認(rèn)值；基本周期：自動(dòng)計(jì)算（特征值分析后，輸入結(jié)構(gòu)真實(shí)周期）風(fēng)荷載方向系數(shù)：X軸方向系數(shù)1,丫軸方向系數(shù)0。17 .重復(fù)步驟16,輸入丫向風(fēng)

7、荷載WY,注意此時(shí)風(fēng)荷載方向系數(shù)X軸方向系數(shù)0,丫軸方向系數(shù)1。18 .主菜單選擇荷載地震作用反應(yīng)譜數(shù)據(jù)反應(yīng)譜函數(shù)添加反應(yīng)譜函數(shù)：設(shè)計(jì)反應(yīng)譜：GB50011-2010;設(shè)計(jì)地震分組：1;地震設(shè)防烈度：8o（0.20g）;場(chǎng)地類別：U;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(yīng)譜數(shù)據(jù)反應(yīng)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(yīng)譜荷載工況名稱：Rx（Ry）;地震角度：0o（90o）。20.主菜單選擇結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型：定義結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型：3-D（三維分析）；將結(jié)構(gòu)的自重轉(zhuǎn)換為質(zhì)量：轉(zhuǎn)換到X、丫(地震作用方向)21 .主菜單

8、選擇荷載靜力荷載結(jié)構(gòu)荷載/質(zhì)量節(jié)點(diǎn)質(zhì)量荷載轉(zhuǎn)換成質(zhì)量：質(zhì)量方向：X,Y;荷載工況：DL(LL);組合系數(shù)：1.0(0.5)o22 .主菜單選擇分析運(yùn)行運(yùn)行分析：晅進(jìn)行分析計(jì)算。3.設(shè)置設(shè)計(jì)條件按規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。1 .主菜單選擇結(jié)果組合荷載組合：添加荷載組合一般組合：用于查看內(nèi)力變形等，一般組合中有包絡(luò)組合;鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：用于設(shè)計(jì)組合；設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50017-03;點(diǎn)擊自動(dòng)生成。2 .主菜單選擇設(shè)計(jì)通用一般設(shè)計(jì)參數(shù)定義結(jié)構(gòu)控制參數(shù):設(shè)計(jì)類型：三維；由程序自動(dòng)計(jì)算“計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)”：若勾選則按GB50017-03附錄D的公式自動(dòng)計(jì)算，否則須由設(shè)計(jì)者手動(dòng)輸入計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。圖 7 定義結(jié)構(gòu)控制參數(shù)3

9、 .主菜單選擇設(shè)計(jì)通用一般設(shè)計(jì)參數(shù)指定構(gòu)件：分配類型：自動(dòng)；選擇類型：全部；當(dāng)梁?jiǎn)卧黄渌?jié)點(diǎn)分割成幾部分時(shí)，需由程序指定構(gòu)件來定義梁?jiǎn)卧趶?qiáng)軸作用平面內(nèi)的自由長(zhǎng)度。4 .主菜單選擇設(shè)計(jì)通用一般設(shè)計(jì)參數(shù)編輯構(gòu)件類型：定義框架梁、框柱、支撐。選項(xiàng)：添加/替換；構(gòu)件類型：梁；梁：框架梁；同樣方法定義柱和支撐構(gòu)件。5 .主菜單選擇設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)規(guī)范:設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB50017-03;勾選考慮抗震；選擇抗震設(shè)防烈度：8度。圖 8 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6.主菜單選擇設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)設(shè)計(jì)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)等效臨界彎矩系數(shù)：該系數(shù)用于計(jì)算梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，

10、可由程序計(jì)算。 當(dāng)有些特殊構(gòu)件需由設(shè)計(jì)者指定時(shí)，直接輸入梁的等效彎矩系數(shù)即可。4.鋼構(gòu)件截面驗(yàn)算及設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)桿件截面進(jìn)行調(diào)整1.主菜單選擇設(shè)計(jì)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)鋼構(gòu)件驗(yàn)算鋼構(gòu)件驗(yàn)算：鋼構(gòu)件截面驗(yàn)算注：在“特征值”排序下，“圖形結(jié)果”和“詳細(xì)結(jié)果”中所顯示的桿件為本組特征值中應(yīng)力比最大的。如果想查看指定桿件的結(jié)果， 在排序中選擇“構(gòu)件”設(shè)計(jì)標(biāo)底: SOH7NSOH7N徘早：利件=*特性值叫.|9.CHKCHKSECTSECT裁面林CONSHRSHR*iFyOK337r*-E后王梁FF.I744it17Ex7四2760335235030K2r口IB口上79必第23S090KZ11r1后中柱.|明”

11、口心5”金Qi?3lQJ31Q2352350300K314r1層辿把卜中之時(shí)博5019：C.777Q23S2S5G304s2g層中柱FW250 x2ECx口網(wǎng)B-742湖KR111er工通融柱MWZ50X29QXC.W019Z3S0Mnr187r層司鴛曬湖C671D-0002352JS030QKgsr23區(qū)支攫.HM伯心154x6C.EO7tug23S0EM3OK261r0層安捷-HM出打151x6C.333DLJM02350K抬10r.%甲HN24x124x5/8C453D731023573SWWL全送鐮除選擇垂野計(jì)茸L2L諄明結(jié)果II荷耍詰氏|美詡圖 10 鋼構(gòu)件驗(yàn)算在選擇項(xiàng)勾選某個(gè)單元，

12、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(diǎn)選“圖形結(jié)果”以圖形方式輸出驗(yàn)算結(jié)果，點(diǎn)選“詳細(xì)結(jié)果”以文本文件輸出詳細(xì)結(jié)果。2.修改未通過驗(yàn)算的桿件在截面驗(yàn)算對(duì)話框中，選擇未通過驗(yàn)算的截面（柱和支撐），點(diǎn)擊“修改”，彈出“修改鋼材的材料特性和截面”對(duì)話框。選擇截面數(shù)據(jù)庫及截面形狀，設(shè)置規(guī)格限定條件（0為搜索所有規(guī)格），限定“極限驗(yàn)算比”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(shí)放寬“極限驗(yàn)算比”的下限，可能會(huì)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HW250 x250 x9/14（柱），HM194x150 x6/9（

13、支撐），點(diǎn)擊“修改”確定將要替換的截面，點(diǎn)擊“關(guān)閉”回到“截面驗(yàn)算對(duì)話框”，點(diǎn)擊“更新”，彈出更新截面特性對(duì)話框。選擇修改后的截面，點(diǎn)擊;更新模型中的相關(guān)截面，并重新進(jìn)行分析計(jì)算。如仍有未通過驗(yàn)算的截面，則重復(fù)步驟1、2直至所有截面均通過驗(yàn)算，滿足強(qiáng)度和長(zhǎng)細(xì)比的要求。5.鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)功能是針對(duì)特征值一截面進(jìn)行的，如需得到更為優(yōu)化1 1,可在建模時(shí)就進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)果，需在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)（或位移優(yōu)化設(shè)計(jì)）之前對(duì)要優(yōu)化的構(gòu)件進(jìn)行更為詳細(xì)的截面分組。具體操作為添加新截面，并運(yùn)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

14、：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;行詳細(xì)的截面劃分。2.2.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(jié)構(gòu)特點(diǎn)等多方面進(jìn)行考慮。顯然，桿件截面分組越多，優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來的收益越大。（但分組太多也會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化時(shí)間增加， 另外截面類型太多也不符合實(shí)際情況， 因而截面分組應(yīng)適當(dāng)）46層支撐劃為一組截面。樹忍累草4X4X碑表脩狙R34 4工作*國(guó)分斫控制做物特征值

15、分析L L變型，特正值向重g g結(jié)構(gòu)+纖穩(wěn)三：7 7工書點(diǎn):209209白：?jiǎn)卧?405405：* *析架畢九.瑞 J J柒單元：390390-將也信W 值價(jià)I I：1 1：LJLJ截面.M MI I1 1：1 1唱層主續(xù)I I之7 7層主架I I3 3：I I層中佳X X4 4：L L層邊注Z Z5 5.卻幅中柱I I6:6:EYEY后西士I IT T：層支攆I I8 8一層支群I Ii-Li-L邊界端牛田*支承：1616A A后里國(guó)1 1，荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量-2 2U U除力礴.圖 12 桿件截面分組主菜單選擇設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼構(gòu)件驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：進(jìn)行鋼構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)2.容許：桿件的容許應(yīng)

16、力比。數(shù)據(jù)庫：選擇型鋼數(shù)據(jù)庫。其中“BUILT”使用程序內(nèi)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）。形狀：同建模時(shí)輸入的構(gòu)件形狀，也可修改截面形狀。D1、D2、D3：對(duì)截面尺寸進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化。分析選項(xiàng)：輸入反復(fù)計(jì)算次數(shù)。圖 13 優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件：注：1 1.BUILT.BUILT”為使用程序自動(dòng)生成的截面數(shù)據(jù)庫，詳見幫組文件中“鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化”部分。2 2.D1.D1、D2D2的具體含義見幫組文件。圖 14 優(yōu)化設(shè)計(jì)迭代次數(shù)板厚數(shù)據(jù)：在使用“BUILT”據(jù)庫時(shí)，

17、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(shè)計(jì):軸力和彎矩：選擇滿足指定條件的構(gòu)件，指定條件指軸力（必需的軸向強(qiáng)度）和彎矩（必需的抗彎強(qiáng)度）產(chǎn)生的組合應(yīng)力（強(qiáng)度）在容許應(yīng)力比范圍內(nèi)（在容許（圖13）中設(shè)置的容許強(qiáng)度比）。僅有軸力：選擇滿足指定條件的構(gòu)件，指定條件指軸力（必需的軸向強(qiáng)度）在容許應(yīng)力比范圍內(nèi)?？紤]柱軸向變形的影響，可以只對(duì)軸力進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)槿暨x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(gòu)件會(huì)因柱彈性壓縮引起附加彎矩，隨之柱端也會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，將會(huì)出現(xiàn)越是上部柱構(gòu)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

18、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(shè)計(jì)的兩條限定條件用戶定義截面列表：當(dāng)截面數(shù)據(jù)庫選擇“用戶”時(shí)，在此定義用戶數(shù)據(jù)庫，具體格式詳見幫助文件。審計(jì)研折按進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)3 .鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果輸出：可以通過文本格式及圖形格式來查看桿件應(yīng)力、桿件重量、結(jié)構(gòu)整體重量等數(shù)據(jù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的變化情況及最后結(jié)果。注：優(yōu)化設(shè)計(jì)是以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度為前提進(jìn)行的，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)之后應(yīng)該對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行使用性能驗(yàn)算。包括撓度、風(fēng)荷載和地震作用下的水平位移、層間位移驗(yàn)算等。具體方法在其他技術(shù)文檔已有講解，本文不在贅述。4 .更 新模型：點(diǎn)擊“更新分析模型”即可將