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

1、例題 鋼框架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)介紹midas Gen的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。midas Gen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)1.簡(jiǎn)介本例題介紹midas Gen的優(yōu)化

2、設(shè)計(jì)功能。例題模型為帶斜撐的六層鋼框架結(jié)構(gòu)。(該例題數(shù)據(jù)僅供參考) 基本數(shù)據(jù)如下：Ø 軸網(wǎng)尺寸：見圖2Ø 柱: HW 200x204x12/12Ø 主梁：HM 244x175x7/11Ø 次梁：HN 200x100x5.5/8Ø 支撐：HN 125x60x6/8Ø 鋼材： Q235Ø 層高：一層 4.5m 二六層 3.0mØ 設(shè)防烈度：8º（0.20g）Ø 場(chǎng)地： II類Ø 設(shè)計(jì)地震分組：1組Ø 地面粗糙度；AØ 基本風(fēng)壓：0.35KN/m2；Ø 荷載條件

3、：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；Ø 分析計(jì)算考慮雙向風(fēng)荷載，用反應(yīng)譜分析法來(lái)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5 ，軸線立面圖 圖6 ，軸線立面圖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(kù)：Q235； 材料類型：各向同性。2. 主菜

4、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)，0，0，0；Alpha，-90。4. 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

5、。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)，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)

6、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=-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(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)域節(jié)點(diǎn)。14

7、. 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，

8、Y軸方向系數(shù) 0。17. 重復(fù)步驟16，輸入Y向風(fēng)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，Y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：；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)

9、。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、Y (地震作用方向)。21. 主菜單選擇 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)。22. 主菜單選擇 分析>運(yùn)行>運(yùn)行分析：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：GB500

10、17-03；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. 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(lái)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、框架柱、支撐。 選項(xiàng)：添加/替換；構(gòu)件類型：梁

11、；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)，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&

12、gt;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”圖10 鋼構(gòu)件驗(yàn)算在選擇項(xiàng)勾選某個(gè)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(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(kù)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”范圍，搜索合適的截面，在滿足要求的截面中選

13、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HW 250x250x9/14（柱），H M 194x150x6/9（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 定義新的截面注：1.可在建模時(shí)就進(jìn)行詳細(xì)的

14、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(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(lái)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)）程序提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能是針對(duì)特征值截面進(jìn)行的，如需得到更為優(yōu)化的設(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：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

15、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。圖12 桿件截面分組2. 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) 圖13 優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件：容許：桿件的容許應(yīng)力比。注：1.“BUILT”為使用程序自動(dòng)生成的截面數(shù)據(jù)庫(kù)，詳見幫組文件中“鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化”部分。2.D1、D2的具體含義見幫組文件。數(shù)據(jù)庫(kù)：選擇型鋼數(shù)據(jù)庫(kù)。其中“BUILT”使用程序內(nèi)置的焊接截面數(shù)據(jù)庫(kù)；“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(kù)。（

16、本例題使用“GB-YB”數(shù)據(jù)庫(kù)）。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(kù)時(shí)，焊接截面所使用的鋼板厚度數(shù)據(jù)庫(kù)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)

17、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(kù)選擇“用戶”時(shí)，在此定義用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，具體格式詳見幫助文件。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(lái)查看桿件應(yīng)力、桿件重量、結(jié)構(gòu)

18、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。 圖17 優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果4. 更新模型：點(diǎn)擊“更新分析模型”即可將優(yōu)化設(shè)計(jì)所求得的桿件截面賦給模型。再次進(jìn)行分析和驗(yàn)算，對(duì)個(gè)別不符合要求的截面或者應(yīng)力比過小的截面單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，便完成了整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后結(jié)果對(duì)比截面優(yōu)化前優(yōu)化后1-5層主梁HM 244x175x7/11HN 250x125x6/96層主梁HM 244x175x7/11HN 250x125x6/91層中柱HW 250x250x9/14HM 340x250x9/141層邊柱HW 250x250x9/14HW 250x250x9/142-6層中柱HW 250x250x9/14HW 250x250x9/142-6層邊柱HW 250x250x9/14HW 175x175x7.5/111層支撐HM 194x1