3-钢结构优化分析及设计

1 例题3 钢框架结构分析及优化设计 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相应规范的强度要求条件下，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. 简介 2. 建立模型并运行分析 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

3 1.简介 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2  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 例题 钢框架结构分析及优化设计

4 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

5 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 例题 钢框架结构分析及优化设计

6 2.建立模型并运行分析 建立模型并进行分析运算。 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: 利用建模助手建立框架梁 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； 例题 钢框架结构分析及优化设计 7 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，勾选D-ALL、R-ALL 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； 例题 钢框架结构分析及优化设计 8 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 荷载工况：WX； 风荷载设计标准： GB50009-2012； 地面粗糙度：A；基本风压：0.35； 地形修正系数：1；阻尼比：0.02； 结构振型系数：查表法 其它数据使用默认值； 基本周期：自动计算（特征值分析后，输入结构真实周期） 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)。 例题 钢框架结构分析及优化设计 9 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)； 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GB50017-03附录D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 定义结构控制参数 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 根据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 通过“收索适合截面”选择面积最小的截面HW 250x250x9/14（柱），H

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。