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。
midasGen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图1 分析模型图2 结构平面图图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；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-ALL10. 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)。
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。
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”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。
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。
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 M 194x150x6/9（支撑），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>截面特性值 定义新的截面 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；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。
（但分组太多也会导致优化时间增加，另外截面类型太多也不符合实际情况，因而截面分组应适当）4~6层支撑划为一组截面。
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。