钢结构优化分析及设计

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

3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。

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

7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

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。

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。

例题 钢框架结构分析及优化设计

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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。

按

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。

例题 钢框架结构分析及优化设计

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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。

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