MIDAS钢结构整体解决方案PPT-55P

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2018/9/11,#,钢结构整体解决方案,MIDAS IT,杨,建华,目录,1.,钢结构概况,2.,钢结构分析要点,3.,钢结构难点解析,钢结构概况,01,钢结构优势,钢结构类型,1.,钢结构概况,强度高,施工周期短,工程造价低,自重轻,工厂化制作,节能环保,钢结构优势,造型美观，传力合理,1.,钢结构概况,高层重型钢结构,80,年代至今已建成和在建高层钢结构达,100,多幢，总面积约,800,万平方米，钢材用量,80,多万吨。,并且持续上涨。,北京电视中心,巨型框架支撑钢结构体系,地上,42,层，地下,3,层，总高,228.35m,的办公楼,四角布置四个,L,形复核巨型柱,巨型柱之间用巨型钢桁架梁相连,1.,钢结构概况,大跨度空间钢结构,民用建筑,工业厂房,机库,候机楼,体育馆,展览中心,大剧院,博物馆,。,据中国钢结构协会空间结构分会统计：网架和网壳近年生产已处于趋平稳状态，每年,1500,座，约,250,万平方米，用钢约,7,万吨,广东佛山体育馆,膜结构,网架,网壳,悬索结构,1.,钢结构概况,轻钢结构,门式刚架,拱型波纹钢屋盖,轻型工业厂房,仓库,交易市场,展览厅,活动房屋,加层建筑,用钢量一般,30-40kg/m,2,左右（不含钢筋用量）,全国每年新建轻钢房屋,800,万平方米、用钢量约,20,万吨,钢,-,混凝土组合结构,组合结构（,SRC,）充分发挥钢材和混凝土两种材料各自优点的合理组合,全部采用组合结构的超高层建筑,深圳赛格广场大厦,高,291.6,米，属世界最高的钢,-,混凝土组合结构。,全国已建成组合结构高层建筑超过,40,幢之多,1.,钢结构概况,工业钢结构,轻质、高强、便于管道穿越、设备维修,适用于大跨度结构，施工周期短,1.,钢结构概况,钢结构住宅,钢结构住宅优势：,重量是钢筋混凝土住宅的,1/2,左右,使用面积提高,4%,我国平均每年房屋建筑建设约,20,亿平方米，其中钢结构约占,23%,，而发达国家已达,50%,以上，住宅钢结构的潜在发展空间非常大。,武汉汉阳区建成了钢结构示范住宅项目,赛博园经济适用房小区，达到了世界钢协有关“国际民用建筑用钢项目”的技术要求。,目前，我国钢结构业用钢仅占全国钢材总量的,4%,左右，与发达国家,10%,左右的比例存在较大差距。,1.,钢结构概况,海外钢结构项目,泰,富重装集团,-,研究总院,-,储运,所,菲律宾,马欣洛克电厂,原煤输送系统钢结构,项目,美,标,四川电力咨询设计研究院,黑山,变电构架,欧标,杭箫钢,构,沙特,阿拉伯项目,美标,PKPM,、,YJK,midas,Gen,海外版,主,算分析设计,探索者,海外规范绘图,理正工具箱,单体构件,设计,工具箱,midas,DrawingShop,midas Design+,Staad.pro/SAP2000,钢结构分析要点,02,钢结构特点,空间模型,连接方式,荷载模拟,协同作用,施工分析,2.,钢结构分析要点,钢结构有什么特点？,单层网壳,稳定问题,结构复杂,构件异形,树形柱,特殊节点,混合结构,施工方案,大跨、超长,2.,钢结构分析要点,如何得到分析模型？,犀牛,三维,CAD,BIM,空间分析模型,软件接口,建模助手,软件接口,PKPM,YJK,TEKLA,MST,3D3S,STAAD,ETABS,SAP2000,FEA,2.,钢结构分析要点,如何考虑钢结构构件连接方式？,钢结构设计标准,GB50017-2017,5.1.3,结构的计算模型和基本假定应与构件连接的,实际性能,相符合。,5.1.4,框架结构的梁柱连接宜采用刚接或铰接。梁柱采用,半刚性连接,时，应计入梁柱交角变化的影响，在内力分析时，应假定连接的弯矩,-,转角曲线，并在节点设计时，保证节点的构造与假定的弯矩,-,转角曲线符合。,橡胶支座,滑动球铰支座,铰接支座,摩擦摆隔震支座,铅芯隔震支座,支座连接,橡胶支座,滑动球铰支座,铰接支座,摩擦摆隔震支座,2.,钢结构分析要点,如何考虑钢结构构件连接方式？,刚接,/,铰接,/,半刚性连接,实现方法：共节点,释放梁端约束,滑动支座（单向、多向）,实现方法：弹性连接,（一般）,限值位移支座,实现方法：弹性连接,（多折线）,隔震支座,实现方法：一般连接,2.,钢结构分析要点,钢结构承载力及变形验算？,空间网格结构技术规程,J1072,第,4.1.1,条：,空间网格结构应进行重力荷载及,风荷载,作用下的位移、内力计算，并应根据具体情况，对,地震,、,温度,变化、,支座沉降,及施工安装荷载等作用下的位移、内力进行计算。,地震作用,支座沉降,网架结构：,8,度区，周边支承中小跨,竖向,抗震；其他应进行,竖向,和水平抗震验算。,网壳结构：,7,度区，矢跨比大于或等于,1/5,，应进行水平抗震验算；矢跨比小于,1/5,应进行,竖向,和水平抗震验算。,8,、,9,度区，各种网壳结构应进行,竖向,和水平抗震验算。,2.,钢结构分析要点,钢结构承载力及变形验算？,风荷载,封闭结构,-,面风压,镂空结构,-,梁单元风压,附属结构,-,节点风压,风洞试验,-,附加风荷载,钢结构承载力及变形验算？,封闭结构,-,面风压,镂空结构,-,梁单元风压,附属结构,-,节点风压,2.,钢结构分析要点,钢结构承载力及变形验算？,温度作用：分析空间网格结构因温度变化而产生的内力，可将温差引起的杆件固端反力作为等效荷载反向作用在杆件两端节点上，然后按有限元法分析。,系统温度：,对所有单元都能进行温度变化分析。,温度变化产生热应变，并导致构件中产生内力。,=,单元温度：局部单元施加温度荷载,节点温度：局部节点施加温度荷载,温度梯度：输入梁或板单元顶面和底面的温度差。,产生的等效弯矩：,梁单元,板单元,梁截面温度：截面内部的温度分布为非均匀分布时可以利,用梁截面温度功能输入温度荷载。,2.,钢结构分析要点,如何考虑上下部协同工作？,抗规,条文说明,10.2.7,条 ：考虑上下部结构的协同作用是屋盖结构地震作用计算的基本原则。考虑上下部结构协同工作的最合理方法是按,整体结构模型,进行地震作用计算。特别是对于不规则的结构，抗震计算应采用整体结构模型。,条文说明,10.2.7,本条规定抗震计算模型,1.,屋盖结构自身的地震效应是与下部结构协同工作的结果。,由于下部结构的竖向刚度一般较大，以往在屋盖结构的竖向地震作用计算时通常习惯于仅单独以屋盖结构作为分析模型。,但研究表明，不考虑屋盖结构与下部结构协同工作，会对屋盖结构的地震作用，特别是水平地震作用计算产生显著影响，甚至得出错误结果。,单独模型,整体模型,（,a,）金阊新城体育馆效果图,（,b,）上部钢结构部分,（,c,）下部混凝土部分,（,d,）整体模型,参考,文献,金阊新城体育馆大跨度网架屋盖设计,沈晓明、赵宝利,，,建筑结构,结论：考虑下部结构的真实质量和刚度后，在相同的地震作用下，屋盖结构的,X,向和,Y,向水平总反力显著增大，地震作用经过下部结构的传递有 “,放大效应,”。,边界效应,地震作用响应,2.,钢结构分析要点,如何考虑上下部协同工作？,2.,钢结构分析要点,如何考虑上下部协同工作？,可利用表格的方式合并荷载及边界,2.,钢结构分析要点,如何考虑上下部协同工作？,高层建筑混凝土结构技术规程,JGJ3-2010,11.3.5,组合结构在多遇地震作用下的阻尼比可取为,0.04,。风荷载作用下楼层位移验算和构件设计时，阻尼比可取为,0.02,0.04,。,型钢混凝土组合结构技术规程,JGJ138-2001,4.2.3,当全部结构构件均采用型钢混凝土结构，包括型钢混凝土框 架和钢筋混凝土筒体组成的混合结构，其结构阻尼比宜取,0.04,建筑抗震设计规范,GB50011-2010,10.2.8,屋盖钢结构和下部支承结构协同分析时，阻尼比应符合下列规定： 当下部支承结构为钢结构或屋盖直接支承在地面时，阻尼比可取,0.02,。 当下部支承结构为混凝土结构时，阻尼比可取,0.025,0.035,。,不同材料具有不同阻尼比，而不同振型下各构件参与程度不同，因此各振型的阻尼比也不同！,2.,钢结构分析要点,施工方案如何确定？,吊装问题,对接问题,不利体系阶段,施工过程分析,2.,钢结构分析要点,施工方案如何确定？,2.,钢结构分析要点,施工阶段,温度分析,局部稳定,吊装运输,用量优化,钢结构,几何非线性,屈曲分析,强度验算,舒适度分析,细部分析,连接处理,空间建模,钢结构难点解析,03,钢结构稳定分析,钢结构细部分析,3.1.,钢结构稳定性,强度与稳定？,强度,是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。,稳定,是找出外荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态，即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态，因此是一个变形问题。,由于变形产生的附加弯矩，从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。,构件局部稳定问题,构件稳定问题,整体结构稳定问题,钢结构失稳原因？,5,月,4,日，莆田某在建,3,层钢结构房屋坍塌，导致,5,人死亡，疑底层钢柱失稳导致！,整体失稳主要原因：,设计错误：只验算基本构件的稳定，,忽视,整体结构的,稳定验算,，计算简图及支座约束与实际受力不符。,制作缺陷：构件的初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及焊接产生的,残余变形,等。,支撑不足：钢结构安装过程中，尚未形成整体结构之前，属,几何可变体系,，构件的稳定性很差。若临时支撑设置不合理或者数量不足，轻则会使部分构件丧失稳定，重则造成整个结构在施工过程中倒塌和倾覆。,荷载变化、支承情况的不同：在吊装中由于,吊点,位置的不同，桁架或网架的杆件受力可能变化，造成失稳,使用不当：随意改变使用功能；改变构件的受力状态；增加设备引起的超载；基础不均匀沉降和温度应力引起的附加变形；意外冲击等,局部失稳主要原因：,设计错误：不进行局部稳定验算，致使构件的各类板件宽厚比和高厚比超过规范限值,构造不当：构件局部受集中力较大的部位，加劲肋数量不足、构造不当,原始缺陷：局部鼓曲和波浪形变形,吊点位置不合理：导致构件在吊装过程中局部失稳,3.1.,钢结构稳定性,三维分析重要性,3.1.,钢结构稳定性,参考,文献,主次门式钢架体系在工业厂房中应用的相关问题,苗劲、吴宏，中船九院,建筑结构,总长,240m,，跨度,27m,，柱距,12m,，,4,台,20t,桥式起重机高度,9m,，减小屋面檩条跨度，在主钢架之间设置不落地次钢架。,塌,下来、鼓出,去,二维分析与三维分析相比，主次钢架挠度，主钢架弯矩和剪力差别很大。基于空间传力的结构形式，建议优先采用空间结构分析，如采用平面分析应对结构进行针对调整。,稳定分析方法,3.1.,钢结构稳定性,钢结构设计标准, GB50017-2017,5.,结构分析与稳定性设计,稳定性分析三种方法：一阶弹性分析、二阶弹性分析和直接分析,分析方法适用条件,3.1.,钢结构稳定性,规则框架结构的二阶效应系数：,计算的最大二阶效应系数,0.1,时，可采用一阶弹性分析；当,0.10.25,时，应增大结构侧移,刚度或采用直接分析,.,一般结构的二阶效应系数：,式中：,整体结构最低阶,弹性临界荷载,与荷载设计值的比值,屈曲分析,稳定分析方法,3.1.,钢结构稳定性,一阶弹性分析,：针对,未变形的结构,建立平衡条件，不考虑变形对内力和位移的影响，也不考虑几何非线性和材料非线性的影响，按弹性阶段分析得到结构的内力和位移。,P-,效应、,P-,构件缺陷及材料的塑性行为对结构的影响在构件设计阶段通过,计算长度法,进行考虑,。,构件稳定承载力验算：,无侧移框架可以采用一阶弹性分析,稳定分析方法,3.1.,钢结构稳定性,二阶弹性分析,：只考虑,结构的二阶变形,对内力产生的影响，根据变形后的结构建立平衡条件，按弹性阶段分析结构内力和位移。,可以考虑,P-,，,分析方法基于大变形、小应力理论的一种几何非线性方法，全过程追踪结构受力状态，直到第一个塑性铰出现为止。,可以考虑,结构的,几何初始缺陷影响，结构整体初始几何缺陷模式可以按,最低阶整体屈曲模态,采用，也可以用,等效水平力,进行替代。,对于二阶,效应较明显结构,，如有侧移框架、侧移敏感型框架,，无法准确计算长度系数，应,采用二阶弹性分析方法。,注意,：采用,仅考虑,P-,效应的二阶弹性分析与设计方法，只是考虑了结构层面上的二阶效应影响，并未涉及到构件的,P-,对内力影响，这部分的影响应通过稳定系数来考虑，此时构件的计算长度系数应取,1.0,。,5.4.1,采用仅考虑,P-,效应的二阶弹性分析时，应按本规范第,5.2.1,条考虑结构的整体初始缺陷，计算结构在各种荷载或作用设计值下的内力和标准值下位移，并应按本规范第,6,章,第,8,章的有关规定进行各结构构件的设计。计算构件轴心受压稳定承载力时，构件计算长度系数,可取,1.0,或其他认可的值。,稳定分析方法,3.1.,钢结构稳定性,直接分析法,：一种,全过程二阶弹塑性分析,设计方法，可以全面考虑结构和构件的,初始缺陷,、,几何非线性、材料非线性,等对结构和构件的内力的影响，其分析设计过程可用下式来表示。用直接分析设计法求得的构件内力可以直接做为校核构件的依据。,直接积分法直接进行截面强度验算，不进行面内稳定验算,二阶弹性（,P-,）,-,常用特例,不,考虑塑性（不能出现塑性铰，即不能屈服），不允许内力重分布,二,阶弹塑性（,P-,）,考虑,塑性：,当,时，弯曲刚度折减,0.8,不小于,1/1000,考虑构件的初始几何缺陷,塑性铰处截面板件宽厚比等级应为,S1,、,S2,级,稳定分析方法,3.1.,钢结构稳定性,屈曲分析,3.1.,钢结构稳定性,程序可以根据屈曲分析模态结果，按照用户要求考虑初始缺陷并自动更新模型，减少大跨结构非线性稳定分析的模型准备工作,结构失稳点,稳定系数,初始缺陷,3.1.,钢结构稳定性,钢结构设计标准, GB50017-2017,5.2.1,结构整体初始几何缺陷模式可按最低阶整体屈曲模态采用。框架及支撑结构整体初始几何缺陷代表值的最大值可取为,H/250,，,H,为结构总高度。,框架及支撑结构整体初始几何缺陷代表值也可按式,5.2.1-1,确定；或可通过在每层柱顶施加假想水平力等效考虑。,空间网格结构技术规程, JGJ7-2010,4.3.3,进行网壳全过程分析时应考虑初始几何缺陷的影响，初始几何缺陷分布可采用结构的最低阶屈曲模态，其缺陷最大值可按,网壳跨度的,1/300,取值。,5.1.7,二阶弹性分析和直接分析应合理考虑初始几何缺陷和残余应力的影响。,3.1.,钢结构稳定性,稳定系数,结构失稳点,安全系数,进行网壳结构全过程分析求得的,第一个临界点处,的荷载值，可作为网壳的稳定极限承载力。 网壳稳定容许承载力（荷载取标准值）应等于网壳稳定极限承载力除以安全系数,K,。,当按弹塑性全过程分析时，安全系数,K,可取为,2.0,；,当按弹性全过程分析时、且为单层球面网壳、柱面网壳和椭圆抛物面网壳时，安全系数,K,可取为,4.2,空间网格结构技术规程,4.3.4,条,斜柱,/,跃层柱计算长度系数,3.1.,钢结构稳定性,1.,规范方法（梁柱线刚度比）计算确定,2.,屈曲分析法（欧拉公式）确定计算长,(1),确定拟计算构件及初始长度范围、约束,;,(2),确定各约束的约束刚度,(,仅用于独立模型法与局部实体有限元模型法,通常用单位力法确定,);,(3),加载、屈曲分析,对整体模型法通常采用恒载加活载的竖向加载模式,对独立模型与有限元模型法则采用轴向加单位力法,;,(4),获得屈曲系数,并乘以相应分析工况下杆件内力，,如,;,整体模型法对应的恒载加活载下的杆件内力,(5),代入公式计算,节点分析,3.2.,细部分析,楼梯、吊车梁分析,3.2.,细部分析,安全性验算,节点分析必要性,3.2.,细部分析,空间网格结构技术规程,JGJ-2010,5.5.5,铸钢节点设计时应采用,有限元法,进行实际荷载工况下的计算分析，其极限承载力可根据弹塑性有限元分析确定。当铸钢节点承受多种荷载工况且不能明显判断其控制工况时，应分别进行计算以确定其最小极限承载力。极限承载力数值不宜小于最大内力设计值的,3.0,倍。,钢结构设计标准,GB50017-2017,12.4.2,铸钢节点应满足承载力极限状态要求，节点应力应符合下式要求,12.4.3,铸钢节点可采用,有限元法,确定其受力状态，并可根据实际情况对其承载力进行试验验证。,节点分析方法,3.2.,细部分析,细部模型尺寸,边界约束条件,荷载取值,模型尺寸确定,3.2.,细部分析,圣维南原理,(Saint Venants Principle),是弹性力学的基础性原理，是法国力学家,圣维南,于,1855,年提出的。其内容是,:,分布于弹性体上一小块面积,(,或体积,),内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关,;,荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。,还有一种等价的提法,:,如果作用在弹性体某一小块面积,(,或体积,),上的荷载的合力和合力矩都等于零，则在远离荷载作用区的地方，应力就小得几乎等于零。,截面的,23,倍,反弯点处,边界约束条件,3.2.,细部分析,荷载取值,3.2.,细部分析,建立节点,刚性连接,提取荷载值,整体分析,3.2.,细部分析,主体结构,+,节点细化,整体分析,3.2.,细部分析,midas FEA,midas Gen,解决了边界和荷载问题,结果对比,3.2.,细部分析,结论：局部细化不影响整体结果,结论：单独分析节点结果与整体分析节点结果有差别,实现方法,3.2.,细部分析,节点处分割,midas FEA,midas Gen,局部细化的整体模型,多尺度模型连接,midas FEA,土木专业仿真分析软件,3.2.,细部分析,与,midas Gen,互导,植入式钢筋单元,界面单元,裂缝分析,接触,/,碰撞分析,疲劳分析,损伤度云图,寿命周期云图,实现方法,3.2.,细部分析,Gen,FEA,几何模型建模,不提供,提供,疲劳验算,不提供,提供,裂缝验算,不提供,提供,应变结果,不提供,提供,接触分析,不提供,提供,钢筋单元,不提供,提供,Gen,FEA,软件接口,侧重结构软件接口,侧重几何模型接口,操作便利,方便,方便,钢构件验算,提供,不提供,时程分析,提供线性及非线性,仅支持线性,双非线性分析,仅提供梁单元与板单元,桁架、实体单元,功能互补，黄金搭档！,midas Gen,midas FEA,2,THANKS!,