基于3D3S和MIDAS-GEN的组合结构建模概要

广东省城乡规划设计研究院GUANGDONGURBAN&RURALPLANNINGANDDESIGNINSTITUTE2015.6.5基于3D3S和MIDAS-GEN的组合结构建模及分析——以喀什体育中心游泳馆为例主要建模流程1.下部混凝土结构建模（PKPM）2.屋盖钢结构建模（3D3S）3.将已经建好并通过分析的下部混凝土模型和屋盖钢结构模型整合进入MIDAS-GEN做整体分析(MIDAS-GEN)屋盖钢结构建模3D3S建模流程网架结构形式、起坡高度、厚度及杆件截面初选荷载布置（恒载、活载、风荷载、温度和地震作用）荷载组合模型检查及计算杆件截面优选（空间布置及截面大小）节点设计网架结构形式、厚度、起坡高度及杆件截面初选1、网架结构长宽之比大于1.5时（喀什体育中心游泳馆的长宽比为90/44=2.05），宜采用两向正交正放网架、正放四角锥网架或者正放抽空四角锥网架。游泳馆选用正放四角锥网架。按照柱跨均分为二划分网格，网格尺寸分别为3.0m和3.5m（竖向网格间距）、3.75m（水平网格间距）。2、网架的高跨比可取为1/10~1/18，确定网格尺寸时应使相邻杆件间的夹角大于45度，且不小于30度。游泳馆的轴线跨度为44米，网格优选厚度为2444mm~4400mm。根据后期网架实际的支座大小及位置，最后调整网架的实际跨度为42.75m，游泳馆网格最终厚度为2800mm（1/15.3）。3、按照建筑的要求网架起坡高度为10%（中间高点比两侧高2400mm）。4、网架杆件截面的优选按照相同直径不同厚度的原则，杆件截面直径及厚度应分布区间应均匀，而且种类不宜过多，游泳馆最终优选后的网架杆件截面尺寸分为180x10，165x8，159x6，140x4，114x4，88.5x4，77.5x3.75，60x3.5。网架结构形式、厚度、起坡高度及杆件截面初选建模要点：1、先按照已经划分好的平面网格尺寸建好模型，然后使用软件中的起坡功能来实现网架的坡度，比直接按照实际坡度建模方便且速度快。也可在CAD中画好网格尺寸，建好模型然后导入到3D3S中。2、网架的厚度一般会根据经验优选一个比较具体的范围，喀什游泳馆最开始使用的是3000mm厚的网架，经初步计算发现有进一步的优化空间，最终选定2800mm的网架厚度，优选的过程中，网架挠度的大小和杆件截面应力的大小是主要控制因素。3、杆件截面优选时不同壁厚最好不选用相同直径，防止工厂制作下料错误和施工过程偷工减料。荷载布置（恒载、活载、风荷载、温度和地震）恒载：网架上弦的恒载0.7kN/m2（包括屋面做法及檩条）；下弦恒载0.3kN/m2活载：取不上人屋面0.5kN/m2和0.56kN/m2（基本雪荷载0.45kN/m2考虑双坡屋面1.25的不均匀系数）的大值0.56kN/m2风荷载：考虑最不利情况，正风（风压）和负风（风吸）体型系数风振系数正风0.51.0负风-0.81.5温度工况：该钢结构屋盖没有外露部分，故仅考虑室内温差±30°C（钢结构网架的合拢温度为20±4°C）地震作用：抗震按8度设防，加速度0.30g，地震分组为第三组，场地类别Ⅱ类荷载布置（恒载、活载、风荷载、温度和地震）注意事项：1、檩条也可以选择在模型中建入，此时恒载就不必考虑檩条自重。上下弦的恒载可在不同的荷载库中，但是必须选择同一个工况，才能保证在荷载组合中将所有恒载都考虑进去，如左下图所示。马道的活载可以选择按照马道区间布置成均布活荷载，也可按照计算后的节点荷载输入，如有下图所示。2、雪荷载和上人屋面活荷载可分开建立工况，在荷载组合中多些荷载组合，也可按照喀什游泳馆的做法，直接选用较大的雪荷载作为活荷载参与组合，减少荷载组合数目，加快计算。荷载布置（恒载、活载、风荷载、温度和地震）注意事项：3、喀什游泳馆的计算没有按照普通的框架结构考虑左风和右风的作用，而是直接选取了最不利的两种情况（风压和风吸）作为屋面钢结构计算的风荷载，保证屋面钢结构的安全系数，定义过程如左下图所示。4、温度工况：在软件中是以两个温度变量的形式显示，以人工定义的钢结构的合拢温度为基准点，如右下图操作。荷载布置（恒载、活载、风荷载、温度和地震）5、根据实际的地震工况条件在程序的地震作用参数菜单设置，程序会按照设置自动生成水平两个方向的地震工况和考虑竖向地震作用。如图所示。荷载组合荷载组合：3D3S软件可根据实际定义的荷载工况进行自动生成荷载组合，也可根据个人需要自定义荷载组合。一般都会建议手动做一个通用的荷载组合模板，供其他工程使用。喀什游泳馆有恒载、活载、正风、负风、温升30度、温降30度、X和Y水平地震和竖向地震九个工况，按照规范要求进行了最基本的组合，共有81种组合。模型检查及计算模型检查：可检查模型的杆件最小夹角；模型各个工况的荷载；与底部框架柱的铰接支座设置；网架所有节点的单元释放（铰接的杆件的两端做单元释放，释放绕2、3轴的转动，点击构件信息显示按钮，选中单元释放进行观察）。然后即可进行计算。杆件截面优选（空间布置及截面大小）首先选择《空间网格结构技术规程》，设置挠度、受拉构件和受压构件长细比限制，该处设置根据工程经验数据设置，比规范要求的严格，规范对应的三个数值分别是1/250、1/200、1/400。截面验算时可先优选截面，将控制优选的范围定义在0.3~0.85之间，最后进行应力比校核，出施工图时可适当放宽应力比至0.9。网架弦截面调整，相邻杆件截面比值以及夹角。节点设计喀什体育中游泳馆的网架球节点选用螺栓球，支座位置的节点球为焊接球。螺栓球的大小一般都会控制不小于100mm，不大于300mm，使用方便且便于控制节点自重所在结构的比重（一般设置为25%）。封板和锥头库经过螺栓球设计阶段后会优选出相对应的螺栓型号和封板型号，没有相对应的型号程序会报警显示，可人工添加进去。先进行螺栓球设计，然后自动识别到焊接球节点设计，直至节点都设计结束。支座的设计需要进在MIDAS-GEN中进行模拟。模型整合模型整合准备工作：3D3S保留3D3S的基本设置导出Midas-genmgt文件PKPM保留PKPM的基本设置通过小软件转成mgt文件MIDAS-GEN建模流程合并后增添下部PKPM的基本设置分析工况设置钢结构验算混凝土部分设计结果汇总整体模型数据设置合并数据文件后的模型，下部模型仅仅保留了截面尺寸和材料参数，其余信息全部缺失，需要重新补充进去。首先要定义结构的自重。合并后增添下部PKPM的基本设置合并数据文件后的模型，下部模型仅仅保留了截面尺寸和材料参数，其余信息全部缺失，需要重新补充进去。其次，要定义下部结构的层，定义结构底部的固端约束。合并后增添下部PKPM的基本设置合并后的整体模型剖面图示意如下图合并后增添下部PKPM的基本设置模型层概念的定义，GEN自动识别模型中高度方向的每一个节点，每个有节点的地方都会自动被判定为一个层，需要根据实际层的位置重新设定。最后，给下部模型添加恒载、活载、风荷载。合并后增添下部PKPM的基本设置1、合并后的整体模型示意如下图，混凝土和钢结构之间的连接，模型中选用弹性连接来模拟抗拉球形支座。弹性连接的水平方向刚度均为5KN/mm（按照专业公司的支座参数选型）整体模型数据设置注意：GEN中非普通连接都是连接两个不同的点，所以需要将网架提高一个支座高度（500mm即可）。2、合并后的整体模型上部钢结构和下部混凝土的阻尼比是不同的，需要分别定义各自的阻尼比。下部混凝土的阻尼比是0.05，钢结构网架的阻尼比是0.02。整体模型数据设置3、GEN中需要将模型的荷载转化为质量才能计算。恒载的组合系数是1.0，活载的组合系数是0.5。整体模型数据设置4、检查荷载组合，转入进来的荷载组合没有错误情况下是3D3S中的荷载组合，在GEN中的荷载组合包括了包络组合，转过来的荷载组合很多都有问题，需要自己一个个检查，建议像3D3S一样，重新制作一份荷载组合文件模板，方便其他工程使用。整体模型数据设置设置反应谱工况前要先设置一个反应谱函数。分析工况设置游泳馆设置了三个反应谱工况，X和Y水平和Z竖向三个工况。设置好分析工况之后就可以运行计算。分析工况设置钢结构的验算目的是校核网架杆件的应力比。网架杆件的应力比与3D3S结果吻合比较好，都在杆件截面充分利用的应力比范围内0.3~0.9。注意：如果个别杆件的应力比较大，需要调整，可以先在MIDAS-GEN模型中找到该杆件，在3D3S模型中调整杆件的截面，因为目前GEN还没不能出施工图，最终出施工图需要使用3D3S。钢结构验算MIDAD-GEN的应力比结果钢结构验算杆件编号截面尺寸/mm最大应力比160x3.50.668275.5x3.750.642388.5x40.8454114x40.8905140x40.7776159x60.7787165x80.8568180x100.9193D3S的应力比结果混凝土部分的设计参数在一般设计参数和钢筋混凝土构件设计参数这两个菜单下，可以设置抗震等级，扭矩折减系数等等。混凝土部分设计经过钢结构的验算和混凝土部分的设计，可以给出结构的振型模态，游泳馆设置了45个振型。结果汇总模态周期X向平动Y向平动Z向平动质量（%）合计（%）质量（%）合计（%）质量（%）合计（%）10.720.03250.032523.447323.44730.00000.000020.6441.282541.31500.068423.51570.00320.003230.610.682041.99701.391524.90720.00000.003240.522.586844.583914.146439.05360.00250.005750.500.868745.45268.436747.49040.05030.056060.480.050845.50330.152947.64331.37021.4262450.330.001697.90800.000098.092227.486991.2008X、Y、Z三个方向的有效振型参与质量系数分别达到了97.91％，98.09％，91.20％，均大于90％，符合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的要求。结构第三阶振型为扭转，扭平周期比T3/T1=0.61/0.72=0.850.9,满足规范要求。网架支座位置柱顶的水平位移（X方向水平地震工况）。结果汇总X向水平地震工况水平位移/mm（X向最大位移48.855mm）X向水平地震工况竖向位移/mm（Y向最大位移为-24.467mm）网架支座位置柱顶的水平位移（Y方向水平地震工况）。结果汇总Y向水平地震工况水平位移/mm（X向最大位移为21.661mm）Y向水平地震工况竖向位移/mm（Y向最大位移为83.898mm）网架的竖向位移（恒载+活载工况）。结果汇总恒载+活载工况网架的竖向位移/mm（竖向位移最大值为96mm）△z/L＝96mm/43200mm＝1/4501/250，竖向最大位移为位于网架结构的中央位置，位移满足要求《钢结构设计规范》GB50017-2003第A.1.1条中的规定，同时位移也满足《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010第3.5.1条中的规定。网架的竖向位移（竖向地震工况）。结果汇总竖向地震工况的竖向位移/mm（最大正向位移为13.2mm，最大负向位移为-12.4mm）网架的水平位移（温升30摄氏度工况）。结果汇总温升30摄氏度的X向位移/mm（左端最大位移为-12.5mm，右端最大位移为17.7mm）温升30摄氏度的Y向位移/mm（上端最大位移为6.4mm，下端最大位移为-11.5mm）网架的水平位移（温降30摄氏度工况）。结果汇总温降30摄氏度的X向位移/mm（左端最大位移为12.5mm，右端最大位移为-17.7mm）温降30摄氏度的Y向位移/mm（上端最大位移为-6.4mm，下端最大位移为11.5mm）网架的水平位移汇总。结果汇总网架水平位移统计表（单位mm）温度升高或降低30摄氏度两个工况下网架的最大位移均满足球形支座水平正负50mm的设计要求。工况名