楼梯和网架建模实例

楼梯和网架建模实例1.背景信息随着《建筑抗震设计规范GB50011-2010》（下文简称新抗规）的正式实施，楼梯和网架都作为结构整体分析时必须予以考虑的重要构件，需要广大结构工程师在设计时重点对待；而现有的结构设计软件，在处理上述问题时往往存在计算过于简化或操作过于复杂的弊端。midasBuilding2011（新规范版）新增“楼梯板”与“空间桁架”建模功能，对现存问题提出了完美的解决方案。本节通过一个篮球馆实例，向读者详细介绍楼梯和网架在Building中实现方式及注意事项。操作过程会涉及节点、单元的选择、激活、消隐、复制移动等程序初级操作，请读者参看本书第二章内容或《结构大师操作手册》，本节不会再做详细说明。2.项目简介该项目为某篮球馆，框架结构，位于抗震设防烈度7度地区，场地类别为Ⅱ类，地上5层，层高为4.8m；地下1层，层高为4.5m。楼梯四周皆设置了楼梯，4层球场上方布置了正放四角锥网架，如图1所示：图1某篮球馆整体视图3.楼梯在经历了2008年“5.12”大地震的惨痛教训之后，结构领域原本并不重视的楼梯设计成为众矢之的，在地震中楼梯破坏之多、程度之大、对人员逃生影响之恶劣都远超民众之想象。因此新抗规对此作出了较为严厉的规定。新抗规3.6.6条明确指出：“利用计算机进行结构抗震分析，应符合下列要求：1计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况，计算中应考虑楼梯构件的影响。„„”。6.1.15条也同时提出：“楼梯间应符合下列要求：„„2对于框架结构，楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则；楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，应进行楼梯构件的抗震承载力验算；宜采取构造措施，减少楼梯构件对主体结构刚度的影响。„„”。由此可见，将楼梯模型真实的建立到结构计算模型中去，已是规范规定的必要举措。3.1建模过程点击菜单【构件楼梯板】，弹出楼梯板菜单。如图2所示：图2楼梯板菜单楼梯斜板和平台板使用建立楼梯板功能建模，可采用空间连接的方式建立楼梯板。梯梁和梯柱使用建立梁、柱功能即可。其中楼梯板的折算厚度是由程序自动计算的，折算厚度仅用于计算楼梯自重，计算公式如下：此处参看韩燕薇编制的新规范版手册。图3楼梯尺寸参数示意图图中：t为楼梯板厚度，b为踏步宽，h为踏步高。楼梯板正截面配筋计算时截面计算高度按楼梯板厚度t来计算。这里我们参看实际模型中的一个独立楼梯单元详细说明：图4部分楼梯在建模过程中，往往是主体模型建好后，再添加楼梯模型的，因此我们假定模型中柱子、层高位置的梁都为已有单元，而楼梯斜板、平台板、梯柱、梯梁为后来建立单元。其中最为重要的单元为两块楼梯斜板和两块平台板。midas系列程序中，单元的建立规则都是依托节点，因此建立单元的思路为，首先确定各单元周边的节点，进而以此点选连接即可。这里有4块板单元，应共有16个节点；考虑部分节点重复，共有12个节点位置需要我们来确定。为了更直观的说明建模过程，我们可以关闭“消隐”选项，打开“显示节点”和“节点号”，如图5所示：图5关闭消隐，打开显示节点及节点号重要的一点是，在建模之前，要提前测算好楼梯的各项几何尺寸，本节直接调取已知的实际尺寸。建模开始时，已有的节点为4根柱端的节点1、2、3、4。首先，选择节点3、4，使用“复制”命令，沿Z轴负向复制2.4m，生成节点5、6。第二，选择节点5、6，使用“复制”命令，沿X轴负向复制2.6m，生成节点7、8。第三，选择节点1、2，使用“复制”命令，沿X轴正向复制2.6m，生成节点9、10。第四，选择节点7、9，使用“复制”命令，沿Y轴负向复制3m，生成节点11、12。最后，选择节点10、12，使用“复制”命令，沿Z轴负向复制4.8m，生成节点13、14。至此，所有建立楼梯斜板、平台板所需要的节点已经建立完毕。最后，在楼梯板菜单中选择楼梯板类型，再对应点击“多边形直线”命令，依次点选各节点，即可生成所需楼梯板构件。梯柱的建立方式为，点击菜单【构件柱】，选择好截面后，按“一点”的方式，点击节点7、8即可。梯梁的建立方式为，点击菜单【构件梁】，选择好截面后，按“两点”的方式，依次连接节点7、8，6、8，5、6，5、7即可。楼梯荷载的添加与楼板荷载添加方式一致，这里不再详述。这样，一个完整的楼梯单元便建立完毕了。若各楼层属于同一标准层，可以在标准层视图中建立楼梯；若各楼层虽不属于同标准层，但楼梯形式一致，则可以在建立好了一个楼层的楼梯之后，使用命令【构件编辑构件复制】将楼梯复制到各个楼层中去。3.2楼梯的分析与设计楼梯参与结构整体分析时，可以在【结构模型控制网格尺寸斜板楼梯】中单独定义网格尺寸，如图6所示：图6模型控制网格尺寸楼梯构件作为一种支撑，具有较大的刚度。计入楼梯构件的刚度后，结构整体的刚度加大且在楼层平面内刚度分布不均匀，使结构整体分析结果有所变化。其影响的程度，与纯框架的刚度、楼梯的数量和布置的位置等情况有关。基本的规律是，楼梯刚度占纯框架结构刚度的比例越大，则平动周期减少越多，总地震作用加大越多，沿楼板方向影响大，垂直梯板方向影响很小；楼梯在楼面的两端对称布置，扭转周期明显减少，扭转位移比减少较多；楼梯布置在楼面中部，扭转影响不明显；楼梯布置在楼面的一端，扭转周期有所减少，但扭转位移比明显加大。《高规》JGJ3-2011第6.1.4条文说明框架结构中楼梯构件的组合内力设计值应包括与地震作用效应的组合，楼梯梁、柱的抗震等级可与所在框架结构相同。楼梯板设计时，参考梁的设计方法，按照纯弯构件和拉弯构件进行正截面设计。建议设有楼梯的模型设计时，按照考虑楼梯和不考虑楼梯计算两次。考虑楼梯的整体分析结果用于楼梯构件配筋，不考虑楼梯的模型结果用于其它构件和常规设计。且建议构造上将楼梯与主体分开计算。楼梯设计结果，可以通过右侧竖形菜单中【图形结果各层配筋简图楼梯板计算配筋】进行查看，结果如图7所示。图7楼梯计算配筋至此，楼梯建模、分析、设计相关内容介绍完毕。4.网架更具体的说法，应该是钢结构网架。随着结构设计师水平的逐步提高，建筑结构形式的日新月异，混凝土与钢结构网架相拼接这种结构形式，由原本少量应用于车站、体育场馆等大型项目，逐渐被越来越多的使用在食堂、收费站、小型会所等常规民用建筑中。鉴于上述情况，新抗规与时俱进的在第十章中新增了10.2节：“大跨屋盖建筑”，对该项设计内容进行了规范，其中第10.2.7条对应的条文说明的中明确指出“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”。此外由于钢材与混凝土的阻尼比并不相同，因此原本将结构取统一阻尼比进行周期、地震力计算的算法并不准确。新抗规中也对应提出了基于能量等效原理的组阻尼计算方法，在midasBuilding中，正是采取该方法进行计算。4.1建模过程点击菜单【构件空间桁架】，弹出楼梯板菜单。如图8所示：图8空间桁架在图8所示菜单中，首先选择一种桁架类型，该实例中为“四边形空间桁架”。每一种桁架类型中，都包含各种子类型。详见表1。表1此处参看韩燕薇编制的新规范版手册。该实例中对应为“正放四角锥网架”，如图9：图9正放四角锥网架其中各项参数的填写方法为：尺寸：填写上弦间距与上下弦高度。该模型中，X向为20@3m，含义为以3m为间距，重复20次。需要注意的是，此处x、y并以不一定与整体坐标系X、Y轴一致，其方向的确定，仅与插入点的选择顺序有关。材料：钢网架所用钢材强度等级，点击可增加新的材料特性。截面：上下弦、腹杆对应截面尺寸，点击可增加新的截面特性。节点重量：考虑实际工程中连接桁架的节点重量，按照占桁架总自重的比例输入。向导：“示意”图中标注了尺寸参数，用户可参照“向导”中的“示意”图来输入尺寸信息；“绘图”中的多个视图按钮可用来预览桁架的形状、尺寸等；显示点号：显示桁架的节点号，仅用来设置基点，桁架插入模型中后会重新编号。设置基点：设置插入桁架的基准点。在圆形空间桁架、球面空间桁架和平面网架中，基点是默认设置的，不能够修改。四边形空间桁架和柱面空间网架，点击“绘图”后，可在绘图上选取基准点。选择插入点：输入建立的桁架的基点在全局坐标系(用户坐标系)下插入点的坐标。或者用鼠标在输入区内单击，并在工作窗口中点击插入点的位置，则程序将自动将该点的坐标显示在输入框内。在该实例中，“第一点”“第二点”依次点击4F中的节点1190、1048即可。如图10所示：图10插入网架图11为插入成功后的效果：图11网架插入完毕4.2网架的分析与设计相对于midasGen中混合结构的组阻尼比设定方法，midasBuilding对操作进行了很大幅度的简化。首先，不同材料的阻尼比设定，在程序自动定义材料属性时，已经添加完毕。我们可以通过菜单【结构楼层材料定义材料】进行查看：图12混凝土与钢材的阻尼比其次，在定义反应谱工况时，通过菜单【荷载荷载控制地震作用考虑不同材料的阻尼比】，仅需进行一步勾选，即可完成全部操作。图13考虑不同材料阻尼比设计部分，程序会自动调取钢规及高钢进行钢结构构件的验算。验算结果可以通过可以通过右侧竖形菜单中【图形结果各层配筋简图各构件设计及验算结果】进行查看，结果如图14所示。图14钢结构验算结果