钢结构设计软件STS实例解析(精品) .ppt
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1、钢结构设计软件STS实例解析,门式刚架设计,框架设计,主要内容,第一部分 门式刚架设计,依据门规进行门式刚架设计需满足哪些条件?跨度宜为936m柱距宜为69m柱高宜为4.512m桥式吊车宜为起重量=20t、轻级工作制(A1A5);悬挂吊车宜为起重量=3t屋面坡度宜为1/81/20,【例题1】:某单跨双坡门式刚架厂房,跨度36m,总长度90m,刚架柱距7.5 m,檐口高度9m,屋面坡度1/10,平面图如下图。钢材采用Q345。恒荷载0.3kN/m2,活荷载(取屋面活荷载和雪荷载中较大值)0.3kN/m2,基本风压0.35kN/m2,地面粗糙度为B类。檩条采用高强镀锌冷弯薄壁卷边Z形钢檩条。,建立
2、模型-“自动生成构件截面与铰接信息”的实现原则是什么?,门规第4.1.3中规定,设有桥式吊车时,柱宜采用等截面构件。门规第4.1.4中规定,当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时,宜将柱脚设计成刚接。程序根据用户输入的参数信息来设置构件:当未布置吊车荷载时,刚架柱自动采用变截面的H形截面,柱脚为铰接;当布置有吊车荷载时,刚架柱自动采用等截面的H截面,柱脚为刚接。参数中如设定了分段数,梁采用变截面的H形截面;如未设分段数,梁采用等截面的H形截面,梁梁连接,梁柱连接均为刚接。,刚架跨度L18M时,横梁采用等截面为宜;L24M时,横梁宜采用变截面;L=21M时,视情况而定。,建立模型-焊接工形截面轴压
3、截面分类如何选用?,当定义截面选取了焊接工形截面时,在截面参数中会有“轴压对Y轴截面分类”的一个参数选项,如下图所示。该参数主要用于验算实腹式轴心受压构件的稳定性。用它来确定计算稳定性时所需的轴心受压构件的稳定系数。,根据构件的长细比、钢材的屈服强度和表5.1.2-1、表5.1.2-2的截面分类按附录C采用。截面分类由软件根据GB50017自动确定,当存在多个选择时,一般取低的(偏安全)只有少数截面用户可以干预,例如焊接H形截面修改截面分类要有根据,对材料要求在施工图中要进行明确说明!,轴压截面分类,相同长细比时B类的稳定系数要高于c类,按b类计算的构件承载力要高于c类。,建立模型-荷载输入,
4、1)、软件对荷载的方向是如何规定的?荷载正负规定:水平荷载规定向右为正,竖向荷载规定向下为正,顺时针方向的弯矩为正,反之为负。2)、恒载、活载为何刚架与檩条的活荷载分别定义?门规3.2.2当采用压型钢板轻型屋面时,屋面竖向均布活荷载的标准值(按水平投影面积计算)应取0.5KN/M2。对受荷水平投影面积大于60M2的刚架构件,屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3KN/M2。,3)、风荷载如何选取风荷载的计算规范?,荷载规范:门规:风振系数,高度小于30m的单层工业房屋可按以往实践经验不考虑。:体型系数,门规中的体型系数是采用美国金属房屋制造商协会 MBMA低层房屋体系手册(1996)中的规
5、定。本规定适合于低层钢结构房屋。屋面坡度不大于10、屋面平均高度不大于18m,房屋高宽比不大于1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸;荷载规范第7.3节规定的体型系数适用范围更广。z:风荷载高度变化系数,当高度小于10m时,应按10m高度处的数值采用。:基本风压,门规中是按现行荷载规范规定值乘以1.05采用。,1)、参数输入中结构类型的选择与抗震规范的规定如何对应?,抗震规范第9.2.1条明确“单层钢结构厂房”一节“不适用于单层轻型钢结构厂房”。所以当结构类型选择为“门式刚架轻型房屋钢结构”时程序不按抗震的要求控制。但当抗震控制结构设计时,尚应注意按门规3.1.4条条文说明规定的采取抗震构造措施
6、。规程提出抗震构造措施有:构件之间应尽量采用螺栓连接;斜梁下翼缘与刚架柱的连接处宜加腋以提高该处的承载力,该处附近翼缘受压区的宽厚比宜适当减小;柱脚的抗剪、抗拔承载力宜适当提高,柱脚底板宜设置抗剪键,锚栓应采取提高抗拔力的构造措施;支撑的连接应按屈服承载力的1.2倍设计等。当结构类型选择“单层钢结构厂房”时程序按抗震规范“9.2 单层钢结构厂房”控制。当结构类型选择“多层、高层框架”时程序按抗震规范“8 多层和高层钢结构房屋”控制。对于选择不同的结构类型结构阻尼比取规范的相应值:单层结构:0.05;多层(12)0.02。,建立模型-参数说明,2)、如何确定“钢梁还要按压弯构件验算平面内稳定性”
7、?,当设计规范选取门规时,此参数被激活。门规第6.1.6-1:实腹式刚架斜梁在平面内可按压弯构件计算强度,在平面外应按压弯构件计算稳定。当屋面坡度较大时,轴力对稳定性的影响在刚架平面内外都不容忽视。当屋面坡度较小时,(坡度1:2.5),可按GB50018的规定在刚架平面内按压弯构件计算其强度。,3)、“摇摆柱设计内力放大系数”如何确定?当设计规范选取门规验算时才需要选取,该项的作用是:对于摇摆柱(即两端铰接柱),在计算其强度和稳定性时,将柱的轴力设计值乘以该系数进行计算,用于考虑摇摆柱并非理想铰接的不利影响(1.5)。4)、“净截面和毛截面比值”如何确定?此项是计算构件强度时用到的一个参数。钢
8、结构的连接,多为螺栓连接,螺栓孔对构件的强度会有削弱作用,此参数既是为了考虑这个削弱作用而设置。它只针对强度计算,对稳定计算没有影响。,5)、如何考虑“地震作用效应增大系数”?,根据抗震规范第5.2.3条规定,规则结构不进行扭转耦联计算时,平行于地震作用方向的两个边榀,其地震作用效应应乘以增大系数,来估计水平地震作用的扭转影响。一般情况下,短边可按1.15采用,长边可按1.05采用。该参数仅在二维结构设计软件中设置,原因是在三维空间分析软件例如SATWE中,程序在计算时已默认考虑扭转耦联的影响,所以不需再考虑此参数。,建立模型-附加重量与恒荷输入有何区别?,恒荷:永久作用在结构上的荷载;附加重
9、量:正常使用情况下不作用于结构上,但是在地震作用下,其水平剪力需要由刚架来承担。,组合1:1.2恒+1.4活+0.6x1.4风组合2:1.2(恒+0.5活)+1.3地,附加重量仅此项力的计算,建立模型-抗风柱设计的常见问题1)、如何正确设计两种类型的抗风柱?,首先在柱截面库中不能选择变截面作为抗风柱的截面,柱布置时截面需旋转90度,在铰接构件中把该构件设成两端铰接后再定义抗风柱的类型;软件中把抗风柱分为两类,第一类为只承担风荷载,不承担屋面竖向荷载;第二类为既承担风荷载,同时承担屋面竖向荷载(兼作摇摆柱)。应将抗风柱传递给刚架梁的力,传递给屋面支撑系统,避免刚架梁受扭。,确定优化的目标:用钢量
10、截面形式:人为指定确定相对经济的截面大小:程序自动计算,优化-如何通过优化设计带来经济效益?,截面优化程序使用,验算规范选择门式刚架规程或上海标准定义构件截面,只关心截面类型(变截面还是等截面),不用关心截面尺寸布置了相同标准截面的构件,优化后截面相同平面外计算长度要修改优化限值要根据最优原则和实际情况选择直接导出优化结果,用于结构计算,计算-如何解决腹板高厚比超限问题?,“腹板高厚比 H0/TW=88.33 H0/TW=68.40(CECS102:2002)*(注:腹板高度变化=74.6mm/m 60 mm/m,按不考虑受剪板幅屈曲后强度控制)”门规第6.1.1条第6项,腹板高度变化超过60
11、mm/m时,已经超出了规程规定的考虑受剪板腹屈曲后强度计算的适用范围,这时程序按不考虑利用受剪板幅屈曲后强度来控制腹板的高厚比。在文本文件中会查到高厚比的容许值,该值如下得出:,当不设置腹板横向加劲肋时,=5.34,代入上式,可得:对于Q235钢,=68.4;对于Q345钢,=56.4。,当提示超限时,可以通过以下途经来进行调整:(1)调整构件端部高度,对于梁还可以调整变截面长度,尽量不超过60mm/m的要求。(2)通过设置构件腹板横向加劲肋,这样可以提高不考虑屈曲后强度的容许高厚比。(工具箱、构件修改)“腹板高厚比 H0/TW=88.33 60 mm/m,按不考虑受剪板幅屈曲后强度控制)”当
12、a/hw 1时 k=4+5.34/(a/hw)2当a/hw 1时 k=5.34+4/(a/hw)2K:受剪板件凸曲系数,当不设横向加劲肋时,取5.34。a:加劲肋间距。(3)不建议增加腹板厚度来满足的方法,这样用钢量增加可能较多。,工具箱设置横向加劲肋(05版),构件查改设置横向加劲肋(08版),计算-柱顶位移与钢梁挠度如何控制?,柱顶位移按门规表3.4.2-1控制,但需注意,表中的柱顶位移设计值应为计算值。-,h/240,表3.4.2-1柱顶位移设计值,计算值,控制限值,修正部分:钢结构2006年第4期 对规程(CECS102:2002)的勘误和补遗。,1)绝对挠度图 跨度 L:横梁在相邻两
13、柱之间的距离。最大挠度值:是指在跨度范围内,梁在“恒+活”或“活”荷作用下的最大竖向变形值。,2)相对挠度图 跨度 L:对单坡房屋为斜梁跨度,对双坡房屋为一个坡面斜梁的长度。最大挠度值:是指在单坡坡面长度范围内,梁在“恒+活”或“活”荷作用下的最大相对挠曲值。,3)斜梁计算坡度图,只有当验算规范选门规时,才有输出。门规第3.4.2条中规定,由于柱顶位移和构件挠度产生的屋面坡度改变值,不应大于坡度设计值的1/3。,施工图-如何设计抗剪键?,门规第7.2.20,柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土间的摩擦力(摩擦系数可取0.4)或设置抗剪键承受。程序判断当V0.4N时
14、,自动设置抗剪键。抗剪键的计算混凝土承压抗剪键根部截面抗弯,抗剪验算(控制)抗剪键与底板连接焊缝验算,【例题2】:带吊车双跨四坡门式刚架,总跨度60m,总长度72 m,檐口高度8m,屋面坡度1/10,牛腿高度6m,刚架柱距6m。钢材采用Q235。恒荷载0.3kN/m2,活荷载(取屋面活荷载和雪荷载中较大值)0.6kN/m2,基本风压0.5kN/m2,每跨有两台起重量为5吨的轻级工作制吊车。吊车的平面布置及注意事项?抽柱厂房如何设计?08版本中吊车荷载有何改进?如用SATWE进行吊车荷载计算时有哪些注意事项?吊车荷载的计算是否可以传入基础?,带吊车门式刚架结构的设计,【例题3】一单跨双坡单层厂房
15、,采用混凝土柱,轻钢屋盖(屋面梁采用实腹钢梁)。跨度为18m,檐口高度为9 m,坡度为1/10,柱距为6 m,屋面恒载为0.3KN/m2,活荷载为0.5KN/m2,基本风压为0.35KN/m2。,混凝土柱-轻刚屋盖结构的设计,模型的正确建立,建议的连接形式:混凝土柱与钢梁采用铰接连接,混凝土柱底采用刚接,多跨情况下的中间混凝土柱与钢梁的连接采用钢梁连续,混凝土柱铰撑于钢梁底面;设计控制:结构类型应选择“单层钢结构厂房”,钢梁应满足钢结构设计规范相关要求,当采用工形变截面梁时,建议梁构件承载力的校核采用按门式刚架规程进行校核,以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算,但局部稳定应满足钢结构设计规范、
16、抗震规范的要求;挠度控制,考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不是非常敏感,在有经验的情况下可较钢结构设计规范的挠度控制指标(L/400)适当放宽;,不当的模型会导致的问题,如果在柱与基础设计时,没有考虑屋面斜钢梁对柱的推力,会导致柱配筋与基础的设计严重偏小,按这种方式设计的结构在安装过程中就有可能出现基础被翘起、混凝土柱顶位移过大、柱身出现裂缝、钢梁挠度过大等问题。而在分析钢梁时,把钢梁两端视为固定铰支座或建两根短柱作为支座都会夸大混凝土柱对钢梁的约束作用,导致钢梁轴力增大、跨中弯矩减小、挠度减小等不真实情况,这时往往会出现安装后的钢梁的挠度要大于计算挠度、钢梁有可能整体屈服失稳、局部压屈等
17、不安全问题;,整体分析时,分析模型要与连接构造处理相对应。混凝土柱与钢梁的铰接连接处理一般存在三种连接构造处理:完全抗剪连接构造,这种连接构造能够把梁端的推力以剪力的方式完全传递给混凝土柱;完全滑移连接构造,这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶自由滑移,梁端的推力由于相对的滑移而释放,作用力不传递给混凝土柱;介于以上二者之间的部分滑移连接构造,这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶有一定的滑移量,梁端的推力由于相对的滑移而部分释放,剩余作用力以剪力的方式传递给混凝土柱。这三种构造应分别对应于不同的计算模型,对于这三种不同的连接计算模型,对内力分析结果带来非常大的差异,下表为某一单跨结构不同的连接计算
18、模型的分析结果比较:,从上表的比较结果可以看出,不同的计算模型,对内力分析结果、设计结果影响非常大:如果一个完全抗剪的连接构造,分析时采用完全滑移的分析模型(砼柱单独作为悬壁柱计算,不考虑钢梁的推力,也属于这种情况),会导致柱的配筋、基础尺寸严重的偏小,带来的后果如同上面柱与基础设计不考虑钢梁推力的情况一样。而分析时采用的是铰接完全抗剪模式,实际处理时处理成了长圆孔等滑动支座形式,这会导致钢梁的强度应力比、挠度等计算结果严重偏小,同样给钢梁的设计带来不安全隐患;,设置单拉杆的模型,对于风载较大的地区,当风的作用能够克服屋面自重作用(组合:1.0恒+1.4风),出现屋面作用力向上的情况,这时通过
19、在柱顶设置单拉杆来抵抗梁对柱顶的推力作用,会由于出现压力致使该单拉杆失效而退出工作,这时剪力还是能够传递到混凝土柱与基础,对于这种情况下,这种处理是不能起到作用的,不建议采用这种处理。,梁端铰接定义,对于定义完全滑移与部分滑移的分析模型,必须保留一个梁端为完全约束的普通铰接节点,否则会出现分析上的可变体系,使分析无法进行。在定义完全滑移或部分滑移约束的情况下,程序分析结果中,在查看该混凝土柱的构件信息时,能够发现程序实际分析出来的滑移量计算结果,根据分析结果可以用来处理设置滑移的节点构造。,门式刚架施工图程序中,能够根据整体分析的结果,处理这类节点及钢梁的施工图;,在容许滑移的连接节点施工图中
20、,底板设置长圆孔,长圆孔标注的长度尺寸为支座底板相对于支承面的容许滑移距离,为保证滑移的顺利进行,垫板与底板之间不应施焊,底板于混凝土柱顶接触面处理应保证支座底板与支承面间在容许距离内自由滑动。对于限制滑移量的连接节点中,当滑移量达到容许距离时支承面应设置可靠抗剪措施,限制继续滑移,使剩余剪力能够完全传递给柱。混凝土柱身配筋图,可以在STS二维整体分析的基础上,接力PK进行绘图,有吊车作用的混凝土排架柱,直接接PK模块中的排架柱绘图,普通无吊车混凝土柱,接PK模块中的框架绘图。,第二部分 框架结构设计,【例题4】:6层钢框架,长度25.2m,宽度18m,两个结构标准层,标准层平面图如下图。各层
21、层高3.3m,恒荷载3.0kN/m2,活荷载3.0kN/m2,基本风压0.35kN/m2,7度地震。,空间计算SATWE参数的合理选取与结果分析,如何理解“水平力与整体坐标夹角”与“斜交抗侧力构件方向附加地震数,相应角度”?总信息水平力与整体坐标夹角 该参数为地震力、风荷载作用方向与结构整体坐标的夹角。当需进行多方向侧向力核算时,可改变此参数。,地震信息斜交抗侧力构件方向附加地震数,相应角度抗震规范第5.1.1-2条规定:有斜交抗侧力构件的结构,当相交角度大于15度时,应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。(高钢规4.3.2)程序最多可取5组地震力,附加地震数可在05之间取值。在“相应角度
22、”输入角度。比如,在“附加地震数”中输入2,在“相应角度”中输入30度和45度,则程序就会自动以30度和120度、45度和135度各为一组,计算水平地震作用。,总信息 转换层所在层号对于带转换层的框支剪力墙等结构,设计人员应输入转换层所在层号,输入转换层数后,程序能够自动按照高规的规定正确地对框支梁、柱、落地剪力墙的抗震等级、内力等进行调整。转换层所在层号应包含地下室层数。对部分框支剪力墙结构,当转换层的位置设置在3层及3层以上时,其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级尚宜按高规表4.8.2和表4.8.3的规定提高一级采用,已为特一级时可不再提高。高规第10.2.5条。,总信息 对所有楼层强制
23、采用刚性楼板假定抗震规范和高规均要求,在计算结构的楼层位移比和层间位移比时,要采用刚性楼盖(刚性楼板假定)。若有不与楼板相连的构件或定义了弹性楼板,输出结果与规范要求不符。因此,设计人员在计算位移比时应考虑“强制执行刚性板假定”。在计算结构的内力和配筋时,则应将此选项去掉。,结构材料信息中选择“有填充墙钢结构”与“无填充墙钢结构”对计算结果有何影响?,计算风荷载时,由于选有墙体材料填充的房屋钢结构和无墙体材料填充的房屋钢结构,结构的阻尼比取值不同,则脉动增大系数值不同.不会影响风荷载计算时的迎风面宽度。,对钢结构取0.01,对有墙体材料填充的房屋钢结构取0.02。,总信息墙梁转框架梁的控制跨高
24、比(0为不转)程序对于建模时输入的剪力墙洞口进行自动判断,对于跨高比大于该值的墙梁自动转换为框架梁,采用梁元进行分析,否则仍按墙元分析,如果输入零值则不进行转换。但目前程序自动判断局限于规则对齐的洞口,对于上下层洞口不对齐、墙厚变化等特殊情况不进行转换,应通过平面图查看转换后的结果。,总信息 结构恒载计算模型信息一次性加载:按一次加荷方式计算竖向力,采用整体刚度一次加载模型,这种计算模型适用于多层结构,或有上传荷载(如:吊柱等)的结构。其计算结果的主要特点是结构各点的变形完全协调,并由此而产生的弯矩在各点都能保持内力平衡状态。但是,由于竖向荷载是一次性加载到工程中从而造成结构竖向位移往往偏大。
25、模拟施工加载1:采用整体刚度分层加载模型。这种计算模型普遍应用于各种类型的下传荷载的结构,目的是去掉下部荷载对上部结构产生的平动影响。注意,其不适应有吊柱的情况。,X,Z,a 一层加载,b 二层加载,c 三层加载,图一,模拟施工1,只对上部结构起作用,对底部传基础荷载,并没有起到调节作用。所以框剪结构传基础荷载还是会出现黑洞现象,即剪力墙下的轴力很大,柱下轴力很小,造成地基沉降、承载力等验算误差。可以采用“模拟施工2”的计算方法解决这个问题,它是把柱的轴向刚度提高10倍,以减少柱、墙的刚度差异,从而起到调整传基础的荷载。,施工加载2:按模拟施工加荷方式1计算竖向力,同时在分析过程中将竖向构件的
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