中心支撑钢框架相关知识期末总结_钢框架设计总结
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期末总结
研究生的第一个学期马上就要过去了，这个学期的学习成果主要分专业知识和软件方面，现总结如下：
一、专业知识
(一)与混凝土结构相比，钢结构的优点 1.抗震性能优于混凝土结构；
2.结构自重小，降低基础工程造价； 3.减小建筑物中结构所占面积； 4.施工周期段。(二)框架支撑结构体系
1、与纯框架结构对比
[纯框架【UBF】] 纯框架结构是靠梁柱的抗弯刚度来抵抗水平力的。
在纯框架结构中加上抗侧力构件就构成双重抗侧力体系，当抗侧力构件设置成支撑时就构成了框架支撑结构体系。这种体系竖向荷载由抗弯框架承担，侧向作用按照抗弯框架和支撑框架的刚度比例进行分配。
2、分类
根据支撑杆件设置方式的不同，支撑框架可分为中心支撑框架【CBF】、偏心支撑框架【EBF】和偏离中心支撑框架【OBF】（1）中心支撑框架【CBF】
①特点：斜杆与横梁及柱汇交于一点，或两根斜杆与横梁汇交于一点或与柱汇交于一点，汇交点均无偏心距。
②根据斜杆的不同布置，可分为十字交叉支撑(a)、单斜杆支撑(b)、人字形支撑(c)、K字形支撑(d)、V型支撑(e)、跨层X形中心支撑(f)等。
（a）
(b)
(c)
（d）
(e)
(f)(a)十字交叉支撑具有施工及洞口布置方面的略势；
(b)单斜杆支撑劣势是不宜用于往复荷载作用下的对称结构中；
(c)人字形支撑优点是便于洞口的布置，应用范围广；缺点是在罕遇地震地震下，由于受拉和受压支撑的极限承载力不同，会出现梁在支撑交叉点处的不平衡集中力，加重梁的负担，甚至会使设置有支撑的横梁的截面比临近梁大很多；
(d)K字形支撑，两支撑的不平衡力将有可能使柱中点形成塑性铰，在有抗震要求的结构中是不允许使用的；
(e)V字形支撑优点是便于洞口的布置，应用范围广；缺点是在罕遇地震地震下，由于受拉和受压支撑的极限承载力不同，会出现梁在支撑交叉点处的不平衡集中力，加重梁的负担，甚至会使设置有支撑的横梁的截面比临近梁大很多；
(f)跨层X形中心支撑可以避免产生梁的不平衡力所带来的材料浪费和设计上的麻烦，同时又具有人字形及V形支撑的优势。（2）偏心支撑框架【EBF】
①特点：每一根支撑斜杆的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相交。②支撑斜杆和柱之间或斜杆与斜杆之间形成耗能梁段α。
设置耗能梁段的目的是改变支撑斜杆与梁（耗能梁段）的先后屈服顺序，即在罕遇地震下，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能，另一方面使耗能梁段的剪切屈服在先（同跨其余梁未屈服），保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在后，从而有效的保持并相应的延长结构抗震能力的持续时间，并达到节约钢材的目的。
③根据支撑斜杆形式的不同，主要分为D形、K形、V形和Y形几种常用形式以及它们的一些改形。
(3)偏离中心支撑框架【OBF】
①特点：人为的将两根交叉支撑的斜杆的交点偏离对角线，产生一个预先设定的偏心率e。支撑斜杆由不在同一条直线上的两根斜杆支撑和拉杆组成。
②该结构体系一旦承受一旦承受水平荷载，三根支撑均同时受力，荷载增加会破坏原有平衡，形成新的平衡。这种支撑体系从受力开始就是几何非线性的，而其几何非线性主要取决于偏心率e的大小和拉杆的相对刚度。③该结构体系的偏心率达到某种程度，结构的地震力将将明显减少。该支撑体系通常可设于建筑物底层，与上部的其他支撑体系共同构成抗侧力体系。注意：由于地震荷载的循环往复特征，这种支撑体系应当两跨成对的布置而不是单跨布置。
这种支撑体系一方面能为建筑物底层提供一个较为敞开的空间，满足底层的功能要求； 另一方面，它能减小地震力作用，在某种程度上起到隔震的作用。
④由于材料的非线性性能，使结构有良好的耗能性能，但底层侧移量也会增加。因此，设计中应当格外注意P—Δ效应对应用该支撑体系的多层和高层建筑的影响。
3、支撑杆件的设计必须满足以下原则：
①支撑杆件的选择必须避免在发生反复的受压屈曲和受拉屈服时产生过早的失稳；
②支撑的连接必须确保支撑承受预期的最大荷载，水平荷载作用下确保支撑的正常工作； ③在地震荷载作用下，柱必须在弹性范围内工作，以承受地震荷载作用下产生的最大轴向力； ④梁必须能够承受支撑杆屈曲时传来的轴力和弯矩，同时在支撑杆屈曲后还能够承担梁上部的竖向荷载；
⑤在梁端塑性铰出现的位置，梁必须能够承担塑性弯矩，同时承担由于支撑斜杆的拉压屈曲所带来的荷载。
4、为防止框架——中心支撑结构在罕遇地震作用下发生整体倒塌，地震区的框架——中心支撑结构设计应符合三水准的抗震设防要求：
(1)形成多到抗震防线。大震时，第一道防线（支撑）首先出现塑性铰，耗散地震能量。这些构件即使有破坏也不会对整个结构的竖向构件承载力有太大影响；(2)结构体系应具有支撑——梁——柱的屈曲顺序机制，因此应尽量避免支撑既承担水平剪力又传递竖向荷载，尤其应尽量避免使其成为传递竖向荷载的主要构件，而应使支撑框架和抗弯框架形成的双重体系刚度匹配合理，使得大震时支撑先行压曲，推迟在柱内形成塑性铰；(3)结构体系的侧向刚度要连续化，避免刚度突变，以减少薄弱部位和应力集中部位。(三)结构影响系数
1、基本知识
(1)结构的影响系数也称为地震折减系数、地震反应修正系数，在美国规范UBC97中称为结构反应修正系数，在欧洲规范EC8中称为性能系数。
(2)结构影响系数主要和结构体系的延性和超强（强度储备）有关。结构的延性、超强能力越大，地震作用取值应越小。
2、定义
如右图，横轴为结构顶点水平位移，纵轴为结构基底剪力。
OA为结构保持完全弹性时的反应曲线； ODEFG为强震下结构的实际反应曲线； ODCG为理想弹塑性结构反应曲线； Ve为完全弹性时最大基底剪力，Δe为对应的顶点位移；
Vy为显著屈服时基底剪力，Δy为对应的顶点位移；
Vd为设计的基底剪力，Δd为对应的顶点位移；
Δmax为实际结构顶点的最大位移
结构影响系数定义为：R=Ve/Vd=(Ve/Vy)*(Vy / Vd)=Rμ*RΩ
位移放大系数定义为：Cd=Δmax/Δd 式中Rμ=Ve/Vy 为结构延性系数；RΩ= Vy / Vd 为结构超强系数
结构的最大侧移等于设计地震作用弹性位移Δd乘以位移放大系数，即Δ
max
=Δd * Cd
定义位移延性系数μs=Δmax/Δy
由于Δy/Δd= Vy / Vd= RΩ,则Cd=Δmax/Δd=（Δmax/Δy）*（Δy/Δd）=μs* RΩ
3、结构影响系数的求法
(1)进行结构设计得出对应的设计基底剪力Vd ；
(2)对结构进行增量动力分析并得出基底剪力V—顶点位移Δ曲线；
增量动力分析就是不断的增加地震动强度，每增加一次就做一次弹塑性动力时程分析，以了解从小震到大震的整个过程中结构的动力反应。(3)对分析数据进行整理、分析，得到结构影响系数R。
(四)低周疲劳损伤积累分析
1、结构疲劳行为分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳循环荷载对应的应力、应变主要处于弹性范围，结构具有较长的失效循环次数；而低周疲劳由反复塑性应变造成，结构的失效循环次数较短。
2、钢结构构件和节点的低周疲劳寿命的研究方法主要有：S-N曲线分析方法、断裂力学分析方法和局部应变分析方法。(1)S-N曲线分析方法
对于高周疲劳行为可采用传统的名义应力法通过S-N曲线来获得疲劳寿命，曲线可由实验数据得到，关系式为：
N(Δσ)m=C(a)其中N为疲劳寿命；Δσ为应力幅；m和C为S-N曲线的材料常数 可以将基于S-N曲线的高周疲劳分析思想引入低周疲劳研究。通过一定假设将(a)式的应力幅Δσ由应变幅Δε来表达，并将相关参数进行变换，实现对结构构件和节点的低周疲劳分析。这些变换包括应变幅Δε的定义、疲劳失效准则的研究和参数m的定义。
① 应变幅Δε的定义
ⅰ.在疲劳荷载作用下，钢框架梁柱构件和节点会出现不同类型的应力集中。钢框架梁柱节点由不同组件构成，而几何不连续性成为导致这种应力集中的原因。
ⅱ.对于低周疲劳S-N曲线分析的应变幅Δε主要通过等效位移幅和等效应力幅表达。
② 疲劳失效准则的研究
ⅰ.结构的失效并不是构件发生完全的断裂，而可能包含材料的循环软化或硬化，整体和局部的构件屈曲，连接件的破坏等。所以，疲劳失效准则应能较好的反应结构的破坏模式，并结合结构的强度、刚度和能量耗散等特征参数使疲劳设计偏于安全。
ⅱ.结构构件的高周疲劳寿命通常采用以结构静载强度理论为基础的实效准则进行预测，而这种失效准则不能充分用于高应力低周次的疲劳失效判断。目前主要采用基于能量耗散和等效位移幅的低周疲劳失效准则来评价钢框架梁柱节点和构件的低周疲劳性能。③参数m的定义
ⅰ.在疲劳S-N曲线的几何表达式中，安全寿命设计区段的斜率由（-1/m）表示。通常通过实验数据的线性拟合来确定参数m。
ⅱ.参数m与应变幅的定义有关。应变幅既可通过结构位移幅的塑性部分，也可通过结构整体位移幅（包括弹性和塑性部分）来定义。(2)断裂力学分析方法
①断裂力学以含有初始类型裂纹缺陷为前提，着重研究疲劳裂纹亚临界的扩展规律，从而可以对裂纹扩展寿命进行准确的预测。
②疲劳裂纹扩展速率的表达式有多种形式，其中被学术界和工程界广泛接受的是Paris公式。Paris公式将疲劳裂纹扩展数据与应力强度因子变化幅度联系起来是断裂力学分析方法的理论基础。(3)局部应变分析方法
应用于结构低周疲劳分析的局部应变分析方法是通过材料的疲劳性质来确定裂纹形成寿命。
3、低周疲劳分析方法的应用
(1)S-N曲线分析方法较为简单并较多应用于梁柱节点的寿命预测，包括刚性全焊接节点和半刚性螺栓节点。通过等效应力幅的S-N曲线分析方法可以实现对梁柱节点的低周疲劳进行评价。(2)基于裂纹扩展寿命的断裂力学分析方法主要应用于刚性全焊接节点的疲劳分析且更适用于裂纹稳定开展阶段的寿命预测。
(3)局部应变分析方法的精度较高，但往往在裂纹开展阶段较为有效。这是因为在循环荷载作用下，每一个载荷循环材料都可能存在硬化和软化，而随疲劳加载裂纹的开展，裂纹的尺寸将不断的改变和不稳定的发展，所以裂纹尖端的应变计算非常复杂。
(五)滞回曲线（Hysteretic curve）
1、定义：在力循环往复作用下，得到的结构荷载－变形曲线。它反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗，是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据，又称恢复力曲线（restoring force curve）。
2、分类
结构或构件滞回曲线的典型形状一般有四种:梭形(a)、弓形(b)、反S形(c)和Z形(d)。
梭形说明滞回曲线的形状非常饱满，反映出整个结构或构件的塑性变形能力很强，具有很好的抗震性能和耗能能力。例如受弯、偏压、压弯以及不发生剪切破坏的弯剪构件。具有良好塑性变形能力的钢框架结构或构件的P一△滞回曲线即呈梭形。
弓形具有“捏缩”效应，显示出滞回曲线受到了一定的滑移影响。滞回曲线的形状比较饱满，但饱满程度比梭形要低，反映出整个结构或构件的塑性变形能力比较强，节点低周反复荷载试验研究性能较好，能较好地吸收地震能量。例如剪跨比较大，剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件和压弯剪构件，一般的钢筋混凝土结构，其滞回曲线均属此类。
反S形反映了更多的滑移影响，滞回曲线的形状不饱满，说明该结构或构件延性和吸收地震能量的能力较差。例如一般框架、梁柱节点和剪力墙等的滞回曲线均属此类。
Z形反映出滞回曲线受到了大量的滑移影响，具有滑移性质。例如小剪跨而斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件等，其滞回曲线均属此类。
3、滞回曲线特点(1)加载曲线
每次加载过程中，曲线的斜率随荷载的增大而减小，且减小的程度加快；比较每次同向加载，后次曲线比前次曲线斜率减小，表明：反复荷载下构件的刚度退化。
(2)卸载曲线
刚开始卸载时，回复变形很小；荷载减小后曲线趋向平缓，恢复变形逐渐加快，即恢复变形滞后现象。曲线斜率随反复加载次数增大而减小，表明卸载刚度退化。
(3)滞回环
滞回环的对角线斜率反应构件的整理刚度。滞回环包围的面积是荷载正反交变一周后结构所吸收的能量，所以滞回环饱满者有利于抗震。
4、多种受力状态的滞回曲线
(1)提高配筋率，滞回曲线饱满，有利于抗震。
(2)受弯构件（轴压比为0），滞回曲线十分饱满，又很好的延性和耗能性能。
(3)压弯构件(轴压比不为0)，轴压比提高，延性明显下降，滞回环严重捏拢。
(4)受扭构件：纯扭构件出现裂缝后，刚度严重退化，滞回环呈反S型；压扭构件由于压力的存在延缓了斜裂缝的开展，滞回曲线相对饱满。
二、软件方面(一)ETABS ETABS主要学习了一下简单的混凝土框架结构的设计，现在就一个例子说明问题。
1、工程概况
某办公楼为6层的钢筋混凝土框架结构，平面图、立面图见下图。
框架柱尺寸 600X600 边梁 300X600 中间梁 200X500 板厚 100 混凝土强度等级 C30 受力钢筋 HRB400 箍筋 HPB235 活荷载 2KN/m
2不考虑风荷载和地震作用
平面图
立面图
2、建模(1)创建文件
文件——新模型，进入新模型初始化对话框(图1)，点击“否”,进入建筑平面轴网系统和楼层数据定义对话框（图2）
图1
图2 由于本例不属于等间距轴网，点击自定义轴网间距——编辑轴网，进入定义轴网数据对话框（图3）
确定后返回到建筑平面轴网系统与楼层数据定义对话框（图4），根据本例要求修改楼层数据即可。注意：添加结构对象选择轴网。
视图框显示如图5.1、图5.2所示。
图3(2)设置结构总体信息
选项——首选项——结构总体信息，进入一般首选项对话框(图6)(3)定义材料属性
定义——材料属性，进入定义材料对话框（图7），添加新材料，进入材料属性数据对话框（图8）
定义新的材料C30后，确定，返回定义材料对话框，可以看见定义的新材料C30已经在材料列表中（图9）。(4)定义构件截面 ①定义框架柱截面
定义——框架截面，进入定义框架属性对话框（图10）,点击右面第二个下拉菜单，选择Add Recrangular（导入矩形截面）,进入Recranular 截面对话框（图11），修改相应项后，点击布筋，进入布筋数据对话框（图12），确定，返回Rectangular 截面对话框，可以看出右面的显示框内已经出现布筋结果（图13），定义好柱截面C600X600。②定义梁截面
定义——框架截面，同定义框架柱，进入Recranular 截面对话框（图14），点击布筋，进入布筋数据对话框（图15），分别定义好边梁和中间梁截面B300X600、B200X500。③定义楼板截面属性 定义——墙/楼板截面，进入定义墙/楼板截面对话框（图16），点击右面下拉
图4 菜单，选择Add New Slab(增加新楼板)，进入墙/楼板截面对话框（图17），修改数据后，确定，回到定义墙/楼板截面对话框，可以看到新定义的板 F100 已经在列表中（图18）。(5)绘制构件
点击平面视图任意位置，使其处于高亮状态。
状态栏右侧相似楼层下拉菜单选择Similar Stories。①绘制柱
绘图——绘制线对象——按区域点击生成柱，生成对象属性对话框（图19），在Property里选择上面定义的柱截面C600X600。
回到平面视图，采用框选的方法步骤柱。点击A4点，拖到H1点即可。此时视图框显示如图20.1、图20.2。②绘制梁
绘图——绘制线对象——按区域点击生成线，弹出对象属性对话框（图21），在属性里，首先选择边梁的截面B300X600，可以采用点选的方式布置边梁；然后在属性里选择中间梁的截面B200X500，采用点选的方式布置中间梁。
视图框显示如图22.1、22.2。③绘制板
绘图——绘制面对像——绘制矩形面，弹出对象属性对话框（图23），在属
图5.1 性里选择F100，采用框选布置板。点击A4点，拖到H1点即可。
为了便于观察板，可是设置视图。视图——设置建筑视图选项，勾选对象填充和应用到所有窗口。
视图框显示如图24.1、24.2所示。(6)对结构底部施加约束
①将平面视图改为底层平面视图
视图——设置平面视图，选择Base即可。
②选择Base层所有的点对象（框选）。
③添加约束
指定——节点/点——约束（支撑），弹出指定约束对话框（图25）(7)定义静力荷载工况
定义——静荷载工况，弹出定义静荷载工况名对话框（图26）(8)对结构施加静力荷载
选择——按面对象类型，弹出选择面对象类型对话框（图27）指定——壳/面荷载——均匀，弹出均布面荷载对话框（图28）
图5.2
图6
图7
图8
图9
图10
图11
图12
图13
图14
图15
图16
图17
图18
图19
图20.1
图20.2
图21
图22.1
图22.2
图23
图24.1
图24.2
图25
图26
图27
图28
至此，建模结束。
3、运行分析
分析——运行分析
分析结束后，查看分析结果
①查看A轴立面在DEAD荷载作用下的变形图
视图——设置立面视图，选择A。视图显示如图29 显示——显示变形形状，出现变形后形状对话框（图30）视图框显示见图31 ②查看A轴立面在DEAD荷载作用下的弯矩图
显示——显示构件受力/应力图——框架/墙肢/连梁受力，弹出框架的构件受力图对话框（图32）视图框显示见图33
图29
图30
图31
图32
图33
4、进行设计
选项——首选项——混凝土框架设计，弹出混凝土框架设计首选项对话框（图34）。
设计——混凝土框架设计——开始结构设计/检查，视图框显示见图35。
设计——混凝土框架设计——显示设计信息，弹出显示设计结果对话框（图36），此时在显示设计信息的视图上，任意梁上点击鼠标右键，可以弹出梁的混凝土梁设计信息对话框（图37）。
分别点击摘要、弯曲细节、抗剪细节可查看梁设计的具体信息。
点击覆盖项可以进行更换截面的等各项内容，确定后ETABS自动重新设计。
重复分析设计。
结束设计后，点击校核分析与设计截面，弹出Analysis and design sections match for all concrete frames,可以结束设计过程。
图34
图35
图36
图37
(二)Midas gen Midas gen 主要是学习了一下简单的建模过程，现就一个简单的例子说明建模全过程。
1、工程概况
该工程为单层框架，平面图、立面图见下图。框架柱尺寸
上柱：300X300
下柱：500X500 主梁尺寸
300X500 混凝土强度等级：
C30
平面图
立面图
2、建模(1)新建文件
文件——新项目——保存(2)改单位
修改窗口右下角单位为KN、m(3)定义材料、截面
模型——材料和截面特性——材料
弹出材料和截面对话框（图1），单击添加，弹出材料数据对话框（图2）。修改相应数据即可。
单击截面——添加，进入截面数据对话框(图3)，分别定义下柱，上柱和梁数据（图4）(4)建立框架梁
用结构建模助手建立框架梁
模型——结构建模助手——框架
弹出框架建模助手对话框，输入选项卡（图5），编辑选项卡（图6），插入选项卡（图7）
注：这里通过调节Beta、Alpha、Gamma来使所见模型位于某一个平面，处于某一种姿态。其中Beta指的是梁单元绕全局坐标系Y轴的旋转角度；Alpha指的是梁单元绕全局坐标系X轴的旋转角度；Gamma指的是梁单元绕全局坐标系Z轴的旋转角度。
框架梁的模型窗口显示见图8
图1
(5)建立框架柱 ①全选
视图——选择——全选 ②定义柱单元
模型——单元——扩展
树形菜单显示单元选项卡（图9）模型窗口显示见图10。
(6)边界条件 ①选底部节点
视图——选择——平面（图11）②对选择的节点赋边界条件
模型——边界条件——一般支撑（图12）
(7)分割柱
选中待分割柱，模型——单元——分割，树形菜单栏出现单元——分割单元选项卡（图13）
模型窗口显示见图14(8)修改上柱尺寸 选上柱，模型——单元——修改单元参数，树形菜单栏出现单元——修改单元参数选项卡(图15)模型窗口显示见图16
(9)边柱边缘对齐
①对边柱编号（图17）
图2 ②定义不同截面
模型——材料和截面特性——截面（图18）
复制6个上柱截面分别编号4、5、6、7、8、9（图19）分别修改每一个边柱对应的偏心即可。以4号柱为例
点击4号截面——编辑，进入截面数据对话框（图20）点击修改偏心，进入修改偏心对话框（图21）
图3
依次将4、5、6、7、8、9号材料的截面都修改完。③将4、5、6、7、8、9号材料分别赋给4、5、6、7、8、9号上柱
以4号柱为例
模型——单元——修改单元参数，树形菜单栏出现单元——修改单元参数（图22）
模型窗口显示见图23
图4
图5
图6
图7
图8
图9
图10
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图12
图13
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图19
