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1、STAAD在多层化工钢结构框架中的应用毛* 东洋工程(上海)有限公司 2011年6月摘要：复杂钢结构模型的设立，STAAD软件的应用特点及其在多层化工钢结构框架中实际遇到的问题及解决办法。关键词：STAAD/Pro,化工多层钢结构，结构分析Abstract: Complex steel structure model build up, the speciality of the application on the STAAD software and the problem and its solution when it is used for the multilayer petroc
2、hemical steel structure design.Keywords: STAAD/Pro, multilayer petrochemical steel structure, structure analysis. 1,前言随着大型化工厂在中国的设立，越来越多的大体量多高层钢结构在化工厂中被采用，一款更有效的软件STAAD也越来越多的应用到结构设计中来， STAAD是美国REI公司的一款结构设计分析软件，因为其在荷载，刚度上很好地达到了三维空间模拟的效果，能很好应对化工钢框架荷载分布不均匀，空间布置不规整的特点，从而使计算结果更准确真实，已经越来越多的受到国外及国内工程师的青睐。本
3、文就结合笔者的实际工程经验展开如下。(以江苏省张家港道康宁二期项目主装置钢结构框架为例)2,结构建模 STAAD提供了一个最简单直观的建模步骤，即以点的概念进行整个模型的建立，简单地来说，通过一个基础点(提供空间XYZ坐标)复制，偏移定义好所有点，然后连接成线成为杆件单元，连接成面形成壳体，亦可以连成立方体构成板或者实体单元。一般情况下多高层钢结构框架以杆件单元为主，钢结构格栅板仅以荷载输入。 同时STAAD提供了一个开放的模型文件，即*.std 文件，打开该文件，可以修改编辑，保存后就可以显现在三维模型中，这也为一些奇异模型的建立提供方便，如螺旋形结构就可以在excel中计算生成各个点的坐标
4、，然后复制到*.std文件中。另外通过AutoCAD或者Frame work建模后再导入STAAD也是一种方法，不过该方法在模型中容易形成多余节点使杆件单元变得很零碎，所以建议不要采用。详细模型建立的操作方法可以参见STAAD软件的操作手册。 道康宁二期项目就是根据一个基础点，然后再连接成整个杆件框架的，具体模型如下图所示，该模型中的水平支撑，立面支撑都按照实际情况建入了。 模型建立完成之后需要指定各个单元之间的约束及支座状况，STAAD对每一个支座或节点提供了6个方向自由度的约束状况，即Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz,特别要注意区分支座和连接节点之间的x,y,z对应的坐标系是不同的，支座
5、约束相应整个空间的整体坐标系，而杆件节点约束是相应杆件本身的坐标系，（杆件本身的坐标系请参照操作手册上的说明，也可以把杆件的三维显示打开就可以看出杆件本身的坐标系。）杆件之间的节点如果不指定约束类型，默认为刚接。 图a:杆件自身坐标系 图b：整体坐标系 该项目中主梁与主柱强轴的连接采用端板刚接连接，该类型的节点约束应该设定为Fx,Fy,Fz,Mx,Mz固定，而My释放(端板连接考虑成不能承受弱轴的弯矩)，当然如果将该节点考虑成半刚接，还可以设置弹性约束。梁柱的弱轴铰接及梁梁铰接应该设置成Fx,Fy,Fz固定，My,Mz释放，注意Mx也要设置成固定，因为x轴是沿杆件自身的轴线，如果释放就会使杆件
6、绕自身转动，程序会提示警告。支撑杆件按照两端铰接单元设置，也可以直接按照STAAD里的TRUSS构件设置。 杆件断面属性的指定可以选用软件自带的断面表，也可以根据项目需要设立自己的断面表，该项目采用程序安装文件包里的GB11263H.utb文件作为自定义用户断面表，增加了一些该项目的特殊断面。要将所有的单元指定断面，同时避免零刚度单元(约束释放太多)的存在。 因为大型钢结构框架里面的单元数很多，在初步模型建立完成之后一定要进行模型的孤立及重复节点检查，同时加上结构的自重荷载，进行模型试分析检查，这样可以有效的避免后期错误的发生。具体的检查方法可以通过查看结构在自重下的变形及支座反力是否合理，同
7、时STAAD自身也会在输出报告中提示warning,在整个模型中尽量消除所有的warning 再继续后续的工作。道康宁二期项目的该模型建成交叉设点后就有8000多个单元，如果前期没有很好检查就进行后期荷载的输入及参数指定将为后续带来很多的重复工作。另外模型的一个设立原则是尽量简化，小的钢结构操作平台可以不需要输入，以荷载计入即可，形形色色的设备及管道也以荷载计入即可。 3,荷载输入及组合 荷载输入同国内同类软件相似，先确定荷载的基本工况，再按照实际情况输入。不过STAAD同样提供了开放的工况设定方法，可以由设计人员自己进行任意工况的细分，拿化工建筑来说，设备及管道荷载就需要考虑充水重，操作重及
8、空重，另外管道还需要考虑温度变形产生的摩擦力及锚定力，部分设备区域还需要考虑爆炸荷载及检修荷载等等，因为可以人工指定荷载基本工况让设计人员在同一个模型中进行各种最不利的荷载组合比较提供了可能。 一般的荷载输入方法参照操作手册，荷载的取值参照上游条件及国内规范即可，在此着重分析一下风荷载和地震荷载的输入。此两项作为结构的主要横向作用荷载，也在结构分析中起到了关键性的作用。A,风荷载 开敞结构的风荷载在较小的钢结构模型中，可以采用先手工计算，然后再输入模型，以节点荷载或者线荷载皆可，但是在复杂模型中，随着后期断面的不断调整，荷载也会随着不同变化，为了减小工作量及更准确，建议采用open membe
9、r 命令，让程序自动计算，不过需要手工指定需要考虑风荷载的单元，不然程序会考虑模型中的所有梁柱为迎风面，增加荷载的实际值，为了更好的契合中国规范，不同高度的风压值仍旧需要手工计算输入。本项目作为开敞钢结构框架，就是采用open member命令输入如下：-WIND LOAD Z 1 TYPE 1 OPEN MEMB 88 TO 98 100.(后面为人工指定的单元号)-DEFINE WIND LOAD (随高度变化的风压值的定义)TYPE 1INT 0.724 0.828 0.937 0.999 1.065 1.147 1.254 1.267 1.225 1.382 1.486 1.573 -
10、 1.626 1.658 1.721 1.816 HEIG 3 5.8 8.4 9.8 11.6 13.8 16.8 17.3 19.8 20.8 22.8 - 25.8 27.65 28.6 30.5 33.3 封闭结构的风荷载虽然STAAD提供了自动计算方法，不过程序在分摊总是会部分判断出错，所以建议以手工计算输入。 化工装置中的管道，设备风荷载由手工计算再以点荷载的形式输入模型。B,地震荷载输入 地震荷载的模拟在STAAD中有两种模拟途径，一种是按照SSDD（STAAD的中国规范模块）进行输入，另一种就是根据STAAD中的美国UBC规范进行模拟。 该项目采用后一种方法模拟，可是在软件设定
11、中UBC规范和中国规范的参数设定完全不同，于是采用了调整美国规范的地震荷载定义的参数，进行试分析，最后达到水平地震影响系数与中国规范中的一致为准，其中水平地震的影响系数1按照GB50011中的地震影响系数曲线计算得到，如下所示： -DEFINE UBC LOADZONE 0.075 I 1.25 RWX 6.9615 RWZ 8.02 STYP 4 CT 0.0488后续以self weight /Joint weight/member weight 来定义质量元。(注意质量元的数值取绝对值) 注意该方法是采用底部剪力法进行计算的模拟，如果结构类型很复杂，需要用振型分解反应谱法分析的时候，可采
12、用SSDD中的中国规范荷载向导来完成输入。只是采用UBC底部剪力法会让结构的地震力变得更明确清晰。 其中设备的地震荷载一般由设备专业提供，考虑到设备重心的高度，在输入中除了考虑设备的水平地震力外，还有在设备支座处形成的拉压力，必须一并以节点力输入，管道的地震力需要以操作重作为计算地震力的质量源，楼面活荷载乘以0.5的系数计入质量源。 荷载组合需要根据国标及化工规范人工指定，现在一般大中型项目业主公司都会指定荷载组合，可参照输入。 注意区分荷载组合的工况种类，如果按照美国的ASD规范来设计，荷载组合为标准组合，该组合可以同时作为位移校核使用，如果按照LRFD来设计，就需要区别对待，目前的SSDD
13、相当于使用LRFD来校核，所以在位移及挠度校核时需要另外采用不同的荷载组合。另外基础沉降计算需要指定额外的准永久组合。该项目就手工指定了此三类组合。4,参数设定及结构分析 在STAAD模型建立完成之后，导入SSDD进行参数的定义，首先需要弄清楚整个结构的类型为双向无侧移，双向有侧移或者仅某一方向有侧移结构，目前常用的化工厂结构为强轴有侧移，弱轴无侧移结构。道康宁项目二期的所有钢结构框架基本都采用强轴梁柱刚接，无支撑，弱轴铰接加立面支撑，柱支座全铰接的结构类型。在指定好结构类型的前提下，程序将根据该前提自动指定各个单元的参数，当然里面有些不对的地方，需要人工干预自动生成的参数列表。而挠度的限值也
14、需要设计人员根据规范人工定义，严格说STAAD可以对每个单元指定不同的校核条件，在工程实际中一般根据主梁，主柱，次梁，支撑来区别设定检验条件。 指定分析完成之后，程序自动会将校核结果大于1.0列为危险杆件，此处的校核结果只是该杆件校核的控制项与许用值的比值系数，可以是应力，也可以是挠度，长细比等，具体超过规范的哪一条程序会在输出结果中显示，方便设计人员人工判断。注意因为参数的设定对杆件的校核结果影响很大，所以必须要返回检查不通过杆件的参数设定，在确认无误的情况下再调整断面。 而结构的层间位移校核通过Print Story Drift 命令输出高度方向各层的层间位移(需要人工指定相应的荷载组合)
15、，供设计人员人工校核，在STAAD中高度方向上标高不同（坐标Y值）的点即认定为一层，然后计算出该层各个节点的平均位移进行层间位移计算，该值与实际情形还是有出入，该项目采用了另外两种方法进行了辅助校核： 1），取出某一榀(或几榀)主要框架，通过打印节点位移命令输出该榀框架的节点位移，然后导入excel,计算出各层的位移比。 2），放大结构在不同荷载工况下的位移，找出个别区域或杆件的位移超常区，通过增加水平支撑或立面支撑达到整个刚度协调，位移协调的目的。5,节点设计及后期结果整理 因为STAAD自身只带有简单的节点设计功能，在实际工程中并没有使用价值，在该项目中为打印出各个单元的节点力，然后在ex
16、cel中筛选出某一种截面的最大端节点力，手工进行节点的螺栓设计，如果遇到个别节点力特别大的位置需要考虑成特殊节点来处理。具体计算方法可以参照中国建筑工业出版社钢结构连接节点设计手册。 STAAD的后续打印里面可以通过相应命令打印出杆件内力，支座反力，节点位移等信息，最终的计算书的整理可以打印出SSDD生成的检验报告。同时STAAD最终模型也可以导入化工设计的PDS系统，与其他各专业进行整厂设计3-D模型的检查。其中打印出的支座反力将作为钢框架基础设计的条件。6,总结 通过以上的介绍，设计者应该对STAAD在化工钢结构设计中的使用有了一定的了解。也希望设计者能更多借鉴该软件强大的结构分析功能，为更经济更精确进行化工复杂钢结构的设计提供帮助。当然软件只是结构设计的一个辅助，在设计的同时更多的要仔细参照中国规范，图集的构造规定，避免盲目依赖于软件。
