例题 钢筋混凝土结构抗震分析及设计
例题. 钢筋混凝土结构抗震分析及设计
概要
本例题介绍使用MIDAS/Gen 的反应谱分析功能来进行抗震设计的方法。
此例题的步骤如下:
1. 简要
2. 设定操作环境及定义材料和截面 3. 建立框架梁 4. 建立框架柱及剪力墙 5. 楼层复制及生成层数据文件 6. 定义边界条件 7. 输入楼面及梁单元荷载 8. 输入风荷载 9. 输入反应谱分析数据 10. 定义结构类型 11. 定义质量 12. 运行分析 13. 荷载组合 14. 查看结果 15. 配筋设计 16. 计算书
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例题 钢筋混凝土结构抗震分析及设计
1 简介
该例题通过建立一个六层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构模型，详细介绍了使用 MIDAS/Gen建立结构模型、施加荷载和边界条件、查看分析结果及进行抗震设计的步骤和方法。
初学者按照本章提示的步骤进行操作，可以在短时间内熟悉和掌握MIDAS/Gen的环境及使用方法。
例题模型的基本数据如下：
轴网尺寸：见平面图
主梁： 250x450，250x500 次梁： 250x400 连梁： 250x1000 柱： 500x500 混凝土： C30 剪力墙： 250
层高： 一层：4.5m 二~六层 ：3.0m 设防烈度： 7º（0.10g） 场地： Ⅱ类
图1 结构平面图
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注：也可以通过程序右下角
随时更改单位。
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2 设定操作环境及定义材料和截面
首先双击桌面上或相应目录中的MIDAS/Gen的 图标。
1：主菜单选择 文件>新项目 文件>保存: 输入文件名并保存 2：主菜单选择 工具>单位体系: 长度 m, 力 kN
图2 定义单位体系 3：主菜单选择 模型>材料和截面特性>材料：添加：定义C30混凝土
材料号：1 名称：C30 规范：GB(RC) 混凝土：C30 材料类型：各向同性
图3 定义材料
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4：主菜单选择 模型>材料和截面特性>截面： 添加：定义梁、柱截面尺寸
图4 定义梁、柱截面
5：主菜单选择 模型>材料和截面特性>厚度：添加：定义剪力墙厚度
图5 定义剪力墙厚度
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3. 建立框架梁
1：主菜单选择 模型>单元>建立: 截面名称：250x450；节点连接：第一点直接点取坐标原点，第二点采用相对坐标dx,dy,dz：0，15，0
图6 建立梁单元 2：复制单元
主菜单选择 模型>单元>复制和移动:
选择复制对象；形式：复制；任意间距：方向x；间距：2@5,2@3.9,2@4.3；
注：图标菜单可
显示节点号。
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图7 复制梁单元 3：主菜单选择 模型>单元>建立: 截面名称：250x450；节点连接：1，13；在“交叉分割”项，将节点和单元都选上。
图8 建立梁单元
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4：复制单元
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主菜单选择 模型>单元>复制和移动: 形式：复制；利用
选取刚建立的单元
移动复制：任意间距：方向y，间距3@5；在交叉分割项，将节点和单元都选上。
图9 复制梁单元
5：定义用户坐标系
主菜单选择 模型>定义用户坐标系>X-Y平面:
坐标原点：26.4,15,0（直接输入数字或鼠标在模型窗口点选）；旋转角度：－60；保存当前UCS：输入名称“用户坐标1”（可自定义）
图10 定义用户坐标系
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6：主菜单选择 模型>单元>建立: 截面名称：250x450；节点连接：采用相对坐标dx,dy,dz：15，0，0
图11 建立梁单元 6：复制单元
主菜单选择 模型>单元>复制和移动: 形式：复制；利用
选取刚建立的单元
移动复制：任意间距：方向y，间距3@5；在交叉分割项，将节点和单元都选上。
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图12 复制梁单元 7：主菜单选择 模型>单元>建立: 截面名称：250x450；节点连接：29，35；在交叉分割项，将节点和单元都选上。
图13 建立梁单元
8：复制单元
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主菜单选择 模型>单元>复制和移动: 利用
选取刚建立的单元；形式：复制；
移动和复制：任意间距，方向x，间距3@-5；在交叉分割项，将节点单元都选上。
图14 复制梁单元 9：建立曲梁
主菜单选择 模型>单元>建立曲线并分割成线单元: 同时删除部分梁单元
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注： 回到整体坐标系 点击UCS/GCS菜单中
快捷键
注：次梁截面修改也可以应用拖放的功能修改截面
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图15 建立曲梁 ：建立次梁
主菜单选择 模型>单元>复制和移动: 选择复制对象；输入复制间距1.75； 截面号增幅选2 (即选择次梁截面)；在交叉分割项，将节点和单元都选上。
图16 建立次梁
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4. 建立框架柱及剪力墙
1：主菜单选择 模型>单元>扩展： 扩展类型：节点—线单元； 单元类型 ：梁单元； 材料：C30 截面：500x500； 输入复制间距：dz=－4.5
注：对于不生成柱子在模型窗口中选择生成柱的节点。
的位置，可以用 解除选择不生成柱子位置的节点。
图17 生成框架柱
2：主菜单选择 模型>单元>修改单元参数>参数类型:
选择Beta角，Beta=60º，在模型窗口选择框架2部分需要旋转的框架柱。 3：主菜单选择 模型>单元>扩展: 扩展类型：线单元—平面单元 单元类型 ：墙单元（板单元） 生成形式： 复制和移动 输入复制间距：dz=－4.5 在模型窗口选择生成墙的梁单元。
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注：扩展时可以勾选目标> 删除选项，确认是否保留梁单元。
图18 生成剪力墙
4：主菜单选择 模型>单元>分割： 单元类型：墙单元 任意间距： X=0,Z=1.9,1.2 在模型窗口选择要分割的墙单元，并按F2键或激活图标
激活。
5： 菜单选择 模型>单元>删除： 在模型窗口选择被删除的墙单元
注：x、z分别指单元坐标系的x、z方向。
图19 墙单元被分割
6：主菜单选择 模型>单元>分割：
单元类型 ：线单元
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注：亦可使用拖放功能；同时考虑在“结构类型”中是否点取“在图形显示中，将梁顶标高与楼面标高（X-Y平面）对齐”
被节点分割：在模型窗口选择要分割的单元及分割单元的节点
图20 分割线单元 7：主菜单选择 模型>单元>修改单元参数： 参数类型：截面号 形式：选择250x1000（连梁截面） 模型窗口选择修改的梁单元
图21 墙洞口布置
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5.楼层复制及生成层数据文件
注：程序自动计算风荷载时，程序将自动判别地面标高以下的楼层不考虑风荷载作用。
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1：主菜单选择 建筑物数据>复制层数据: 复制次数：5 距离：3 添加 在模型窗口中选择要复制的单元
图22 楼层复制
2：主菜单选择 建筑物数据>定义层数据: 点击生成层数据：考虑5%偶然偏心
考虑刚性楼板：若为弹性楼板选择不考虑
地面高度：点击，若勾选使用地面高度，则程序认定此标高以下为地下室，勾选各构件承担的层间剪力
图23 生成层数据
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3：主菜单选择 建筑物数据>自动生成墙号: 避免设计时不同位置的墙单元编号相同，特别是在利用扩展单元功能时，一次生成多个墙单元时，这些墙单元的墙号相同，若这些墙单元不在直线上，X向、Y向都有时，程序则认为没有直线墙不给配筋设计。
6.定义边界条件
主菜单选择 模型>边界条件>一般支承: 在模型窗口中选择柱底及墙底嵌固点
注：可以利用面选
的功能对下部节点进行选择。
图24 输入边界条件
7. 输入楼面及梁单元荷载
1：主菜单选择 荷载>静力荷载工况:
DL:恒荷载 LL：活荷载 WX:风荷载 WY:风荷载
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图25 定义荷载工况 2： 主菜单选择 荷载>自重: 荷载工况：DL 自重系数：Z=－1
图26 定义自重
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3：菜单选择 荷载>定义楼面荷载类型： 定义各房间荷载：办公室、卫生间、屋面 名称：OFFICE 荷载工况：DL（LL） 楼面荷载：-4.3（-2.0） 按
名称：BATHROOM 荷载工况：DL（LL） 楼面荷载：-6（-2.0） 按
名称：ROOF 荷载工况：DL（LL） 楼面荷载：-7（-0.5） 按
图27 定义楼面荷载
4：主菜单选择 视图>激活>按属性激活： 选择按层激活： 激活2F层
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注： 楼面荷载分配不上，可检查分配区域内是否有空节点、重复节点、重复单元。
注： 对于异形板，分配楼面荷载可以采用多边形-长度或者多边形-面积的方法。
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图28 按层激活 5：主菜单选择 荷载>分配楼面荷载:
楼面荷载类型：OFFICE 分配模式：双向（或长度） 荷载方向：整体坐标系Z 复制楼面荷载：方向Z，距离4@3 在模型窗口指定加载区域节点 同样方法输入BATHROOM 楼面荷载
图29 分配楼面荷载
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6：主菜单选择 荷载>连续梁单元荷载： 荷载工况： DL 选择： 添加
荷载类型：均布荷载 荷载作用单元：两点间直线
方向：整体坐标系Z 数值：W= -10 复制荷载：方向Z，距离4@3 加载区间（两点）：选择加载梁单元。
图30 输入梁单元荷载
7：重复步骤5和6输入屋面荷载及梁单元荷载
8：主菜单选择 视图>激活>全部激活 视图>显示: 荷载 查看输入的荷载
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图31 显示荷载
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8. 输入风荷载
1：主菜单选择 荷载>横向荷载>风荷载> 添加
荷载工况：WX
风荷载设计标准： GB50009－2001。
风荷载方向系数：X轴方向系数 1 Y轴方向系数 0
注：程序只能自动计算有刚性板假定层的风荷载。
图32 风荷载输入 2：重复步骤1，输入Y向风荷载WY，注意此时风荷载方向系数：X轴方向系数0，Y
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轴方向系数1。
9. 输入反应谱分析数据 24
1：主菜单选择 荷载>反应谱分析数据>反应谱函数>添加:
设计反应谱：GB50011－2001；
设计地震分组：1；地震设防烈度：7º（0.10g）； 场地类别：Ⅱ； 地震影响：多遇地震； 阻尼比：0.05
图33 生成设计反应谱
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2：主菜单选择 荷载>反应谱分析数据>反应谱荷载工况: 特征值分析控制>频率数量（振型数）：6 振型组合方法：CQC 反应谱荷载工况名称：Rx (Ry) 地震角度：0º( 90º) 周期折减系数：0.8
图34 反应谱荷载工况 25
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注：此处转换得荷载不包括自重。
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10. 定义结构类型
主菜单选择 模型>结构类型 结构类型：3-D平面(三维分析)
将结构的自重转换为质量：转换到X、Y (地震作用方向)
图35 定义结构类型 11. 定义质量 主菜单选择 模型>质量>将荷载转换成质量： 质量方向：X，Y 荷载工况：DL ( LL)
组合系数：1.0 ( 0.5)
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图36 定义质量
12. 运行分析
主菜单选择 分析>运行分析
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13.荷载组合
主菜单选择 结果>荷载组合: 一般组合：用于查看内力变形等，一般组合中有包络组合 混凝土设计：用于结构设计部分组合 点击自动生成 设计规范：GB50010－02
注：
1. 考虑双向地震勾选双向地震程序会在荷载组合中自动添加。
2.用户亦可自定义所需的荷载组合，先在左侧名称一栏定名称，在右侧选择荷载工况和组合系数。
图37 荷载组合
14．查看结果 1. 查看反力及内力
1：主菜单选择 结果>反力>反力：
柱脚内力（轴力和弯矩）
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图38 Z向与X向基底反力
2：主菜单选择 结果>反力>查看反力: 可以查看基底任意节点内力 2.位移
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主菜单选择 结果>位移>位移形状: 可以查看任意节点各方向位移
>位移等值线: 可以查看任意节点各方向位移
注意：位移非挠度，挠度应为相对位移
>查看位移: 查看每个节点位移情况
图39 水平力作用下各层侧移简图
3. 构件内力与应力图
1：主菜单选择 结果>内力>梁单元内力图: 查看在各种工况组合下梁单元内力
墙单元内力图: 查看在各种工况组合下墙单元内力
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图40 梁单元内力图 图41 墙单元内力图
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2：主菜单选择 结果>应力>梁单元应力图: 查看各种工况组合下梁单元应力 3：主菜单选择 结果>内力>构件内力图: 查看在各种工况组合下构件的内力
图42 构件内力图
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4. 梁单元细部分析
主菜单选择 结果>梁单元细部分析: 查看各个梁单元在各种工况作用下应力及内力图
图43 梁单元细部分析
5. 振型形状及各振型所对应的周期 主菜单选择 结果>周期与振型: 查看各种振型作用下的结构各向位移及自振周期
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图44 振型形状及周期 6. 稳定验算
主菜单选择 结果>稳定验算: 刚重比验算 结构类型： 框—剪 荷载工况：全选
注：高层建筑结构的整体稳定验算按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002中的第5.4.1条，5.4.4条进行验算
图45 稳定验算
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7. 周期
主菜单选择 结果>分析结果表格>振型与周期： 输出各振型周期及有效质量参与系数
图46 周期及质量参与系数表格 8. 层间位移
主菜单选择 结果>分析结果表格>层>层间位移角验算： 输出各种工况下各层的层间位移角，并和层间位移角限值进行验算。
图47 层间位移验算表格 35
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9. 层位移
主菜单选择 结果>分析结果表格>层>层位移: 输出水平作用下各层最大位移及平均位移
图48 层位移验算表格 10. 层剪重比
主菜单选择 结果>分析结果表格>层>层剪重比: 输出各层地震作用下各层的剪力及剪重比
图49 层剪力及剪重比表格
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11. 层构件剪力比
主菜单选择 结果>分析结果表格>层>层构件剪力比： 查看各种工况下框架柱和剪力墙的地震剪力和比率。
图50 层构件剪力比表格 12. 倾覆弯矩
主菜单选择 结果>分析结果表格>层>倾覆弯矩： 查看各种工况下框架和剪力墙的倾覆弯矩。
图51 倾覆弯矩表格
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13. 侧向刚度不规则验算
主菜单选择 结果>分析结果表格>层>侧向刚度不规则验算: 输出各层的层刚度比，并判断侧向刚度是否规则。
图52 层刚度比验算表格 14. 薄弱层验算
主菜单选择 结果>分析结果表格>层>楼层承载力突变验算： 输出各层抗剪承载力，本层与上一层的抗剪承载力之比，并判断各层强度是否规则。
图53 楼层承载力突变验算
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15．配筋设计
1. 一般设计参数
主菜单选择 设计>一般设计参数>指定构件： 自动指定构件自由长度。当梁单元中间被其它节点分割成几部分时，需由程序自动指定构件，定义梁单元在强轴作用平面内的自由长度。注：当有非直线梁单元时,需在模型中选择此梁单元由手动完成。
2．钢筋混凝土构件设计参数
1：主菜单选择 设计>钢筋混凝土构件设计参数>定义抗震等级： 定义抗震等级及梁端弯矩调幅系数
图54 设计标准
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2：主菜单选择 设计>钢筋混凝土构件设计参数>编辑混凝土材料特性: 定义主筋、箍筋设计强度及混凝土强度等级
图55 钢筋混凝土材料特性
3：主菜单选择 设计>钢筋混凝土构件设计参数>定义设计用钢筋直径:
选择梁、柱、墙钢筋直径及混凝土保护层厚度
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图56 定义设计用钢筋直径
3．钢筋混凝土构件设计
1：主菜单选择 设计>钢筋混凝土构件配筋设计>梁配筋设计: 梁设计结果查看
选择项勾选某个梁单元，再勾选连接模型空间，在模型空间可以看到选择的梁单元，点选图形结果以图形方式输出，点选详细结果以文本文件输出。
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图57 梁设计结果 2：主菜单选择 设计>钢筋混凝土构件配筋设计>柱配筋设计: 柱设计结果查看
图58 柱设计结果
3：主菜单选 设计>钢筋混凝土构件配筋设计>墙配筋设计:
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墙设计结果查看
图59 剪力墙设计结果 3．平面输出设计结果
主菜单选择 设计>钢筋砼结构设计结果简图： 荷载工况及组合：all combination
验算比：组合；钢筋：实配钢筋（所需配筋面积）；显示：梁、柱、墙
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注：程序可以输出实配钢筋和所需配筋面积，注意单位。
图60 平面配筋结果输出 44
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注：可以选择要生成计算书的文本内容。
16．计算书
查看计算书
主菜单选择 设计>计算书：
图61 计算书文本输出
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