科技连载丨建筑微科技-107【平面不规则结构扭转设计MIDAS规范及应用理解】

midasGen 建筑结构分析与设计软件

midasGen是集通用有限元结构分析和设计验证于一体的新时代软件系统。 支持常规土建结构和复杂结构的一般分析和高级分析，支持地下综合管廊、特种结构、体育场馆、工业厂房等结构的专项分析，集成了中国、美国、欧洲、韩国、日本、印度、加拿大、新加坡等国家的设计规范可用于钢筋混凝土预制构件、钢构件、铝合金预制构件、冷弯薄壁工字钢预制构件、组合截面预制构件的设计和校核。符合最新的国外/外部规范。 设有水池、筒仓等管廊平台，采用板壳结构设计。

除通常的静力分析和动力分析外，还可以进行施工阶段分析、静态弹塑性分析、动态弹塑性分析、隔振与耗能分析、屈曲分析、几何非线性分析和材料非线性。 钢结构、混凝土结构的整体分析，钢结构、铝合金结构、冷弯薄壁工字钢等的优化设计，是专门为结构工程师开发的结构分析和优化设计系统。

2. 平面不规则结构扭转设计MIDAS的标准理解与应用

一、前言

随着社会的不断发展和进步，人们的生活品味和审美观念不断提高。 现代建筑不断追求新颖，不再满足于现有千篇一律的规则或对称的建筑方法。 与此同时，当前城市土地利用日益减少，我国许多地区出现了许多外观独特的不规则建筑，如南京中央电视台新大楼、上海“秋库”大楼等。 历次洪水震害经验告诉我们[20, 23]，不规则平面结构在洪水作用下，由于不规则结构产生的扭转效应，会造成严重的结构破坏。 例如，1976年天津洪水因强烈旋转而导致广州一座L形建筑受损。 1985年阿根廷洪水期间，近50%的建筑物因结构扭转而受损。

高层建筑结构由于剧烈的扭转反应而遭受大量地震破坏。 有效控制结构的扭转特性和扭转响应是抗震设计中的重要问题。 我国《建筑抗震设计规范》[1](GB50011-2010)(简称规范)第3.4.3条、《高层建筑混凝土结构技术规范》[2](JGJ3-2010) ）（简称代码）3.4.3&3． 4.5、《上海市工程建设规范建筑抗震设计规范》[3](DGJ08-9-2013)第3.4.3~3.4.4条； 《广东省高层建筑混凝土结构标准技术规程》[4]（DBJ/T15-92-2021第3.4节等规范或标准）提出了相对详细的控制结构扭转响应的设计理念和估算方法。

洪水作用下结构的扭转问题主要包括三个要素：1．结构本身的抗扭特性；2． 2、地震的扭转效应； 3、结构对洪水的扭转响应。

本文以行业规范和标准为基础，紧密结合MIDAS软件的应用功能，分享从MIDAS软件中提取结构扭转效应的各种控制指标的方法，使抗震概念能够更加量化地落地。 同时，本文还将针对与YJK软件相比个别指标差异较大的问题，分享几种解决方案，供工程师参考。

2、结构本身的抗扭特性

当结构的刚体与刚心不重合时，结构的惯性力和阻力不共线，导致结构在洪水时形成扭转效应。 严重的扭转效应可能导致结构的延性破坏。 而且钢结构设计规范理解与应用，当结构不规则时，水平扭转耦合程度往往较高，结构的扭转响应会被放大。 因此，工程过程中应尽可能控制结构挠度和质量布置，合理有效地改善结构的扭转特性。

结构本身扭转特性的控制[05]主要集中在以下三个方面：

2.1 结构平面及立面形状的规律性

结构面和立面造型的规律性主要体现在结构面特征和规格的比例上。 《反条例》和《高条例》第3.4.3条均提到“高层建筑的平面宽度不宜过长，突出部分的宽度不宜过大；平面规格必须符合规定”。符合表3.4.3的要求；不应采用拐角重叠或搭接等大大削弱地板整体挠度的蜂腰形平面，蜂腰平面的规格b/B不宜大于不大于0.4；重叠角部规格与相应周长较小值的比值b/Bmin不应大于1/ 3。 小于响应周长30%的平面凸凹规格应记录为平面不规则结构[06]。

平面规格的特点对应了MIDAS软件的应用点：节点宽度距离可通过主菜单→查询→查询→查询节点进行查询； 还可以使用鼠标快捷键F2键调出节点查询窗口，快速查询结构面各部分的规格，并与规格进行初步比较，确定结构的规律性。 如图2-1所示，L型结构在X、Y方向均超出表3.4.3的限值，为平面不规则结构。

图2-1F2 查询结构面规格

2.2 结构挠度质量分布的均匀性

结构质量和刚度分布的均匀性可以通过刚体相对刚心的偏心率来判断。 《抗阻规定》第3.4.3条第2款第4）款提到：确定扭转不规则性时，也可根据被测件的质心与偏转中心之间的距离，以偏心率作为参考方法。地面。 《高层民用建筑钢结构技术规程》[7]（JGJ99-2015）（简称《高层钢结构规程》）第3.3.2条规定，任意层的偏心率小于0.15或者相邻层的刚体之差小于相应周长的15%。 平面是不规则的。

midasGen中偏心率的应用步骤要点：

1. 主菜单→结构→控制数据→控制数据→检查“偏心率”

图2-2 主控数据中定义的偏心参数

该软件提供了三种估计层中心的方法：

1）使用质量估计：使用质量分布来找到层中心。 与其他软件进行比较时，请确保两者以相同的方式估计刚体。 例如，YJK/PKPM大多使用质量分布来估计刚体。

2）使用轴向力估计：可以使用静载下的轴向力来估计层中心，并且可以同时添加多个静载条件。

3）利用弯矩估计：利用整体坐标轴X、Y方向静水破坏下的弯矩来估计层中心。

在多个软件中进行结构对比分析时，将42层框架管结构刚体选择的三种不同算法与PKPM&YJK的结果进行了对比，如右图2-3所示。 从图2-3可以得出，使用质量算法估计层中心时，与YJK/PKPM的结果一致（质量算法-偏差约为2%）。

图2-3 三种算法下刚体结果偏差对比图

2. 主菜单→结构→定义图层数据→检查Flood偶然偏心率。 根据《高新技术条例》第4.3.3条，仅考虑刚体偏转引起的偶然偏心。 输入5%，如图2-4所示。

图 2-4 程序手动生成相对于平面规格 5% 的随机偏心率。

洪水作用方向的楼层长度可在楼层数据中查询。 按相对平面规格的5%估算的偏心率为0.05*19.6m=0.98m。 从图2-4可以看出，程序还支持扭力放大系数的输入。 我国《抗震规程》第5.2.3条并未要求对规则结构单独估算偶然偏心，但需要通过“地震作用效应折减系数”（即由下式提供的扭转放大系数）考虑扭转效应。 MIDAS 软件）。 midasGen中英文版本都预留了扭转放大系数的输入，可以适用于德国、美国标准等海外项目，类似于上一篇介绍的德国标准和欧洲标准中的_。

另外，《高钢规定》第5.3.7条提出了针对建筑物不同平面形状的“相对于圆周5%”的偶然偏心率和“相对于旋转直径”的偶然偏心率。 山东省《高规》第4.3.3条提出根据质量旋转直径估算偶然偏心率。 例如，浙江省《高规》规定如下：

在估计双向洪水影响时，应考虑同时偏心率的影响。 各层刚体沿垂直于洪水作用方向的挠度值可按下式计算：

在公式：

-第i层刚体的挠度值（m），每层刚体的挠度方向相同；

-平行于洪水作用方向的第i层平面的旋转直径。

因此，如果软件恰好根据旋转直径考虑偏心，则可以使用软件的“偏心数据用户自定义”功能，如图2-5所示。

图2-5 支持用户定义的数据恰好是偏心的

3. 运行分析。 程序将手动估算设计偏心率e、弹性直径和偏心率，并将结果输出在表格中。

1）设计偏心率=刚体刚心距+偶然偏心率钢结构设计规范理解与应用，如下表1所示。

表1 设计偏心率估算

2）按《高钢规程》附录A.0.1估算弹性直径和偏心率。

3）提取表输出结果

主菜单→结果→表格→结果表→图层→图层偏心率，如图2-6所示。

图2-6 层偏心率结果表输出

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