关于调整MIDASGEN软件设计的交叉支撑的讨论

关于调整MIDASGEN软件设计的交叉支撑的讨论

朱琳1

上海交通建设管理有限公司上海200233

摘要：交叉支撑在工业钢结构的建构筑物中是非常常见的构件，然而用通用设计软件（如MIDASGEN）在设计交叉支撑时却或多或少存在一些问题。软件未必能准确衡量侧向力在支撑拉压杆之间的分配。本文主要结合常规的支架交叉支撑讨论了在现有的软件状况下如何对软件计算的应力比和柱脚剪力有更精准的调整，分为静力工况验算和地震工况验算的两种情况。文章供设计人员使用时参考，也希望能引起设计人员的重视。

关键词：交叉支撑；应力比调整；柱脚剪力调整；

DISCUSSIONONADJUSTMENTOFSOFTWAREMIDASGENINDESIGNOFCROSS-BRACING

ZhuLin

（ShanghaiTrafficConstructionManagementCo.Ltd，Shanghai，200233，China）

ABSTRACT：Cross-bracingisaverycommoncomponentinindustrialsteelstructurebuildings.However，therearemoreorlessproblemsinthedesignofcross-supportwithgenericdesignsoftwaresuchasMIDASGEN.Softwaremaynotbeabletoaccuratelymeasurethedistributionoflateralforcesbetweenbracingbars.Thispapermainlydiscusseshowtoadjustthestressratioandthecolumnfootshearforcecalculatedbythesoftwareundertheexistingsoftwaresituationmorepreciselywiththeconventionalcross-bracingofthebracket.Itispidedintotwocasesofstaticconditioncheckingandseismicconditionchecking.Thepaperisfordesigners’reference，hopingtoarousetheattentionofthem.

KEYWORDS：Cross-bracing；stressratioadjustment；footshearadjustment

1问题由来

在工业钢结构（如通廊支架、管道支架等）的构筑物中，交叉支撑是非常常见的一种构件，它可以显著增加结构的抗侧刚度，减少侧向位移，可谓非常重要。如图1所示，X形支撑系统是超静定结构。在小变形的范围，根据变形协调条件，拉杆AB的伸长ΔAB=压杆CD的缩短ΔCD。根据线弹性理论，拉杆的拉力与压杆的压力绝对值相等。但当压杆发生屈曲时，压杆随长细比增大其几何非线性性质也逐步显现。从图2可以看出，当长细比较大时，压杆CD失去其线性性能，由变形协调条件ΔAB=ΔCD要求，压杆轴力Nc比拉杆Nt的轴力要小得多。

目前在工业钢结构领域，MIDASGEN软件的使用非常的广泛，但在使用中发现，如果想按拉压杆支撑设计，软件并不能在内力分配上帮我们实现上述的一种分配，软件不是万能的，需要设计人员自己有判断。例如，长细比90＜λ＜200的交叉支撑在工程中是非常常见的杆件。工程设计人员在处理工程中上述这类比较常见的中柔度杆时，通常有两种办法。第一种是完全忽略压杆作用，按只受拉单元建模，将导致我们计算的支撑应力比偏大。根据John.T.DeWolf[1]等人的试验研究显示，

图1常规支架及交叉支撑示意图2拉压杆性能与长细比和变形的关系

在常用的长细比情况下，这种处理办法下抗侧力的计算值大约为破坏荷载的40%~78%，过于保守。另一种是在软件中按交叉杆件建模，但问题是，对于通常的截面相同的拉压杆，软件一般只能均分内力。举个例子，假定水平力H一共为120kN，假如压杆发生屈曲卸载，可能拉杆承担100kN的水平分量，而压杆承担20kN的水平分量，但软件会将压杆和拉杆都分配上60kN的水平分量，并按压杆验算，直到截面满足受压为止，这将导致支撑杆件设计偏大。同时，这也导致用于计算抗剪键和柱下基础的柱脚水平剪力（如A点）反而减小了，存在一定的安全隐患，应该引起设计人员重视。

根据Shanley[2]理论，压杆发生弹性屈曲或非弹性屈曲，与长细比和弹性界限fp有关。对于Q235钢，可取弹性界限fp=165MPa，弹性模量E=2.06x105MPa，则可得λE=110。同样，对于Q345钢，λE=90。

当λ＞λE时，为弹性屈曲范围，临界力可以由Euler公式确定，而当λ＜λE时，属于非弹性屈曲范围，尤其是在λ接近λE时，临界应力波动特别剧烈。出于简化讨论考虑，本文仅讨论了在弹性范围对软件给出的支撑应力比和柱脚剪力进行修正，从而对交叉支撑有更好的把握。

3地震工况验算时的调整

在进行有关地震工况下调整的讨论前，有必要先就我国《建筑抗震设计规范》8.2.6条中关于支撑受循环荷载时的强度降低系数做一个简单的陈述。该公式源自美国UBC91规范，但现行的欧洲、美国、乃至日本等国际主流规范均已取消了该强度降低系数。根据相关的支撑压杆循环载荷试验结果[3]等资料表明，我国规范所述的强度降低系数不可靠，实际上支撑屈曲后退化卸载情况十分复杂，对于一般H型截面的中心支撑，屈曲后的荷载-位移曲线的退化下降趋势趋近于稳定承载力的?。因此参考陈炯[4]等人的研究成果，本文将对一般H型截面的中心支撑，取压杆卸载系数ψc=0.3，而非规范8.2.6条给定的公式（注：对钢管截面，可取ψc=0.4）。

X形支撑在反复荷载作用下，对于一般拉压杆横截面相同且在中点相连的情况，拉杆均能提供足够的约束使压杆以全波形式屈曲，且拉杆屈服前，压杆已可能进入临界状态，但由于受拉杆约束，所以并不突然丧失稳定性，但一旦拉杆屈服，则压杆必然失稳屈曲，所以X形支撑中拉杆设计尤其重要，是拉杆在起控制作用。

4结语

本文针对工业建构筑物中比较简单且常见的常规交叉支撑在MIDASGEN软件中的建模和设计问题做了一个简单的介绍，并对计算的应力比和柱底剪力与实际情况不一致问题进行了简单的讨论，本文可供设计人员在处理支架支撑时参考使用。

1）在静力工况验算时，推荐采用软件中的只受拉单元，并应适当考虑压杆作用，可以对软件计算出的拉杆应力比和柱脚剪力进行折减。

2）在地震工况验算时，第一、实际上地震下压杆的承载力退化问题非常复杂，本文参考了国内外相应的试验及一些研究结果，对H型截面取压杆卸载系数ψc=0.3（对钢管截面，可取ψc=0.4），而软件并未计及此影响，应予以适当考虑；第二、此时支撑为拉杆控制，而软件通常都按压杆设计，文章给出了设计中常用的长细比的杆件对应的对构件应力比和柱脚剪力的调整系数。

3）通常情况下，在常规的中柔度杆范围内，不加思考的依赖于软件设计出的支撑杆件截面是相对偏大的，设计人员应该有自己的思考与判断。

4）按交叉杆件建模时，软件呈现出来的柱脚剪力可能是偏小的，这一点事实上长久以来被广大设计人员所忽视，但确实应该引起我们足够的重视。

参考文献

[1]John.T.DeWolf.Cross-BracingDesign[J].JournaloftheStructuralpision.1979，Vol105（7）：1379-1391

[2]铁摩辛柯SP，盖莱JM.弹性稳定理论[M].第二版.张福范，译.北京：科学出版社，1965：194-195

[3]ASCE/SEI7-05MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures.2006[S].

[4]陈炯，姚忠，路志浩.钢结构中心支撑框架的抗震承载力设计[J].钢结构，2008，23（9）：59-64

[5]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].