鋼結構疲勞設計的案例
焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
在使用名義應力法時，該標準寫明要以材料的S-N曲線為基礎，然而焊接結構的疲勞試驗數據已經表明：焊接接頭母材的S-N曲線數據不能代替焊接接頭的S-N曲線數據，其原因也是它們具有不同的力學破壞機理。
在評估疲勞壽命時，該標準使用的是考慮應力比R的“修正Goodman圖”，即認為疲勞強度隨不同的R值變化。后來鐵道部又頒布《200km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》，然而在這個新的規定中依然將用于金屬材料疲勞的理論與方法用于焊接結構。事實上，英國焊接研究所的疲勞試驗數據早已證明，修正的Goodman圖用來處理焊接結構的疲勞問題是不恰當的，理由是由于焊接殘余應力的存在，平均應力對焊接接頭壽命的影響基本看不到，而金屬材料的疲勞則不是這樣。
正是由于理論認識上的誤導，國內軌道車輛制造工廠的有些設計人員或者決策部門在力圖提高焊接結構的抗疲勞能力時，常傾向于選用屈服強度高的母材，他們誤認為提高屈服強度母材的焊接接頭的抗疲勞能力也必然高。對于金屬疲勞問題，這個觀點是成立的，例如文獻《抗疲勞設計——方法與數據》中曾用試驗數據證明了“材料的疲勞強度與材料的抗拉強度之間有著較好的相關性”，甚至給出了一個近似估算公式。然而對于焊接結構來說，該觀點是不成立的。英國標準BS76081993《鋼結構疲勞設計與評估實用標注》已經用數據明確證明，標準中所提供的S-N曲線數據對屈服強度低于700MPa,例如屈服強度為345MPa的Q345鋼與屈服強度為435MPa的Q435鋼，它們的S-N曲線數據是沒有區別的。關于這一點，國際焊接學會在2008年的標準中，甚至將這個屈服強度范圍提高到960MPa。
展開 鋼結構網格結構支座節點設計詳解
規范下限主要是控制重力荷載在水平作用位移效應引起的二階效應不致過大，避免結構的失穩倒塌。見高規5.4.4及相應的條文說明。剛重比不滿足規范下限要求，說明結構的剛度相對于重力荷載過小。但剛重比過分大，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。
剛重比不滿足規范要求時的調整方法：
1、程序調整：剛重比不滿足規范上限要求，在SATWE的“設計信息”中勾選“考慮P-Δ效應”，程序自動計入重力二階效應的影響。
2、結構調整：剛重比不滿足規范下限要求，只能通過調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度。
四、層間位移角：主要為限制結構在正常使用條件下的水平位移，確保高層結構應具備的剛度，避免產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性和使用要求。見高規 4.6.1、4.6.2和4.6.3及相應的條文說明。層間位移角不滿足規范要求，說明結構的上述要求無法得到滿足。但層間位移角過分小，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。
層間位移角不滿足規范要求時的調整方法：
1、程序調整：SATWE程序不能實現。
2、結構調整：只能通過調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度。
1）由于高層結構在水平力的作用下將不可避免地發生扭轉，所以符合剛性樓板假定的高層結構的最大層間位移往往出現在結構的邊角部位，因此應注意加強結構外圍對應位置抗側力構件的剛度，減小結構的側移變形。同時在設計中，應在構造措施上對樓板的剛度予以保證。
2）利用程序的節點搜索功能在SATWE的“分析結果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構件編號簡圖”中快速找到層間位移角超過規范限值的節點，加強該節點對應的墻、柱等構件的剛度。節點號在“SATWE位移輸出文件”中查找。
展開 建筑結構設計和鋼結構軟件有哪些？
建筑結構設計軟件有哪些選用？
一、對于多高層結構的設計優先選擇PKPM、ETABS和MTS；另外也可以選擇SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT、3D3S；如果是計算分析，隨便選一個通用有限元軟件即可，強烈推薦ANSYS。
二、對于空間結構的設計優先選擇SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT；純計算分析強烈推薦ANSYS、MIDAS、SAP2000和NASTRAN；
三、對于索膜結構可以選擇ANSYS、EASY、FORTEN、3D3S。鑒于EASY、FORTEN一定要用正版，所以還是用ANSYS和3D3S比較現實。
四、對于動力彈塑性分析建議采用ABAQUS和LS-DYNA；另外也可以選用ETABS（多高層）、SAP2000、MIDAS（最近推出Building專門做動力彈塑性）。
五、節點細部分析，建議采用ANSYS、ABSQUS；也可以選用NASTRAN和MARC。
另外，對于一些特殊結構，考慮到可能會使用到簡單的二次開發，所以還是建議大家選ANSYS、ABAQUS等帶有編程語言的通用軟件。
鋼結構軟件有哪些？
目前美國市場的主流軟件有：STRAP、ROBOT、RISA、ETPAS、STAAD、GTSTRUL。這些軟件水平相對較高，喜歡用那個軟件全憑用戶自己的好惡和習慣。不過現在在歐美，STAAD已遠不如以前受追捧。輕鋼結構最好用PKPM，PKPM界面通俗易懂。其它鋼結構最好用3D3S，因為其建模方便。STRAP 是目前市面上功能最強且內容最豐富的結構分析系統之一。STRAP 采用類似CAD 的圖形界面輸入模型與荷載。鋼結構軟件建議使用浙江大學的mst。該軟件已經比較成熟，且操作比較直觀。
展開 鋼結構設計簡單步驟和設計思路
鋼結構設計常用規范
(一) 一般規范
《鋼結構設計規范》 (GBJ 17-88)
《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》(GBJ18-87)
《建筑鋼結構焊接規程》（JGJ81-91）
《高強度螺栓設計、施工及驗收規程》
《鋼結構加固技術規范》（CECS77：96）中國工程建設標準化協會
(二) 專門規范
《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99-98)
《高聳結構設計規范》(GBJ 135-90)
《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(CECS 102:98)
《網架結構設計與施工規定》（JGJ 7-91）
《壓型鋼板拱殼結構技術規程》
(三) 組合結構規范
《鋼-混凝土組合結構設計規程》（DL/T 5085-1999）國家經濟貿易委員會
《鋼骨混凝土結構設計規程》（YB9082-97）冶金工業部
《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS28：90）中國工程建設標準化協會
(四) 其他規范
《上海地方標準 輕型鋼結構設計規程》（DBJ 08-68-97)
《上海地方標準 高層鋼結構設計暫行規定》（DBJ 08-32-92）
《上海地方標準 建筑鋼結構防火技術規程》（DG/TJ 08-008-2000)
鋼結構設計常用專業圖集、書籍及雜志
(一) 圖集
1.輕型鋼結構廠房門式剛架(2000浙G26) 已獲批準使用。主編單位:機械工業部第二設計研究院 協編單位:杭州大地網架制造有限公司 0571-2831830
2.新型屋面梯形鋼屋架(01SG515) 試用圖 北京交通大學勘察設計研究院 已獲批準使用。
展開 
某鋼結構構筑物檢測鑒定和加固設計
（4）灰斗與灰斗梁連接驗算
最大角焊縫應力56.29N/mm2，小于E43角焊縫抗拉、抗壓和抗剪設計值160N/mm2，滿足計算要求。
二、加固方案
1. 鋼支架部分加固方案
對于鋼支架部分的加固，整體思路上采用增大截面法，尤其要注意的是：
(1)鋼結構增大截面法不同于混凝土結構，存在負荷加固還是卸載加固之分，當鋼結構在負荷時進行增大截面焊接，會產生應力滯后現象。
(2)鋼框架在整體計算時要注意判別是有側移還是無側移框架。不同的判定設置會導致鋼構件穩定性驗算結果天差地別。
(3)注意區分支撐是單拉桿還是拉壓桿。
支撐背部貼焊槽鋼
工字鋼新增焊板形成箱型鋼
2. 灰斗部分加固方案
針對應力計算不足的橫肋，采用增大截面法，具體做法詳見下圖：
在Midas Gen中該加固構件輸入的具體截面尺寸如下：
上翼緣考慮灰斗壁板的貢獻作用，下翼緣寬度考慮角鋼和原槽鋼翼緣長度之和，腹板厚度仍取原槽鋼厚度。
1.5倍儲灰梁單元應力云圖
1.5倍儲灰板單元應力云圖
考慮到灰斗四個角部位置有弧形加強板、包角鋼板加強措施，且剔除有限元計算在角部的應力集中畸變，經計算后滿足要求。
三、總結
結構工程師在既有建筑結構鑒定、加固領域的工作模式有別于傳統的設計院或施工單位的做法。在此情況下，結構工程師不能僅作為流水線作業中的一環，或者單純地按照圖紙進行施工和組織生產，而是必須扮演結合規范、力學理論以及現場操作環境等多重因素的綜合性結構工程技術服務人員的角色。
文章：結構重光
展開 鋼結構怎么進行抗震設計？
（2）、在抗震結構體系中，應使結構構件和連接部位具有良好的延性，避免脆性破壞，提高抗震結構的整體變形能力。因此，鋼結構構件應合理控制尺寸，防止局部失穩或整體失穩，如對梁翼緣和腹板的寬厚比和高厚比都作了明確規定。此外，還應加強各構件之間的連接，以保證結構的整體性，抗震支承系統應保證地震作用時結構的穩定。
（3）、對于女兒墻、圍護墻、雨篷、封墻等非結構構件，應使其與主體結構有可靠地連接和錨固，避免地震時倒塌傷人，產生附加震害；圍護墻、隔墻等與主體結構的連接，應避免設置不當而導致主體結構破壞；應避免吊頂塌落及懸吊較重的裝飾物墜落，不可避免時應采取可靠措施。
（4）、建筑物在強震作用下的表現，既是對抗震設計的檢驗，也是對施工質量的檢驗。施工質量的好壞，直接影響鋼結構房屋的抗震能力。因此，抗震結構對材料和施工質量的特別要求，應在設計文件上注明。建筑物的施工要特別注意符合圖紙上合理的抗震要求，注意材料選擇，確保施工質量。
隨著人們對地震的不斷認識，為防止出現嚴重的地震的嚴重災害，造成財產損失和生命傷亡。人們對高層鋼結構房屋的抗震要求不斷提高。本文闡明了設計人員進行高層鋼結構房屋抗震設計時，應首先從概念設計著手，制定比較合理的設計方案等，確保房屋抗震設防目標的實現。
展開 汽車結構抗疲勞設計
汽車結構抗疲勞設計
汽車結構抗疲勞設計 2.rar
汽車結構抗疲勞設計 1.rar
中國鋼結構金獎——大連東港D10、D13地塊超高層結構設計分享
項目信息
建設地點：大連市東港區
結構類型：超高層辦公及住宅
結構高度：最高塔樓249.35m
建筑面積：556377㎡
所獲榮譽：中國鋼結構金獎
近日由四院擔當設計的大連東港D10、D13地塊項目順利竣工，該項目位于東港商務區核心地段，由兩棟高250m塔樓（D10地塊）及兩棟高200m塔樓（D13地塊）組成超高層建筑群組，是恒力地產在大連未來的城市新核和價值高地打造的高端綜合體項目。項目建成后已成為大連東港的新地標和大連高端住宅的標桿。
該項目整合了國際國內一流團隊鼎力打造，方案由美國MG2公司與同濟設計集團聯合呈現，設計四院承擔初步設計至施工圖階段的具體設計工作。本期“構思”我們將分別對這兩個地塊的超高層結構設計進行介紹。
D10地塊概況
業主：恒力地產
建筑性質：辦公及公建式公寓
建設地點：大連市東港區
結構高度：最高塔樓249.35米
層數：地下3層，地上68層
抗震設防烈度：7度（0.1g），并按安評報告提高
結構難點與挑戰
1.結構整體高寬比較大——以幕墻頂算，整體高寬比達到7.7，而國內一般200~250米的建筑合理高寬比為4.5~6左右，過大的高寬比使抗側力體系的設計成為挑戰。
展開 考慮高層建筑的鋼結構節點承載力三維構建設計研究
為此，提出了基于高層建筑的鋼結構節點承載力三維構建設計。根據建筑物豎向和水平荷載作用下的彎矩，對高層建筑物鋼結構框架的節點所受力的機理進行分析。構建高層建筑鋼結構框架節點三維模型和有無支管情況下的有限元模型，分析有無支管有限元模型的荷載-位移關系，確定構建過程中節點參數與支管的關聯性。計算模型單元上下端狀態變量的傳遞關系，整合狀態變量，確定鋼結構框架荷載，并以此作為依據進行失穩判定，完成鋼結構框架節點承載力分析。由實驗結果可知，該方法在X、Y、Z三個方向的承載力與實際值最大分別相差2 kN、1 kN和1.5 kN,具有精準分析結果。
關鍵詞：高層建筑;鋼結構;框架節點;承載力;三維仿真;
近年來，國內外學者對高層建筑鋼結構的節點穩定問題進行了大量的探討。文獻[1]提出的基于有限元網格劃分的節點承載力分析方法，構建狗骨式節點模型，結合有限元網格劃分節點位置，并使用千斤頂在懸臂兩側施加荷載，通過傳感器測量獲取分析結果；文獻[2]提出的基于SMMS模型的節點承載力分析方法，結合應變修正平均應力，構建SMMS模型，并通過各個韌性參數，對節點承載力分析。然而，上述這兩種方法沒有考慮到支撐節點的承載力問題，使得總承載力計算結果與實際情況不符。為此，本文提出了基于高層建筑的鋼結構節點承載力三維構建設計。
1 工程概況
本工程選擇一座以鋼筋混凝土為主的多幢高層建筑物為研究對象，該建筑物2號樓地面以上8層，建筑樓面高43.2 m。3號樓A區地面以上9層，建筑樓面高45.6 m。2號樓和3號樓A區之間有一條大約28 m長的通道相連，構成了一個連通的結構，該結構的連廊采用鋼桁架結構。
桁架的弦梁和肋骨是用H形鋼制造的，按結構的幾何特點，一般可將其劃分為四類。N形節點：該節點受到來自弦梁和網狀構件共同作用的力。k形節點：該節點受弦棒在腹板部件上作用的力。
展開 《建筑鋼結構工程設計施工實例與圖集》
剛從電驢上down的，希望對大家有用
鋼結構設計中平面內和平面外的概念
鋼結構設計中，計算壓彎構件的穩定性時，通常會遇到平面內、平面外的概念。只有弄清楚這兩個概念，才會理解桿件的計算長度，及如何在平面內和平面外設置支撐，避免結構失穩。
對于壓彎構件穩定問題，所謂的平面是指彎矩作用所在的平面。習慣上我們將屏幕看作構件所在的平面，也就是彎矩所在的YOZ平面，叫作彎矩作用的平面內；垂直彎矩所在平面的XOY平面，叫作彎矩作用的平面外。發生在屏幕內（YOZ平面）的彎曲變形，就是平面內失穩。發生在垂直屏幕（XOY平面）的彎曲變形，就是平面外失穩。
如圖中，梁截面位于XOY面，Z軸沿長度方向。在Mx作用下，彎矩作用平面為YOZ平面，即圖中蘭色平面；此時如果變形是沿X軸方向的左右變形，則為平面外的變形；上下變形為平面內的變形。在My作用下，彎矩作用平面為水平平面XOZ面，此時如果變形是沿Y軸方向的上下變形，則為平面外變形；左右變形為平面內變形。
還有一點需要注意的是，彎矩的方向和彎矩的平面是兩個不同的概念。用與平面垂直的向量來表示平面，如Mx，根據右手法則，其方向是向左，而其作用面為豎直的YOZ平面。
用一個更為形象的例子，假設你是一根梁，你躺下、起來，是平面內，而翻身打滾就是平面外。
展開 
關于鋼結構設計軟件3D3S
3D3S（也是一款空間結構、平面結構、空間桁架、平面桁架都能計算的程序，一些規則性的結構我們都用PKPM計算、另外一些不規則的3D3S首選）
3D3S鋼結構—空間結構設計軟件是同濟大學獨立開發的CAD軟件系列，同濟大學擁有自主知識產權。該軟件在鋼結構和空間結構設計領域具有獨創性，填補了國內該類結構工具軟件的一個空白。截止2006年12月31日，3D3S的注冊用戶總數為1890家，基本覆蓋了各大鋼結構設計單位和鋼結構企業。目前國內結構設計一線都能看到3D3S軟件的身影。
3D3S軟件提供以下四個系統：3D3S鋼與空間結構設計系統、3D3S鋼結構實體建造及繪圖系統、3D3S鋼與空間結構非線性計算與分析系統、3D3S輔助結構設計及繪圖系統 。
系統描述
3D3S鋼與空間結構設計系統包括輕型門式剛架、多高層建筑結構、網架與網殼結構、鋼管桁架結構、建筑索膜結構、塔架結構及幕墻結構的設計與繪圖，均可直接生成Word文檔計算書和AutoCAD設計及施工圖。
展開 汽車玻璃升降導軌以塑代鋼結構仿真設計
3.2 塑料導軌拓撲優化
根據塑料導軌現有造型，考慮與環境件的安裝位置，將導軌分為設計區域和非設計區域，其結構如圖5所示。通過控制條件（各個工況下的位移變形及材料拉伸強度）和約束條件，總體目標為設計區域體積最小，得到拓撲分析結果，如圖6所示。
圖5中青色部分為非設計區域，黃色部位為設計區域。由圖6可以看出：塑料導軌下止點堵轉工況區域需增加支撐，空缺部位較多的部位可根據模具成型工藝進行填料處理。
3.3 塑料導軌結構改進方案
更加拓撲優化結果，從力的傳遞路徑角度出發，塑料導軌的最終結構如圖7所示，其分析結果如圖8所示。
由圖7可以看出，導向輪將鋼絲的拉力傳遞給金屬墊片，金屬墊片再將力傳遞給導軌本體及導向輪安裝孔，既抑制了導向輪的翻轉，同時增大了力的接觸面積。由圖8可以看出，該結構設計滿足所有性能指標，且該結構相比金屬導軌減重46.9%。
4 分析與結論
運用HyperMesh中的OptiStruct求解器可對汽車玻璃升降導軌以塑代鋼結構進行拓撲優化和非線性有限元分析，從而指導產品結構設計，最終滿足所有性能指標，且該結構相比金屬導軌減重46.9%。分析結論表明：
（1）塑料導軌優化結構，導向輪基座變形前后法向夾角為1.2°，低于目標要求5°；
（2）塑料導軌優化結構，導軌最大應力為40.7MPa，低于其拉伸強度60MPa；
（3）塑料導軌優化結構，中導軌扭轉載荷工況，導軌側向剛度為1.00mm，低于目標要求1.25mm；
（4）塑料導軌優化結構相比金屬導軌減重46.9%。
5 參考文獻
[1] 黃春田.汽車玻璃升降器輕量化的設計.汽車零部件[J]，2016，（11）：46-49.
[2] 楊琳.車門玻璃升降器理論研究綜述.汽車技術[J].湖南農機，2012，39（11）：107-108.
展開 汽車行業分享丨SimSolid在鋼結構設計中的應用及體會（下）
工程背景
近幾年，在機械產品設計領域，SimSolid? 作為一款無網格分析軟件，正發揮著日益重要的作用，尤其在鋼結構設計過程中展現出獨特優勢。傳統鋼結構設計流程復雜，需投入大量時間進行有限元模型構建與分析，而 SimSolid 的出現極大地簡化了這一過程。
在上一期文章《SimSolid 在鋼結構設計中的應用及體會》和大家分享了 SimSolid 在焊接鋼節點設計分析中的應用及體會，本文重點分享 SimSolid 在螺栓連接鋼節點設計中的應用價值，因為螺栓連接通過可拆卸的機械咬合實現構件間的力傳遞，是與焊接鋼結構同等重要的關鍵技術。
2
軟件簡介
Aitair SimSolid 是一款專門為快速發展的設計流程開發的結構分析軟件。它消除了幾何體簡化和網格化過程，可高效實現大型復雜裝配體的力學分析，包括靜力學分析、模態分析、熱分析、結構熱耦合、非線性靜力學分析、疲勞分析、線性動力學等多種類型。對于螺栓連接，SimSolid 利用先進接觸算法，準確模擬接觸區域的壓力分布、摩擦行為及可能的相對滑移，計算螺栓在軸向、剪切、彎曲等載荷下的應力、應變分布，為工程師提供全面的評價指標。
3
主要內容
3.1 鋼節點連接
鋼節點設計的性能指標中，節點強度直接關乎整個鋼結構的穩定性與安全性。如下圖1所示的螺栓連接和焊接，是鋼結構設計中最常見兩種節點連接方式，下面針對螺栓連接，開展強度分析方法的介紹，同時與依據鋼結構設計規范的計算結果對比，對仿真結果進行合理性說明及討論。
展開 汽車行業分享丨SimSolid 在鋼結構設計中的應用及體會
*本文源自汽車行業用戶范會超投稿
1.工程背景
近幾年，在機械產品設計領域，SimSolid 作為一款無網格分析軟件，正發揮著日益重要的作用，尤其在鋼結構設計過程中展現出獨特優勢。傳統鋼結構設計流程復雜，需投入大量時間進行有限元模型構建與分析，而 SimSolid 的出現極大地簡化了這一過程。
本文章重點和大家分享 SimSolid 在鋼節點設計分析中的應用，因為鋼節點設計在鋼結構整體設計過程中處于核心地位，它既是結構連接的樞紐，又是荷載傳遞的關鍵，更是保障安全、控制成本和實現結構靈活性的重要環節，對鋼結構的整體性能和工程質量起著決定性作用。
2.軟件簡介
Aitair SimSolid 是一款專門為快速發展的設計流程開發的結構分析軟件。它消除了幾何體簡化和網格化過程，可快速對復雜 CAD 裝配體進行分析，大大縮短了結構的分析周期。支持多種分析類型，包括靜力學分析、模態分析、熱分析、結構熱耦合、非線性靜力學分析（接觸、材料和幾何形狀分析）、疲勞分析、線性動力學（時間、頻率和隨機響應）等多種分析類型，能滿足不同工程場景的需求。
3.主要內容
3.1 鋼節點連接
鋼節點設計的性能指標中，節點強度直接關乎整個鋼結構的穩定性與安全性。如下圖1所示的螺栓連接和焊接，是鋼結構設計中最常見兩種節點連接方式，下面針對焊接連接，開展強度分析方法的介紹，同時與依據鋼結構設計規范的計算結果對比，對仿真結果進行合理性說明及討論。
圖1.紅色圈示-螺栓連接；綠色圈示-焊接
3.2 焊接連接節點
焊縫連接設計包括兩個關鍵參數，即焊縫長度、焊縫截面尺寸。SimSolid 運用先進的數值算法，快速評估焊接強度是否滿足設計要求，幫助工程師發現鋼節點設計中的潛在失效位置。
展開 