1、STAAD.Pro美国规范钢结构设计培 训 李晓峰 2013年5月 2 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 2 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 内容 1.标准与条件 2.分析与设计方法 3.抗风设计 4.抗震设计 5.建模注意事项 6.结果查看与输出 7.节点设计 3 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 1. 标准与条件 标准与资料 UBC IBC ASCE7 AISC3
2、60, AISC341，358 NEHRP SEAOC 4 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 1. 标准与条件（续） 基本设计条件 5 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 1. 标准与条件（续） 设计目标（非抗震，引自ASCE7） 6 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 1. 标准与条件（续） 设计目标（抗震,引自ASCE7 ） 7 | WWW.BENTLEY.COM |
3、2012 Bentley Systems, Incorporated 2. 分析与设计方法 分析方法 一阶弹性分析+计算长度 一阶弹性分析+放大系数 二阶分析+缺陷法（direct analysis) 位移迭代法 几何刚度法 8 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 2. 分析与设计方法（续） 设计方法 LRFD ASD 9 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计 设计方法-整体性荷载及其组合 LRFD ASD Nx = 0.01 Wx
4、10 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 风荷载 计算流程 风荷载基本参数 风载设计工况 变形检验 评述 11 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 风载计算流程 12 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 风荷载基本参数 Basic Wind Speed, V External Pressure Coeffici
5、ents, Cp Velocity pressure exposure coefficient, KZ Wind directionality factor, Kd Topographic factor, Kzt Gust-effect factor ，G Internal pressure coefficient, (GCpi) 13 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 基本风速Basic Wind Speed, V 重现期为三档：300年，700年，1700年 离地10米3秒钟瞬时风速 在LRF
6、D组合中不再使用1.6的分项系数 14 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 Basic Wind Speed, V 通常的结构（风险类别为类的），使用700年 一遇的风进行强度设计 风的重要性系数取消 15 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 不同重现期风速的 换算公式 不同时距的风速的 换算表 16 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporat
7、ed 3. 抗风设计- 续 基本参数 External PressureCoefficients, Cp 按不同暴露类别查表选取 17 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 基本参数 External PressureCoefficients, Cp 按不同暴露类别查表选取 18 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 基本参数 velocity pressure exposure coefficient, K
8、Z 按不同暴露类比查表或按 公式计算选取 19 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 基本参数 Topographic factor, Kzt 一般不在山坡或类似区域 的， Kzt=1.0 否则按右表计算 20 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 基本参数 Wind directionality factor, Kd 通常在风载进行荷载组合 时考虑，一般可取 Kd=0.85 特殊结构略有不同，如右 表所示
9、21 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计续 基本参数 Gust-effect factor ，G 对刚性建筑或结构（频率 小于1Hz, Gf=0.85 否则需计算或通过分析确 定。 一般情况下，G不单独使 用，而是与Cp或Cpi配合使 用。 Cp或Cpi相当于“体型系 数” 22 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 基本参数 Internal pressure coefficient, (GCpi) 部分敞开和
10、敞开结构差异 很大 另外，内压需要分正负和 外压组合 23 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 风荷载设计工况 24 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 变形验算-挠度 For serviceability limit states involving visually objectionable deformations, repairable cracking or other damage to i
11、nterior finishes, and other short-term effects, thesuggested load combinations are: D + L (CC-1a) D + 0.5S (CC-1b) For serviceability limit states involving creep,settlement, or similar long-term or permanent effects, the suggested load combination is D + 0.5L (CC-2) 25 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bent
12、ley Systems, Incorporated 3. 抗风设计- 续 变形验算-层间位移比 Drift limits in common usage for building design are on the order of 1/600 to 1/400 of the building or story height. Some designers have used a 10-year MRI (annual probability of 0.1) for checking drift under wind loads for typical buildings (Griffi s
13、1993), whereas others have used a 50-year MRI (annual probability of 0.02) or a 100-year MRI (annual probability of 0.01) for more drift-sensitive buildings. The selection of the MRI for serviceability evaluation is a matter of engineering judgment that should be exercised in consultation with the b
14、uilding client. The following load combination, derived similarly to Eqs. CC-1a and CC-1b, can be used to check shortterm effects: D + 0.5L + Wa (CC-3) in which Wa is wind load based on serviceability wind speeds in Figs. CC-1 through CC-4. 26 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 3
15、. 抗风设计- 续 在现阶段，通常的结构，其抗风设计 （与抗震设计相比），要相对“简单”。 只要把风荷载正确的施加上去后，主要 工作就完成了。一般结构不会考虑进行 复杂的风动力分析。而对抗震设计而言， 荷载的施加只是第一步工作。 相对地震荷载，风载的变异性更大。对 很多实际的结构，风的体型系数和风的 动力效应都是难以精确知道的。地震虽 然也很复杂，但规范规定的却很精确。 相对地震荷载，风载的施加是更加“主 观”的操作。 27 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计 设防分类 抗震体系及不规则判断 基本参数 分
16、析方法（等效侧向力法，反应谱） 地震效应组合 二阶效应 变形验算 其他 28 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 设防分类 风险等级(RC) 29 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 设防类别-续 抗震设防类别（SDC) 30 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 抗震体系及不规则判别-建筑结构抗震体系 31 |
17、 WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 抗震体系及不规则判别-非建筑结构抗震体系1 32 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 抗震体系及不规则判别-非建筑结构抗震体系2 33 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 抗震体系及不规则判别 抗震体系的选用是美标设计极为关键的一步。 一般来说，首先需要区分建筑（buildin
18、g）和 非建筑（nonbuilding）。对非建筑结构（工业 结构），还要看其是否“类似于”建筑（即具 有通常的层构造）。对很多工业结构，其抗震 性能的研究是不充分的，因此大多使用较小的R 系数，采用偏保守的弹性设计。 同一个结构，在不同的方向可以使用不同的抗 震体系。对同一个抗侧力方向，不同的抗震体 系也可以进行组合。 34 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 抗震体系及不规则判-平面不规则 35 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorpor
19、ated 4. 抗震设计- 续 抗震体系及不规则判-竖向不规则 36 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 抗震体系及不规则判别 规则或不规则，主要是针对具有层的建筑结构 而言。但很多工业结构不具有典型的层结构， 那么就不应机械的按此规定执行。 37 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 基本参数 重要性系数（Seismic importance factor, Ie. ） Mapped spectral r
20、esponse acceleration parameters,SS and S1,PGA Design spectral response acceleration.,SDS and SD1 场地类别Site class. 冗余度系数 ， redundancy factor, Basic seismic force-resisting system(s). Response Modification Coefficient(s), R. Deflection Amplification Factor, Cd Overstrength Factor, 0 38 | WWW.BENTLEY.CO
21、M | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 重要性系数（Seismic importance factor, Ie. ）,引自ASCE7 39 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 Mapped spectral response acceleration parameters,SS and S1 http:/earthquake.usgs.gov/hazards/designmaps/pdfs/?code=ASCE +7&edition=201
22、0 40 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 PGA with specified probability in 50 years http:/earthquake.usgs.gov/hazards/apps/map/ 41 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 Design spectral response acceleration,SDS and SD1 42 | WWW.BENTLEY.COM |
23、2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 场地类别Site class. 43 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 冗余度系数redundancy factor, 下列情况 值取1: 1. Structures assigned to Seismic Design Category B or C. 2. Drift calculation and P-delta effects. 3. Design of nonstructural componen
24、ts. 4. Design of nonbuilding structures that are not similar to buildings. 5. Design of collector elements, splices, and their connections for which the seismic load effects including overstrength factor of Section 12.4.3 are used. 6. Design of members or connections where the seismic load effects i
25、ncluding overstrength factor of Section 12.4.3 are required for design. 7. Diaphragm loads determined using Eq. 12.10-1. 8. Structures with damping systems designed in accordance with Chapter 18. 9. Design of structural walls for out-of-plane forces, including their anchorage. 44 | WWW.BENTLEY.COM |
26、 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 Basic seismic force- resisting system(s). Response Modification Coefficient(s), R. Deflection Amplification Factor, Cd Overstrength Factor, 0 45 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 分析方法-不同分析方法的使用范围 46 | WWW.BENTLEY.COM | 20
27、12 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 等效侧向力法-“等效重力”定义 1. In areas used for storage, a minimum of 25 percent of the floor live load shall be included. EXCEPTIONS: a. Where the inclusion of storage loads adds no more than 5% to the effective seismic weight at that level, it need not be included
28、in the effective seismic weight. b. Floor live load in public garages and open parking structures need not be included. 2. Where provision for partitions is required by Section 4.2.2 in the floor load design, the actual partition weight or a minimum weight of 10 psf (0.48 kN/m2) of floor area, which
29、ever is greater. 3. Total operating weight of permanent equipment. 4. Where the fl at roof snow load, Pf, exceeds 30 psf (1.44 kN/m2), 20 percent of the uniform design snow load, regardless of actual roof slope. 5. Weight of landscaping and other materials at roof gardens and similar areas. 47 | WWW
30、.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 等效侧向力法-“地震影响系数”计算 V = CsW (12.8-1) 用公式12.8-2计算出来的影响系数不 能超过如下的限值: Cs 不能小于下值 ： Cs = 0.044SDSIe 0.01 (12.8-5) 对S1 =0.6g地区的结构,Cs不能小于下值： Cs = 0.5S1/(R/Ie) (12.8-6) 48 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 等效侧向力法-周期的近
31、似计算 对平均层高小于3米且层数小于12层抗弯框架，可用公式 12.8-8计算近似周期，其中N为层数 49 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 等效侧向力法-计算周期的限值 用户计算出来的周期T不能大于 (Cu) Ta,其中Cu由下表确定： This period limit prevents the use of unusually low ELF base shear for design of buildings (or computational models) that are overl
32、y flexible. The coefficients in the table have two effects. First, the conservatism of lower bound empirical formulas for Ta is removed. Second, the period is increased in regions of lower seismicity as buildings in such areas generally are more flexible (and, hence, have longer periods) than buildi
33、ngs in regions of higher seismicity. 50 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 等效侧向力法-基底剪力沿层高的分布 k 是与周期相关的指数: 对周期小于或等于0.5，k = 1 对周期大于或等于2.5s的， k = 2 对结构周期在0.5和 2.5 s之间的, k = 2或 者沿1和2之间插值取值 51 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 等效侧向力法-自然偏心与偶然偏
34、心 偶然偏心扭转，按垂直于地震力方向的建筑物宽度 的5%，并且分正负按最不利情况考虑 对SDC为C, D, E, 或 F, 并且存在1a或1b扭转不规 则（据表 12.3-1 ）应对每层的偶然偏心扭矩乘以 放大系数(Ax)，3 = Ax =1 所谓的自然偏心扭转，由三维分析模型本身的质量 和刚度分布自动考虑 52 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 等效侧向力法-层间位移比计算考虑 计算层间位移比的地震力和用于强度计算的地震力不 一样，区别在于，前者： 1.不考虑冗余度系数(=1.0) 2.不考虑重
35、要性系数（Ie=1.0) 2.不考虑最小基底剪力要求 3.周期不考虑TaCu的限值 另外，层间位移比计算的水平地震力仍为为强度水平 （strength level),即使使用ASD设计方法。 如果楼层有扭转，则为考虑扭转之后的最大层间位移 53 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 反应谱 一般注意事项： 1.振型个数：每个方向各个振型的质量参与系数和大于90% 2.振型组合方法：CQC 2.内力的调整:与基底剪力法的85%基底剪力比较，如小要调整 3.变形的调整： 4.偶然偏心的考虑：需要在分析模型
36、中体现 5.二阶效应：可以通过考虑几何刚度来反应 54 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 地震效应组合 基本组合： 过载组合： 方向组合： SDC为A,B忽略 100%+30% 时程分析 (1.2 + 0.2SDS)D + QE + L + 0.2S (0.9 0.2SDS)D + QE + 1.6H (1.2 + 0.2SDS)D + oQE + L + 0.2S (0.9 0.2SDS)D + oQE + 1.6H 55 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Sys
37、tems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 二阶效应 The geometric stiffness of the structure, KG, is equal to P/h, where P is the total gravity load and h is the story height. KG is negative where gravity loads cause compression in the story. The stability coefficient, , is defined as the absolute value of the geome
38、tric stiffness divided by the elastic stiffness.因此，二阶效应可通过线性屈曲分析的屈曲因子得到 56 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 变形验算-地震作用的层间位移比限值 变形的计算一定要使用LRFD的地震组合 57 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 4. 抗震设计- 续 STAAD对抗震设计的支持并不彻底。一些与抗震有 关的特殊验算与构造考虑，需要用户单独考虑（手 工计算）
39、，也可借助RAM CONNECTION计算（支持抗 震计算）。这些特殊的验算有可能使用带有过载系 数0的地震组合。这需要实现在STAAD中组合出来。 STAAD和RAM CONNECTION可以直接交互。但如果是 进行抗震的节点设计，建议还是在RAM CONNECTION 中单独进行。因为对工况的类型可以更好的进行控 制。 58 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项 总述 刚度建模 质量建模 层模型（可选） 荷载建模 结构特性初步判断（周期，规则性） 总荷载与总反力 规范检验项目与参数控制 59 | W
40、WW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项 总述 建立分层次的简化模型； 不同设计阶段，建立不同深度的模型； 不要试图用一个大而全的巨无霸模型解决所有的结 构设计问题； 加强检查 60 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 刚度建模 主要结构与次要结构 约束释放与桁架构件，几何可变 截面定义，Beta角 材料定义（弹性模型与屈服强度） 61 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley System
41、s, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 质量建模 共享质量与专用质量 参考质量工况 恒载，底部剪力法重 量，质量三种概念辨 析 质量的“细分” 62 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 层模型（可选） 刚片模型，层质量 层刚度，柔弱层检验 层间位移，平面不规则 检验 63 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 荷载建模 风载的向导生成(ASCE7) 底部剪力法地震荷载的生成(UBC
42、,IBC) 反应谱地震(IBC) 荷载效应组合自动生成 64 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 风载的向导生成(ASCE7)-定义 65 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 风载的向导生成 (ASCE7)-引用 开敞结构与非开敞结 构 手工风荷载 风载命令： WIND LOAD X 1 TYPE 1 YR 0 5 WIND LOAD X 1 LIST _GROUPNAME 66 | WWW.BE
43、NTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 底部剪力法地震荷载的生成(UBC,IBC) 67 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 反应谱地震(IBC) IBC可自动生成， UBC97的需要手工输入 68 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 荷载效应组合自动生成-规则的定义 69 | WWW.BENTLEY.COM | 20
44、12 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 荷载效应组合自动生成-生成荷载组合 70 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 结构特性初步判断（周期，规则性） 瑞利法计算：CALCULATE RAYLEIGH FREQUENCY 特征值法计算：MODAL CALCULATION REQUESTED 71 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 总荷载与总反力
45、-后处理状态 根据平衡关系判断解的精度，是否可变 基底剪力，倾覆力矩，总体扭矩 72 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 构件强度极限状态 控制参数: LOAD LIST, PRRAMATER, CHECK CODE 设计方法： METHOD,BEAM 规格参数： STP FYLD,FU, NSF 稳定参数: LY,LZ,KY,KZ, UNT,UNB 73 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 ST
46、AAD SET 命令 74 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 5. 建模注意事项- 续 正常使用与构造检验 构造参数： MAIN,TMAIN 挠度: DFF,DJ1，DJ2 特殊参数： TRACK 用量统计： STEEL TAKE OFF 层间位移比： PRINT STORY DRIFT 75 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 6. 结果查看与输出 传统上，从STAAD的输出文件（后缀名为ANL）的文 件，可以得到几乎任何有用的信息。这个文件也
47、一 直被当做计算书来使用。美标检验的很多有用信息， 都在这个文件中体现出来。 一般计算结果，例如反力，位移，杆端力，周期， 振型，屈曲模态等，可以从STAAD的后处理查看 对大型模型，如果支座构件校核，可以不生成用于 后处理的结果文件，可以使用命令SET GUI 1 76 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 6. 结果查看与输出 77 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 7. 节点设计 RAM CONNECTION使用方式 RAM CONNECTION节点设计主要流程 SMF与SCBF节点注意事项 78 | WWW.BENTLEY.COM | 2012 Bentley Systems, Incorporated 7. 节点设计- 续 RAM CONNECTION使用方式 可以和STAAD集成使用，也可单独使用 对非抗震设计，建议用前者；对抗震设计建议用 后者
