midas Gen建筑结构分析与设计软件
midas Gen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。支持常规土木结构和复杂结构的通用分析和高端分析，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根据国内最新的钢筋混凝土构件、钢构件、铝合金构件、冷弯薄壁钢构件、组合型材构件进行设计和校核/国外规格。设有管廊、水池、筒仓等。平台采用板壳结构设计。
除一般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、隔振耗能分析、屈曲分析、几何非线性分析和材料非线性分析、钢和混凝土的整体分析结构、钢结构、铝合金结构、冷弯薄壁型钢等的优化设计，是专门为结构工程师开发的结构分析与优化设计系统。
1、钢结构旋转楼梯全过程分析与设计 1 引言
随着建筑技术和建筑材料的发展，钢结构螺旋楼梯越来越多地应用于工程中。钢结构旋转楼梯结构比较新颖，采用钢材作为结构材料。因此具有重量轻、易于生产加工、施工方便等优点。但楼梯整体结构比较柔软，对人为激励比较敏感，容易产生振动，小了就会让人感觉不舒服，大了就会引起共振，影响安全使用[1] 。因此，钢质螺旋楼梯设计时必须注重强度、刚度、稳定性和舒适度结果。 2019年颁布的《JGJT441-2019建筑地板振动舒适性技术标准》明确规定了人为激励效应和舒适性要求。基于对本标准的理解，笔者认为，钢结构旋转楼梯应根据走廊、室内立交桥的要求进行舒适度校核。为了准确、快速地完成钢质螺旋楼梯的分析和设计，采用midasGen和midasFEA NX完成楼梯构件验证、舒适度分析等工作。
2 midasGen 杆系统模型
使用几何建模软件Rhino建立几何中心线辅助建模。使用Rhin中的螺旋线、圆曲线和直线的建模功能来建立结构的中心线。
图2 旋转楼梯边界图
图1 快速建立计算模型流程图
建立几何模型后，将内部和外部边界应用于结构。内部边界：阶梯梁和梯梁不应铰接和释放。 MidasGen可以根据阶梯梁刚度和阶梯梁刚度计算杆的内力，比简单粗暴的点铰更合理。 ；外边界：采用固定支撑来约束6个方向的自由度。
3midas Gen rod系统模型结果分析
对模型施加相应的载荷，得到内力包络图、位移图、应力比图。
图3 轴力、剪力、弯矩包络图
图4 位移与应力比图
对于常规钢楼梯结构设计，在上述内力结果满足规范要求的基础上，即可输出计算表并绘制施工图。由于本项目为市政公建项目，建成后人流量大、使用频率高钢结构旋转楼梯图集，因此有必要对结构进行舒适度分析。
4 midasGen板壳模型舒适度分析
传统的螺旋楼梯采用两侧箱梁和上下密封板制成封闭截面。这种截面杆系模型很难准确反映结构刚度钢结构旋转楼梯图集，因此需要建立反映结构刚度的板壳模型。使用Rhino建立几何模型导入midasFEA NX进行有限元网格划分，再导入midasGen进行舒适度分析，得到结构的最大加速度峰值。
图5 几何模型
首先，建立Rhino几何模型。您可以使用点、线和面命令手动或参数化地构建所需的几何模型。
图6 网格模型
其次，将建立的几何模型导入midasFEA NX中进行网格划分，利用midasFEA NX的网格压印和组合功能快速实现网格划分和耦合。
获得网格模型后，我们将模型导入midasGen中进行舒适度分析。
图7 板壳模型与杆系模型变形对比
第三，保留静载荷并添加人群载荷条件。 《JGJT441-2019建筑地板振动舒适度技术标准》第3.2.5条第3项取人群荷载大小为0.35KN/m2。为了得到结构的竖向自振频率，定义以自重换算为质量为Z方向，荷载换算为质量为Z方向。
第四，计算得到结构一阶竖向自振频率为3.592Hz，模态参与质量达到90%。这里n为2，则人群荷载频率fs1（Hz）=1.796，人群荷载频率fs2（Hz）=3.592，楼梯面积（m2）=29，阻尼比0.005，可计算人群密度（人/m2） 。由标准公式可以得到P1(t)和P2(t)时程曲线。
图9 标准公式
图8 人群工况定义及质量源定义
图11 舒适度分析工况设置
图10 人体诱发激励负载的定义
五、设置时程函数数据类型为无量纲函数类型；时程工况设置如下：分析类型为线性，分析方法采用模态叠加法，时程类型为瞬态，模态阻尼比为0.005，人体感应激振载荷可通过添加随时间变化的静载荷。
图12 关键节点加速曲线
第六，检查变形最大节点的加速度曲线。找到对应的节点后，可以查看节点加速时程结果。
从结果来看，我们可以看到最终的加速度稳定在1.16m/s2左右，这意味着最大峰值加速度为1.16m/s2。该值超过了规范规定的0.5m/s2，因此需要调整线路模型并进行舒适度分析。梯梁截面由500*200调整为900*300，满足规范要求。
5 总结
本文结合对文献的了解以及midasGen和midasFEANX的软件特点来探讨钢结构螺旋楼梯分析和设计的整个过程，希望能够帮助工程师更好地理解和掌握钢结构螺旋楼梯。由于作者水平有限，文章中难免存在不足和错误；热忱欢迎工程师批评指正。
参考
[1] 张琼，陈凯，杜永峰，刘露露。基于人体动力学模型的钢楼梯振动舒适性及控制研究[J].防灾减灾工程学报, 2018, 38(01): 153-160 .DOI:10.13409/ki.jdpme.2018.01.021.
