Midas分析与设计原理手册

midas的官方手册。

MIDAS Family Program(中文版)是北京迈达斯技术有限公司开发的结构分析及设计系列软件。

与MIDAS Family Program相关的书籍受计算机软件保护条例和著作权法的保护。

关于软件及相关资料的咨询请按以下地址联络。

本用户手册的制作所引用的商标(trademark)以及注册商标(registered trademark)如下。

ADINA is a trademark of ADINA R&D, Inc.

AutoCAD is a registered trademark of Autodesk, Inc.

SAP2000 is registered trademark of Computer and Structure, Inc.

Excel is a trademark of Microsoft Corporation.

IBM is a registered trademarks of International Business Machines Corporation.

Intel 386, 486, and Pentium are trademark of Intel Corporation.

MIDAS is a trademark of MIDAS Information Technology Corporation.

NASTRAN is a registered trademark of the National Aeronautics and Space Administration(NASA).

NISAⅡis a trademark of Engineering Mechanics Research Corporation.

ScreenCam is a trademark of Lotus Development Corporation.

Sentinel is a trademark of Rainbow Technologies, Inc. 北京市海淀区中关村南大街乙56号方圆大厦1402室Phone : 010-8802-6170 Fax : 02-8802-6171 E-mail : midas_cn@http://www.77cn.com.cn http://www.77cn.com.cn Modeling, Integrated Design & Analysis Software

Windows is a trademark of Microsoft Corporation.

Internet Explorer is a trademark of Microsoft Corporation.

Cosmo Player is a trademark of Cosmo Software, Computer Associates International, Inc.

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分析与设计

程序鉴定和使用前的注意事项

MIDAS Family Program在开发阶段通过几千种例题鉴定了理论值以及完成了与其他S/W的比较鉴定，内含最新的理论，能得出可靠的分析结果。

自1989年开发以来，使用于包括政府机关在内的国内外4000多个工程项目中，证明了其效率和准确性。

MIDAS Family Program通过了财团法人韩国电算结构工学会的严格鉴定。

但由于结构分析及设计程序是以庞大的理论和设计知识为基础的，基于此特点，由使用MIDAS Family Program而引起的任何利益和损失，MIDAS Family Program的开发赞助人、开发者以及鉴定机关均不负责。

因此使用程序之前，必须充分理解用户手册，程序的执行结果也需要用户的鉴定。

DISCLAIMER

Developers and sponsors assume no responsibility for the use of MIDAS Family Program (MIDAS/Civil, MIDAS/Gen, MIDAS/BDS, MIDAS/SDS, MIDAS/SET, MIDAS/FEmodeler, and, MIDAS/ADS; hereinafter referred to as “MIDAS package”) or for the accuracy or validity of any results obtain from the MIDAS package.

Developers and sponsors shall not be liable for loss of profit, loss of business, or

financial loss which may be caused directly or indirectly by the MIDAS package, when used for any purpose or use, due to any defect or deficiency therein.

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感谢语

MIDAS Family Program是以POSCO集团成立以来所积累下来的机械、建筑和土木部门的结构设计技术为基础，并在多位教授和工程技术人员的帮助下制作出来的。

在这里对本程序的开发和编写用户手册给予帮助的教授以及相关部门的技术人员表示感谢。

愿本程序能够对建筑、土木结构的分析以及设计领域的技术发展贡献微薄之力。

北京迈达斯技术有限公司

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分析与设计

序言

欢迎使用MIDAS/Gen程序。

MIDAS/Gen是为了能够迅速完成对结构的结构分析与设计而开发的“建筑及土木结构通用的结构分析与优化设计软件”。Gen是“General structure design system for windows”的缩写。

关于MIDAS/Gen和MIDAS Family Program

MIDAS/Gen作为MIDAS Family Program之一，是从1989年开始开发的。

MIDAS Family Program是为了将结构设计各项工作的全过程自动化为目的而开发的Package Software，其构成如下。

MIDAS/Civil Civil structure analysis/design for window system

土木结构专用结构分析以及优化设计系统

MIDAS/Gen General structure design system for windows

土木、建筑部门通用结构分析以及优化设计系统

Finite Element modeler

迅速建模以及自动生成有限元网格的软件

Building structure Design System

建筑物专用结构分析以及优化设计系统

Slab & basemat Design System

楼板 筏式基础的结构分析以及优化设计系统

Structural Engineer’s Tools

单体结构设计软件

shear wall type Apartment Design System

剪力墙结构住宅楼的分析以及优化设计系统

MIDAS/FEmodeler MIDAS/BDS MIDAS/SDS MIDAS/SET MIDAS/ADS

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MIDAS/Gen是经过国内外专业技术人员和S/W专家的共同努力，并考虑实际设计人员的要求，用Visual C++在Windows环境下开发的。因此简单易学，并且可以尽快地投入使用。

特别是利用其独特的GUI(Graphic User Interface)功能和图形处理(Graphic display)功能，可对结构模型的建立过程按输入的阶段进行查看，并可将输出结果直接转换为文本形式。

另外，Gen在开发阶段通过几千种例题鉴定了其计算结果与理论值以及其他S/W的比较鉴定，并通过应用于大量的工程项目中，证明了其效率和准确性。

在Verification Manual中包含了以上例题中最具代表性的一些例题。在决定分析结构精确性的有限元运算原理方面，由于采用了最新理论，故可计算出比其他类似程序更为精确的计算结果。

结束语

MIDAS/Gen是通过国内外技术人员和学术界的教授的努力和协助而诞生的。

愿使用MIDAS/Gen的用户取得成功。若在使用上有什么不便或需要改进的地方请随时与我们联系。

最后感谢参与MIDAS/Gen开发的人员，特别是开发者以及他们的家属。

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分析与设计

如何使用用户指南

Gen的用户指南由三本用户手册和联机帮助(On-line Manual)构成。

第一册

第二册

第三册

On-line Manual

包含于程序内部，是对各项功能的使用方法和输入项目的详细说明

为了更加有效地理解和掌握Gen的特性和功能，最好按以下顺序先对用户指南的内容有一定的了解后再开始使用程序。

首先请阅读对结构分析的功能进行解说的第二册的内容，以便对结构分析的概念有初步的了解。

对于Gen或其它类似程序有一定使用经验的用户可省略此过程，而只是在使用过程中对需要参考的部分查看用户手册。

第二册中的内容包括利用Gen进行有限元分析所需要考虑的基本事项和在设计过程中必须了解的一些基本知识。据国外的一些专门杂志统计，在对结构分析理论和所使用程序的理解不足的状态下进行结构分析时，发生错误的概率在90%以上。

请根据第一册的“安装”部分的内容按所示步骤安装Gen。

并请阅读第一册的其它部分来了解使用Gen时所需的一些基本概念。

在第一册中包括“设定操作环境”、“输入数据”、“模型画面的处理”、“选择功能和激活/钝化功能”、“建模”、“分析”、“查看分析结果”等为高效建模和分析而必须了解的功能的使用说明。 对于各项功能以及输入事项的详细说明请参考Gen的Help菜单中联机帮助(On-line Manual)的“开始”部分的内容。 Getting Started & Tutorials 包括程序概要和使用之前所需了解的事项以及一些供跟随操作的例题 Analysis and Design 对分析和设计功能的说明 Verification Examples 验证例题

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其次请运行Gen CD中“例题”的动画文件。

该文件是将“例题”的对结构的建模、分析以及查看结果的全过程使用ScreenCam记录下来的动画文件，并含有语音说明。

用户可根据第一册中“例题”的步骤将其直接应用到Gen中。

接着请对Gen CD中内含的“应用(Applications)”中的例题进行实习。

在“应用”中针对实际工程项目，对从建模到分析、设计的全过程按各步骤进行了说明，用户可方便地跟随操作。此中若有不解之处，可参考联机帮助(On-line Manual)的“开始”中相应的内容。

在第三册中提供了大量的验证例题。通过这些例题，对于Gen的主要分析功能，将其计算结果与理论值或其它结构分析程序的计算结果进行了比较和验证。验证例题中的大部分是由大学课程中经常接触的基本结构问题构成的，因此还可以被用来帮助结构分析的初学者了解和掌握结构分析的基本概念。另外，验证例题使用的是英文。

除此之外，MIDAS IT的主页(http://www.77cn.com.cn)还提供“技术资料”、“FAQ”、“Q&A”以及“用户建议”等栏目及相应的内容。不仅提供各种新旧功能的介绍和使用方法，还提供实际工作中进行结构分析所需的各种技术、最新理论等在线资料。

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结构分析与

设计Analysis and Design

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A. 目录

1. MIDAS/Gen的数值分析模型….................………………..1

数值分析模型 / 1

坐标系与节点 / 2

单元种类及主要考虑事项 / 4

桁架单元 / 4

只受拉单元 / 8

索单元 / 9

只受压单元 / 13

梁单元 / 15

平面应力单元 / 18

二维平面应变单元 / 24

二维轴对称单元 / 31

板单元 / 38

实体单元 / 45

墙单元 / 52

单元输入时的主要考虑事项 / 59

桁架、只受拉单元和只受压单元 / 61

梁单元 / 62

平面应力单元 / 65

平面应变单元 / 67

轴对称单元 / 67

板单元 / 68

实体单元 / 69

单元的刚度数据 / 70

截面面积 / 72

有效剪切面积 / 73

抗扭刚度 / 75

截面惯性矩 / 83

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分析与设计

截面惯性积 / 85

截面面积矩 / 89

剪切系数 / 90

组合截面的刚度计算 / 91

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边界条件 / 92 边界条件 / 92 自由度的约束 / 92 弹性支撑单元 / 95 弹性连接单元 / 98 单元端部释放 / 99 考虑刚性域效果 / 101 主节点和从属节点 / 114 支座的强制位移 / 123 2. MIDAS/Gen的结构分析功能 ..……..……...……………………126 结构分析功能 / 126 静力分析 / 127 特征值分析 / 127 反应谱分析 / 133 时程分析 / 137 振型叠加法 / 137 屈曲分析 / 142 非线性分析 / 145 非线性分析的概念 / 145 几何非线性分析 / 147 P-delta 分析 / 153 采用非线性单元的分析 / 157 非线性单元的刚度 / 158

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边界非线性动力分析 / 160

分析模型的构成 / 160

边界非线性动力分析的概念 / 161

特征值分析时的注意事项 / 164

静力荷载和动力荷载的组合 / 164

有效刚度 / 165

非线性连接单元的动力特性 / 165

静力弹塑性分析 / 176

概要 / 176

结构抗震性能分析方法 / 177

使用单元的类型 / 178

非线性弹簧的特性 / 180

Pushover 分析方法 / 183

作用荷载 / 183

性能反应谱和设计反应谱 / 183

性能评价 / 187

Pushover 分析步骤 / 188

施工阶段分析 / 189

概要 / 189

施工阶段对建筑物的影响 / 191

材料的时间依存特性 / 198

施工阶段的定义及构成 / 206

施工阶段分析步骤 / 212

水化热分析 / 216

热传递分析 / 216

热应力分析 / 220

自动考虑结构支座沉降效应的分析 / 224

考虑组合截面组合前后截面性质变化的分析 / 226

利用优化设计方法求解未知荷载 / 226

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愿MIDAS系列软件

能对土木、建筑结构的分析和设计领域的技术发展贡献微薄之力。

制 作 : 北 京 迈 达 斯 技 术 有 限 公 司

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数值分析模型

1. MIDAS/Gen的数值分析模型 结构分析模型是由节点、单元及边界条件三要素所构成的。其中，节点是用来确定构件的位置；单元是用分析模型数据表达结构构件的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的；边界条件是用来表达所研究的对象结构与相邻的结构之间的连接方式。 所谓的结构分析就是为了研究结构的力学性能，建立结构的数值分析模型，利用假定的外部环境作用，对数学模型作理论性的实验分析的总过程。 在结构分析时，需要准确的表现结构的特性和结构所处的外部环境。其中外部环境主要就是指荷载因素。可通过规范或者一些现有的统计资料得到。但是，要想把握好结构的特性，充分地了解结构的受力性能，则不是一件非常简单的事情。它将直接影响到结构的受力分析结果。 因此，作结构分析时必须充分细致的了解实际结构的材料特性，掌握结构的变形能力即刚度，选择合理的有限计算单元，使得计算结构模型同实际结构相接近，使计算结果同实际结构相符合。 但是，通常结构的形状是复杂的，而且很难精确地把握其材料的物理特性。要想把结构的刚度（即变形能力）和质量精确地反映到计算结构模型上，将会花去很大的精力和时间，有时有可能带来事倍功半的效果。 因此，进行结构分析时，在不破坏整体结构特征的前提下，必须做到简化、调整计算结构的数学模型，使得用最少的投入，得到最佳的结果。1

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分析与设计

坐标系及节点

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例如，对桥梁的主梁建立数学模型时，不使用板形单元（平面应力单元或板单元），而采用线形单元（桁架单元或梁单元）时，不但缩短结构分析时间，而且更便于作结构设计。 所谓的有限元（Finite Element)就是用分析模型数据表达结构构件特性的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的。它必须充分的反映结构受力特性，但通常很难做到用数学的方法完整地反映出实际结构固有的特性。 因此，作为用户必须充分地了解实际结构的受力性能，掌握好各种有限单元的力学特性，以便较好的选择有限单元，正确地做到结构分析和设计。 MIDAS/Gen软件使用如下几个坐标系系统。 全局坐标系 (Global Coordinate System) 单元坐标系 (Element Coordinate System) 节点坐标系 (Node local Coordinate System) 全局坐标系是由X、Y、Z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系(Conventional Cartesian Coordinate System)，用大写X、Y、Z表示三个轴的方向。 通常利用该坐标系表达节点坐标、节点位移、节点反力及相关于节点的其它输入数据。 全局坐标系是用来确定所分析对象结构空间位置的坐标系统。启动MIDAS/Gen软件，在系统界面视窗区，将自动生成基准点 (Reference Point) 即全局坐标系的原点X=0、Y=0、Z=0和全局坐标系统。其中Z轴的方向平行于重力加速度方向并与其反向。因此利用软件建立结构的计算模型时，建议做到结构的垂直方向与全局坐标系的Z轴平行建模，将有利于结构分析。

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单元种类及主要考虑事项

单元坐标系也是由x、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小

写x、y、z表示三个轴的方向。

参照“Gen数学分析模

型”中的“单元种类和主

要考虑事项” 通常利用该坐标系表达单元内力、单元应力及相关于单元的其它输入数据。结构端部节点的约束（支撑）方向、弹簧支撑方向及节点的强制位移方向同全局

坐标系的坐标轴方向不相吻合时，通常采用节点坐标系。

节点坐标系也是由x、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小

写x、y、z表示三个轴的方向。

(Xi, Yi, Zi) （原点） 图1.1 全局坐标系和节点坐标

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pg9h.html