SAP在地鐵工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用示例

1、地下結(jié)構(gòu)專業(yè)工作手冊(cè)系列之一有限元分析軟件sap84使用手冊(cè)城交分院地下結(jié)構(gòu)所二零零五年五月SAP84)1軟件介紹軟件概述SAP8鋁以有限元法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析軟件，由北京大學(xué)力學(xué)系袁明武教授主持開發(fā)。自1982年開發(fā)以來至今已有近二十多年的歷史，目前SAP84版本已經(jīng)推出。為了考證有限元程序的正確性，SAP8取寸美國CSI公司產(chǎn)品SAP2000I勺大部分算例都進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比。SAP8鍬件是一個(gè)高度模塊化的系統(tǒng)，它包括下列模塊：a平面模型圖形輸入系統(tǒng)PlanIn。PlanIn能夠處理平面框架、桁架、鋼架、平面應(yīng)力和平面應(yīng)變問題，用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)分析一般采用此模塊。b結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖形后處理

2、軟件GPOSTc與現(xiàn)行規(guī)范配套的混凝土配筋模塊REIN和鋼結(jié)構(gòu)校核模塊SS88（2004年）。d功能強(qiáng)大的圖形交互系統(tǒng)GIS。GIS能夠處理空間框架、桁架、網(wǎng)架、鋼架、殼體和地下結(jié)構(gòu)問題，對(duì)于空間效應(yīng)明顯的地下結(jié)構(gòu)一般采用此模塊分析。e樁基承載力分析模塊GPILE。f獨(dú)特的施工模擬分析模塊XCONSTRg二維有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成及建模程序AutoMESH2（D其功能同時(shí)集成在GIS中）h三維實(shí)體單元網(wǎng)格自動(dòng)生成及建模程序AutoMESH3D。i高層建筑專用前處理程序SAGSF口后處理程序SAGSOUTSAP84#模塊之間的關(guān)系如圖所示。圖模塊關(guān)系圖軟件安裝用戶在購買SAP84后即得到：一張軟盤（

3、含同加密狗配套的授權(quán)文件）；一張光盤（含安裝文件）；一個(gè)加密插頭。用戶可以啟動(dòng)光盤上的進(jìn)行安裝，然后按照SETUP勺提示進(jìn)行。如果安裝的是正式版，安裝過程中需要把授權(quán)文件文件拷入SAP8似裝目錄。如果用戶系統(tǒng)為WindowsNT或Windows2000,并且是第一次安裝SAP84安裝程序會(huì)要求安裝并口驅(qū)動(dòng)程序。安裝完成之后請(qǐng)將加密插頭插到并行口LPT1上，然后就可以通過SAP8砒序組啟動(dòng)SAP84ft成環(huán)境系統(tǒng)SAPGUIDE獲得幫助在學(xué)習(xí)或者應(yīng)用軟件過程中，如果遇到困難可以通過幾種途徑來解決：a軟件配有一套紙質(zhì)說明書，以供閱讀；b在軟件啟動(dòng)后，按F1鍵出現(xiàn)在線幫助；c“開始”一“程序”一“S

4、AP84可找到幫助系統(tǒng)文件夾和演示程序。2工程算例PlanIn是地下結(jié)構(gòu)專業(yè)最常用的模塊，這里主要介紹PlanIn的使用方法。如果欲掌握建立空間模型的基本方法，可學(xué)習(xí)GIS幫助中建立半球殼的例子。問題描述某地鐵車站結(jié)構(gòu)橫斷面如圖所示，構(gòu)件所用材料為C30鋼筋混凝土。地基土水平、豎直基床系數(shù)為40MPa/m結(jié)構(gòu)所受永久荷載如圖所示，所受可變荷載如圖所示。圖結(jié)構(gòu)橫斷面圖圖永久荷載圖圖可變荷載圖計(jì)算步驟根據(jù)已知條件，建立模型，計(jì)算該結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。計(jì)算步驟如下:(1)啟動(dòng)軟件，選取單位制，進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置。點(diǎn)擊桌面圖標(biāo)號(hào)證白堞或環(huán); 境系抗：啟動(dòng)SAP84進(jìn)入后點(diǎn)擊Flnln，點(diǎn)擊“文件”“新建”“保

5、存”，文件名只可以英文字母命名。點(diǎn)擊“參數(shù)”“選取單位制”，選擇“kN、m”，點(diǎn)擊確定。點(diǎn)擊“參數(shù)”“選項(xiàng)設(shè)置”，確認(rèn)選擇了“考慮材料引起的自重”一項(xiàng)。（2）生成節(jié)點(diǎn)和單元，建立幾何模型。點(diǎn)擊“幾何”“絕對(duì)坐標(biāo)生成節(jié)點(diǎn)”，在界面底部輸入表中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，生成6個(gè)節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)擊“顯示”“顯示選項(xiàng)”，選中“節(jié)點(diǎn)號(hào)”一項(xiàng)，屏幕顯示出節(jié)點(diǎn)編號(hào)，如圖所示。表節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值節(jié)點(diǎn)號(hào)yz123456圖點(diǎn)擊“幾何”“梁柱生成”，在“常用工具與按鈕”中選擇“直線生成”，用鼠標(biāo)連續(xù)選擇節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2，在屏幕出現(xiàn)的對(duì)話框中輸入要生成的單元數(shù)目，生成車站結(jié)構(gòu)的底板。如此方法生成側(cè)墻、頂板和中板，完整的車站結(jié)構(gòu)如圖所示。圖（3）設(shè)置

6、構(gòu)件材料和截面。點(diǎn)擊“參數(shù)”“管理材料庫”“添加材料”，輸入“C30”，“混凝土強(qiáng)度等級(jí)”中顯示“30”，其余參數(shù)不需輸入，軟件將自動(dòng)賦值。點(diǎn)擊“參數(shù)”“管理普通截面庫”“添加截面”，輸入“底板”，在“截面參數(shù)”中輸入截面高（）和截面寬（）的數(shù)值，屏幕如圖所示。如此方法生成頂板（截面高和截面寬）、中板（截面高和截面寬）和側(cè)墻（截面高和截面寬）的截面尺寸。圖點(diǎn)擊“屬性”“梁柱材料”，選擇所有的梁柱單元，選中的單元會(huì)改變顏色。單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“應(yīng)用選擇對(duì)象”，所有單元被賦予了材料屬性。點(diǎn)擊“屬性”“梁柱截面”，確認(rèn)截面參數(shù)顯示為“底板”，選中所有底板單元。單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“應(yīng)用選擇對(duì)象”，所有

7、底板單元被賦予了截面屬性。如此方法將截面屬性分別賦予給頂板、中板和側(cè)墻單元。此時(shí)屏幕如圖所示。圖（4）施加結(jié)構(gòu)荷載，建立荷載工況，設(shè)置荷載組合。點(diǎn)擊“荷載”“梁柱荷載”“改變荷載參數(shù)”，選中“以插值的方式確定梁柱荷載”。輸入插值點(diǎn)1（-66）和插值點(diǎn)2（-66）的“荷載線密度值”，點(diǎn)擊“退出然后捕捉2個(gè)插值點(diǎn)”，選擇節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)4，再選擇頂板梁柱單元。單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“應(yīng)用選擇對(duì)象”，選中單元被施加了相應(yīng)荷載。如此方法施加中板荷載（-8）。點(diǎn)擊“改變荷載參數(shù)”，選中“以插值的方式確定梁柱荷載”。選擇“荷載作用方向”為整體坐標(biāo)Y方向，輸入插值點(diǎn)1（）和插值點(diǎn)2（）的“荷載線密度值”，點(diǎn)擊“退出

8、然后捕捉2個(gè)插值點(diǎn)”，選擇節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)1，再選擇左側(cè)側(cè)墻梁柱單元。單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“應(yīng)用選擇對(duì)象”，選中單元被施加了相應(yīng)荷載。如此方法施加右側(cè)側(cè)墻荷載（，）。此時(shí)屏幕如圖所示。圖點(diǎn)擊“常用工具與按鈕”，“工況1”，輸入“2”，進(jìn)入工況2，施加結(jié)構(gòu)承受的活荷載。方法如上所述，頂板施加荷載（-20，-20），左側(cè)側(cè)墻施加荷載（，），右側(cè)側(cè)墻施加荷載（，）。此時(shí)屏幕如圖所示。圖點(diǎn)擊“荷載”，“荷載組合”，“添加”，“+”，“工況號(hào)”中輸入“1”，“荷載系數(shù)”中輸入“”?！?”，“工況號(hào)”中輸入“2”，“荷載系數(shù)”中輸入“”，點(diǎn)擊“確定”。“添加”，“+”，“工況號(hào)”中輸入“1”，“荷載系數(shù)”中輸入

9、“”?！?”，“工況號(hào)”中輸入“2”，“荷載系數(shù)”中輸入“”，點(diǎn)擊“確定”。點(diǎn)擊“確定”。點(diǎn)擊“荷載”，“位移組合”，“添加”，“+”，“工況號(hào)”中輸入“1”，“荷載系數(shù)”中輸入“”?！?”，“工況號(hào)”中輸入“2”，“荷載系數(shù)”中輸入“”，點(diǎn)擊“確定”。點(diǎn)擊“確定”。（5）施加結(jié)構(gòu)約束條件。點(diǎn)擊“節(jié)點(diǎn)”，“接地彈簧剛度”，在“Dz”中輸入“-1”，在“彈簧剛度”中輸入“37000”，選擇“只能受壓”，用鼠標(biāo)選擇節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2，點(diǎn)擊右鍵，選擇“應(yīng)用選擇對(duì)象”，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2處顯示設(shè)置了受壓彈簧。如此方法設(shè)置表所列節(jié)點(diǎn)處的彈簧，結(jié)果如圖所示。表彈簧剛度值節(jié)點(diǎn)號(hào)Kz節(jié)點(diǎn)號(hào)節(jié)點(diǎn)號(hào)Ky137000542

10、4000774000271948000874000281848000974000291748000107400063580001174000301668000127400031156800013740003214680002370001234000圖（6）檢查數(shù)據(jù)和刪除無用數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“文件”，“數(shù)據(jù)檢查”，軟件警告”結(jié)構(gòu)在UYUZ方向的自由度沒有約束”，由于設(shè)置了彈簧，結(jié)構(gòu)是靜定的，點(diǎn)擊“確定”，忽略軟件警告。點(diǎn)擊“文件”，“刪除無用數(shù)據(jù)”，軟件顯示“完成無用信息的刪除”。（7）計(jì)算和結(jié)果查看。點(diǎn)擊“其他模塊”，“計(jì)算與分析”，出現(xiàn)“SAP8的析選項(xiàng)對(duì)話框”，選擇“確定”，軟件開始計(jì)算。計(jì)算完

11、畢后，點(diǎn)擊“其他模塊”，“后處理SAPOUX進(jìn)入SAP8折處理模塊。將“當(dāng)前公共參數(shù)”中的荷載組合選擇為1 ” ，點(diǎn)擊“內(nèi)力與應(yīng)力”，“一維單元的內(nèi)力圖”，選擇“1-2平面內(nèi)的彎矩”，點(diǎn)擊“確定”，屏幕顯示結(jié)構(gòu)在荷載組合1作用下的1-2平面內(nèi)的彎矩圖，如圖所示。如此方法，能夠得到荷載組合1作用下結(jié)構(gòu)的軸力圖和剪力圖和荷載組合2作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖。得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖即可對(duì)結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行驗(yàn)算和配筋。圖將“當(dāng)前公共參數(shù)”中的位移組合選擇為“1”，點(diǎn)擊“位移”，“節(jié)點(diǎn)位移的數(shù)值顯示”，選擇“當(dāng)前位移組合的位移”，和“Z方向平動(dòng)位移”，點(diǎn)擊“確定”，屏幕顯示結(jié)構(gòu)在位移組合1作用下的豎直方向的位移圖，如圖所示。

12、如此方法，能夠得到荷載組合1作用下結(jié)構(gòu)在其他方向的位移。圖3注意事項(xiàng)建立計(jì)算模型計(jì)算模型是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的抽象和簡化，計(jì)算模型應(yīng)該能夠正確、準(zhǔn)確地反映主要構(gòu)件的主要特征。SAP84s供了很多單元類型用于模擬不同的構(gòu)件，單元類型的選擇主要取決于構(gòu)件的受力特點(diǎn)。一般說來，承受軸力和彎矩并且一個(gè)方向的尺度比另外兩個(gè)方向要大得多的構(gòu)件可以用梁柱單元來模擬，而一個(gè)方向的尺度比另外兩個(gè)方向要小得多的構(gòu)件可以用板殼單元或墻單元來模擬。如果板殼主要承受面內(nèi)的軸力，面外彎矩可以忽略的話可以采用板殼單元中的膜模式，如果板殼主要承受面外彎矩，面內(nèi)的軸力可以忽略的話則可以采用板殼單元中的板模式，其它情況則可以用殼模式來模

13、擬。如果三個(gè)方向的尺度相近，則需要用三維實(shí)體單元來模擬。同樣一根梁單元，如果把它放在整個(gè)結(jié)構(gòu)中考慮，可以用梁柱單元模擬，但是有時(shí)候如果需要單獨(dú)考慮這根梁單元的詳細(xì)受力狀況，這時(shí)可以用三維實(shí)體單元來模擬，然后把整體計(jì)算中的內(nèi)力結(jié)果施加到三維實(shí)體單元上。有時(shí)如果需要考慮構(gòu)件銜接部位的受力狀況，可以先進(jìn)行整體計(jì)算（忽略銜接處的影響），然后采用三維實(shí)體元計(jì)算該銜接部位，同時(shí)把整體計(jì)算中的內(nèi)力結(jié)果加上。選取單位制GIS和PlanIn不限制使用何種單位制，用戶可以根據(jù)習(xí)慣自己選擇。目前，軟件提供給用戶的單位制選項(xiàng)見圖。根據(jù)工程習(xí)慣，建議選用kN和m單位制。需要注意的是：重量和質(zhì)量是兩個(gè)不同的概念，二者有一

14、定的換算關(guān)系。圖關(guān)于自重“選項(xiàng)設(shè)置”提供了一些常見選項(xiàng)的輸入與控制，部分選項(xiàng)對(duì)于計(jì)算結(jié)果非常關(guān)鍵。如果在填寫各單元的材料參數(shù)時(shí)輸入了材料的重度（包括由混凝土強(qiáng)度等級(jí)得到的查詢值），并且選中了此選項(xiàng)，SAP84分析程序?qū)⒆詣?dòng)考慮由材料重度產(chǎn)生的自重，并且把它放在工況1下。但是，如果沒有選中此項(xiàng)，SAP84ft計(jì)算時(shí)將不會(huì)考慮由材料重度產(chǎn)生的自重。缺省情況下該項(xiàng)是被選中的。關(guān)于材料參數(shù)在輸入材料參數(shù)時(shí)，如果只輸入混凝土強(qiáng)度等級(jí)，而其它材料參數(shù)保持為零，SAP84分析程序?qū)⒆詣?dòng)查詢?cè)摶炷翉?qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的彈性模量E、剪切模量G泊松比v、密度、重度以及熱膨脹系數(shù)。材料數(shù)據(jù)對(duì)話框如圖所示。一般彈性模量、剪

15、切模量和泊松比之間的轉(zhuǎn)換公式為：G-日2（1+v）。如果沒有輸入混凝土強(qiáng)度等級(jí)，而輸入了其它材料參數(shù)，則材料由這些輸入的參數(shù)決定。如果同時(shí)輸入了混凝土強(qiáng)度等級(jí)和其它材料參數(shù)，輸入的材料參數(shù)將覆蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)。例如：輸入混凝土強(qiáng)度等級(jí)為40、彈性模量為千牛/平方米，其它參數(shù)均為零，則這種材料的彈性模量為千牛/平立米（40號(hào)混凝土對(duì)應(yīng)的彈性模量為千牛/平方米），剪切模量為千牛/平方米（查詢值），密度為噸/立方米（查詢值），比重為千牛/立方米（查詢值），熱膨脹系數(shù)為5（查詢值）。荷載工況（荷載種類）及組合這里所說的工況實(shí)際上就是荷載種類，在輸入過程中一般不限制哪些荷載放置在哪個(gè)工況下，但

16、應(yīng)盡量把組合系數(shù)相同的荷載放在同一工況下。程序目前對(duì)一些特殊的荷載所在的工況有一些特殊的約定：梁柱、板殼、墻、三維元單元的材料屬性中如果輸入了單位體積的自重（包括輸入了混凝土標(biāo)號(hào)或者鋼截面與材料），前處理系統(tǒng)將把這部分自重強(qiáng)制放置在工況1下，除非取消了“”對(duì)話框中的“考慮材料引起的自重”一項(xiàng)；其它的荷載所放的工況沒有任何特殊要求。SAP84中的荷載工況系數(shù)與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中的分項(xiàng)（組合）系數(shù)有一定的區(qū)別，某荷載組合作用下產(chǎn)生的內(nèi)力指的是如下的荷載組合：工況1的荷載X工況1的荷載系數(shù)十工況2的荷載X工況2的荷載系數(shù)十工況3的荷載X工況3的荷載系數(shù)+工況n的荷載X工況n的荷載系數(shù)。荷載組合對(duì)話框

17、如圖所示。各工況的荷載值并不規(guī)定是設(shè)計(jì)值還是標(biāo)準(zhǔn)值，完全由您所輸入的荷載值決定。這里所謂的荷載工況系數(shù)是綜合了規(guī)范中的組合系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)之后的綜合系數(shù)。圖SAP84在進(jìn)行分析時(shí)，位移組合和荷載組合可以不相同。位移組合系數(shù)輸入方法與完全相同。SAP84的荷載組合可理解為承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的荷載組合，位移組合可理解為正常使用極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的荷載組合。彈簧剛度接地彈簧剛度與圍巖基床系數(shù)和彈簧所覆圍巖面積有關(guān)，計(jì)算公式為k接地彈簧剛度m圍巖基床系數(shù)A彈簧所覆圍巖面積A1、A2與彈簧相連單元的面積l1、l2與彈簧相連單元的長度梁柱彎矩放松PlanIn生成的梁柱單元在缺省情況下兩端采用剛接，如果用戶想把構(gòu)

18、件的一端或兩端作為較接處理，可以通過彎矩放松功能實(shí)現(xiàn)。梁端放松對(duì)話框如圖所示。100表示完全放松，0表示剛接，彎矩放松的項(xiàng)可以是0100中的任何一個(gè)數(shù)據(jù)（平剛接，介于完全剛接和完全校接之間）。圖4常用參數(shù)表地基土的基床系數(shù)圖基床系數(shù)m的經(jīng)驗(yàn)值（MPa/m巖土類別狀態(tài)m值軟土、淤泥質(zhì)土、有機(jī)土18粘性土軟塑815可塑1535硬塑3570堅(jiān)塑7090砂土松散510稍密1015中密1525密實(shí)2540圓礫、角礫中密2540密實(shí)4095黃土、黃土質(zhì)土3050注：本表系垂直基床系數(shù)，摘自地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范基床系數(shù)應(yīng)依據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告進(jìn)行取值。國內(nèi)外通過大量荷載板試驗(yàn)已積累了許多垂直基床系數(shù)mv的經(jīng)驗(yàn)參考值，而水平基床系數(shù)mx與垂直基床系數(shù)mv的關(guān)系，今后還需進(jìn)一步研究。5計(jì)算單內(nèi)容(1)工程概況工程名稱、設(shè)計(jì)階段等工程的基本情況。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用的材料、截面、結(jié)構(gòu)斷面圖。(2)地質(zhì)條件包括地層的物理力學(xué)參數(shù)和地下水情況。(3)結(jié)構(gòu)模型基本假定結(jié)構(gòu)模型圖，約束條件。彈簧剛度列表(4)荷載計(jì)算荷載計(jì)算荷載組合荷載圖(5)計(jì)算結(jié)果結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖：基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合等各荷載組合的彎矩圖、軸力