結構概念與計算軟件的使用

結構概念與計算軟件的使用江蘇振發(fā)控股集團有限公司西北設計院——SAP2K支架設計培訓專題主講人：牛斌2014.11結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第1頁!§節(jié)結構概念的必要性1.1概述1.2物理問題的力學描述1.3剛接和鉸接1.4開口薄壁桿件的扭轉1.5桿的計算長度1.6有側移和無側移1.7二階效應1.8振型與周期……………結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第2頁!1.1概述1.1.1計算理論的局限專注于從內力到應力的高精度求解的數值分析過程，既因計算成本巨大而在實踐中不可實現，又對系統(tǒng)整體缺乏足夠的關心，無法計算結構體系的真實可靠度。要理順根本性的東西，如邊界條件和載荷等效的理想化、半剛性節(jié)點的非線性、迭加原理的適用范圍、概率論分析的不確定等，避免盲目使用有限元工具。1.1.2合理受力的原則借助概念歸納正確的計算簡圖，是校核構件強度及穩(wěn)定性的前提。1.1.3優(yōu)化選型的基礎掌握軸向應力與彎曲應力、均勻受力與集中受力、開口截面與閉口截面、多跨連續(xù)與單跨簡支、空間作用與平面作用、剛架結構與框架結構、超靜定結構與靜定結構、彎曲型變形與剪切型變形、剛性連接與鉸性連接、傳力簡捷與傳力曲折等概念在材料性能、承載能力、破壞機制、空間剛度分布以及經濟性能上的相對特點，是優(yōu)化工程問題和確定結構方案的基礎。1.1.4工程的協(xié)作與控制

結構概念的總體方案設計，益于完善工作流程和協(xié)同設計施工各方面的關系。結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第3頁!1.2物理問題的力學描述1.2.2力學問題的簡化圖4反對稱性圖3對稱性如圖4左所示結構對稱，但載荷反對稱，這時可利用反對稱條件取其1/4進行有限元計算。即在x軸面上有u=0，而在y軸面上有v=0，因此在對稱面上位移的對稱分量為零，結果如圖4右所示。b.軸對稱問題環(huán)向位移為0,可以取出任意平截面采用軸對稱單元離散。a.對稱與反對稱性的利用

所謂對稱性包括載荷、結構和約束均對稱。如圖3左所示受拉方板，可取1/4進行計算。由于結構對稱、受力對稱，所以沿x軸只有水平位移而無豎直位移；沿y軸只有豎直位移而無水平位移，故加上如圖3右所示約束，且載荷也應取一半。結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第4頁!1.3剛接和鉸接1.3.1工程中設置剛接與鉸接的實質在于調整桿端的轉動剛度S，促成結構體系的內力重分配1.3.2定量分析節(jié)點的實際剛度比較困難，作保守化處理。1.3.3桿端抵抗轉動的能力與兩個因素即桿件的線剛度i=EI/l

和遠端支承情況有關1.3.4設計時將空間節(jié)點的部分轉動自由度完全釋放，從而保證構件內力的偏安全解，例如為了避免主梁受扭，將次梁端部做成鉸接；又如優(yōu)化簡支梁與固接梁的控制彎矩等MBCl1l2BACE1I1E2I2MBA圖6次梁剛接的力矩分配1SAB=4iSAB=i11SAB=3iSAB=0圖7桿的轉動剛度S結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第5頁!1.4開口薄壁桿件的扭轉1.4.1開口薄壁桿件剪切中心S1.4.2自由扭轉和約束扭轉SOSOSOSOSO圖10常用開口構件的剪心位置約束扭轉:軸線方向作用分布不均勻的扭矩，或支承處約束限制了自由翹曲自由扭轉:桿件各截面承受的扭矩均相等，且支承條件不限制端面的翹曲圖11槽鋼的彎曲和扭轉使開口薄壁桿件產生扭轉的載荷(1)外加扭轉力偶；(2)作用線不通過截面剪切中心的橫向集中力或分布力。向形心簡化的結果為：一個力與一個力偶；(3)作用線不通過截面上主扇性面積零點的縱向力；(4)作用面不通過扇性面積零點的外力彎曲力偶。這種力偶可認為由大小相等、方向相反的兩個縱向力組成。結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第6頁!1.4開口薄壁桿件的扭轉1.4.4單跨薄壁梁受約束扭轉時的內力圖13a簡支梁圖14a懸臂梁承受純彎曲時的雙軸對稱槽形截面梁：式中為梁的側向計算長度，為梁的側向無支長度（或稱受壓翼緣的自由長度）1.4.5簡支梁發(fā)生彈性彎扭屈曲的臨界彎矩圖13b簡支梁圖14b固接梁結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第7頁!1.5桿的計算長度1.5.1幾何意義構件彎曲屈曲兩反彎點之間的距離。支承條件兩端鉸接兩端固定上端鉸接下端固定上端平移但不轉動下端固定上端自由下端固定上端平移但不轉動下端鉸接變形曲線l0=μl實例應用理論μ值1.00.50.71.02.02.0設計μ值1.00.650.81.22.12.0結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第8頁!1.6有側移和無側移1.6.1有側移失穩(wěn)和無側移失穩(wěn)發(fā)生對稱性失穩(wěn)時，變形大致呈左右對稱形狀，剛架節(jié)點無側移但有轉角，通常稱之為無側移失穩(wěn)；發(fā)生非對稱性失穩(wěn)時，變形大致呈左右反對稱形式，剛架同層節(jié)點向同一個方向發(fā)生相等側移并有轉角，這種失穩(wěn)形式稱為有側移失穩(wěn)。圖15剛架的失穩(wěn)形式1.6.2有側移框架和無側移框架有側移框架和無側移框架的區(qū)分，不涉及到框架的穩(wěn)定性計算，只是通過了解建筑物各子結構在承受水平力上的相對比例，對框架進行一個分類。1.6.3強支撐框架和弱支撐框架強支撐框架和弱支撐框架的區(qū)分，用于判斷雙重抗側力結構中框架部分的失穩(wěn)模式。根據框架結構是發(fā)生有側移失穩(wěn)還是無側移失穩(wěn)，或者介于兩者之間，選擇和計算對應的框架柱的計算長度及承載力。結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第9頁!1.8振型與周期1.8.1什么是振型？結構構件振動的外型曲線。結構的振型與其自由度數量一致。簡單來說，低振型的貢獻大，高振型貢獻小。低振型的周期長，即對于同樣質量的情況而言，周期長就相當于剛度小，剛度小自然最容易發(fā)生變形。1.8.2振型組合規(guī)則

SRSS：平方和開平方法。適用于振型相關性較小的稀疏振型

CQC：完全二次式方法。適用于考慮扭轉耦聯(lián)，振型相關性較大的密集振型1.8.3周期的概念

自振周期：結構按某一振型完成一次自由振動所需的時間。

基本周期：結構按基本振型（振型）完成一次自由振動所需的時間。

設計特征周期：反映了設計地震分組（地震震級、震中距）和場地類別等因素。在抗震設計所用的地震影響系數曲線中，下降段起始點對應的周期值。

場地卓越周期：場地也可以看作一種結構，因此場地也有一系列自振周期，其中基本周期被稱作卓越周期。1.8.4振型與周期的作用可以考察結構剛度及其分布結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第10頁!2.1概述2.1.1SAP2K設計流程模型初始化（設置單位制）設置軸網設置軸網定義材料定義框架截面定義面截面定義實體截面定義質量源繪制模型施加支座約束定義靜力荷載工況定義動力、非線性工況生成默認設計荷載組合對構件特殊屬性指定及施加附加靜力荷載運行結構分析分析結果輸出設計設置首選項運行結構設計交互式結構構件設計數據圖形、表格打印輸出圖例：建立模型模型分析模型設計結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第11頁!2.1概述結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第12頁!2.2

SAP2000單元介紹2.2.4體單元主要用于細部分析。2.2.5點單元也稱連接單元，可在兩節(jié)點之間繪制，也可在一個節(jié)點位置繪制，單節(jié)點連接單元默認為一個節(jié)點接地。結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第13頁!2.3一些重要的功能2.3.2節(jié)點樣式

(1)可以描述荷載的分布變化，也可以定義變厚度的面對象。

(2)通過節(jié)點樣式定義空間分布變化的荷載時，如壓力、溫度等，需要將已定義的節(jié)點樣式指定給相應的節(jié)點，然后在指定荷載時，選擇荷載來自節(jié)點樣式。(3)節(jié)點樣式本身不會在結構上產生荷載。ZZ=0mP=10kN/m2Z=10mP=0kN/m2施加水壓力結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第14頁!2.3一些重要的功能2.3.5單拉(壓)構件對線對象指定拉/壓力限值，以模擬單拉/單壓單元。對單拉/單壓構件的處理屬于非線性分析，相應分析工況的類型需設定為非線性，才能模擬單拉/單壓效果。單拉單拉2.3.6合理的組組——用戶根據需要，對單元或節(jié)點進行人為的歸類組的作用：便于選擇定義階段施工，激活與移除對象方便的截面切割定義結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第15頁!2.4

SAP2000常見問題2.4.1從Autocad導入SAP2000注意的問題

（1）用直線近似曲線；

（2）要導入的對象不能位于0層；（3）導入時注意選擇合適的單位，初始單位與導入時的單位要統(tǒng)一；

（4）CAD通常的操作平面為x-y平面，導入CAD平面模型時，SAP中向上方向為z方向，導入CAD立面模型時，注意將向上的方向指定為y向；（5）由于是分層導入的，如果CAD圖紙中定位不準確，構件連接處未必重合，需要在SAP中執(zhí)行合并點的操作。2.4.2柱子的偏心在sap2000里如何輸入？

可以利用插入點命令來實現，assign>frame/cable/tendon>insertpoint

對于梁柱偏心，則設置梁端剛域比較合理(Endoffset)。2.4.3SAP2000設置的截面如何旋轉角度？

選擇構件，菜單－指定－框架/索/筋—局部坐標—90度。2.4.4如何選擇板單元類型？

“殼”具有平面內以及平面外剛度，一般用于定義墻單元?！澳ぁ眱H具有平面內剛度，一般用于定義樓板單元，起傳遞荷載的作用。“板”僅具有平面外剛度，僅存在平面外變形。一定程度上要根據工程情況對面截面類型作出選擇。結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第16頁!2.4

SAP2000常見問題2.4.9無支撐長度比(主)/無支撐長度比(次，LTB)此項主要是用于鋼梁設計。由于鋼梁強軸(majoraxis)受彎時，一側的翼板受壓，另一側受拉。受壓側的翼板可能發(fā)生LTB(Lateraltorsionalbuckling)，故有必要將其束制，降低鋼梁此類破壞。程序所提及的minorLTB指的就是計算鋼梁強度時的側向無支撐長度系數，計算側向無支撐長度時，是以桿件全長為基準，再乘以LTB系數）。

至于LTB系數的大小取值必須視鋼梁受壓側束制條件而定，一般鋼梁（次梁）若與RC樓板或Deck板由shearstud接合一起時，由于此類鋼梁一般是剪力接頭，故受壓側于上緣，因此shearstud的設置將可有效避免LTB，所以在程序中可設一個合理值，一般可以取0.1~0.2。但若是主梁，則必須視次梁配置的狀況而定，程序中主梁的LTB系數是其支撐的次梁最大間距與主梁全長的比值。2.4.10彎矩系數（beta_m主）、彎矩系數（beta_m次）見《鋼規(guī)》2.4.11彎矩系數（beta_t主）、彎矩系數（beta_t次）見《鋼規(guī)》

結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第17頁!1.2物理問題的力學描述1.2.1對于所計算的對象，先應分析清楚，給以歸類：

a、平面問題

b、空間問題（包括軸對稱問題）

c、板殼問題

d、桿梁問題……轉化條件構件的形狀荷載性質空間問題平面問題轉化

平面應力問題平面應變問題xyo(1)厚度遠小于其它兩個方向的尺寸(2)板面不受力zoyt圖1平面應力問題構件的形狀：（1）足夠長柱體，兩端光滑剛性約束（2）無限長柱體，兩端自由荷載的性質：（1）平行于橫截面（2）沿長度方向不變圖2平面應變問題yzx結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第18頁!1.7物理問題的力學描述c.等效簡化d.抽象簡化

實際工程的結構都是具有尺寸和體積的，而計算模型的有些單元，如：桿/梁/板殼等是不具有體積的，因此，建模時，存在如何從實體幾何模型中抽象出有限元模型的問題。常稱為中線/中面的提取。e.小特征刪除結構中常有的小孔、倒角、凸臺、凹槽等這類細小的結構，如不省略，反而會導致網格劃分困難，節(jié)點單元增加。圖5支座類型活動鉸支:固定鉸支:固定支座:vu

彈性支座:主體結構是會引起整體失效的結構,所以支座是很重要的主體結構結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第19頁!1.3剛接和鉸接1.3.5判定一個鉸接連接究竟保留了多少彎矩，就要根據基于桿件線剛度以及遠端支承情況所確定的桿端轉動能力和節(jié)點自身的轉動剛度，這兩者的相對比例進行二次分配。因此不能認為鉸處理后，就不采取抗扭構造措施。1.3.6對剛接和鉸接基本概念的運用如果不恰當，則容易使構件發(fā)生扭曲，或使體系產生機構。圖9

半剛性節(jié)點的非線性M15圖8分配系數與傳遞系數1M11125431MM14M13M121結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第20頁!1.4開口薄壁桿件的扭轉1.4.3雙力矩雙力矩是約束扭轉引起的自相平衡力系,在數值上等于自相平衡的力偶之力偶矩與其作用面之間距離的乘積。雙力矩是與翹曲正應力相對應的廣義內力分量。圖12扇性面積和雙力矩A為單側翼緣的面積上、下翼緣的主扇性面積為組成雙力矩的力偶之力偶矩結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第21頁!1.4開口薄壁桿件的扭轉續(xù)1.4.4符號說明及扇性幾何特性ω圖Sω圖結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第22頁!1.5桿的計算長度1.5.2物理意義是將具有端部約束條件的桿件擬換算為承載力相同而長度不同的兩端鉸支桿1.5.3框架柱穩(wěn)定計算方法方法1：一階分析求內力→柱當作單獨壓彎構件（考慮桿件約束→計算長度）計算穩(wěn)定，即計算長度法；方法2：考慮變形影響的二階分析，采用幾何長度；方法3：考慮P－△（軸力附加彎矩）近似求解內力，采用幾何長度。1.5.4計算長度法的缺點①無法精確考慮二階效應的影響；②不能考慮結構體系中內力的塑性重分布，因此對大型或復雜結構體系常常給出保守的設計；③不能精確地考慮結構體系與它的構件之間的相互影響，無法在給定荷載下預測結構體系的破壞模式。屈曲荷載轉化為歐拉荷載的通式：結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第23頁!1.7二階效應1.7.1構件的二階效應軸線壓力會在構件內部產生附加的彎矩，導致壓彎構件的抗彎剛度減弱，此效應稱為P—δ效應，也稱為構件的二階效應。圖16考慮P影響的構件彎矩

圖17

P—△效應圖16

P—δ效應1.7.2框架的二階效應圖17（a）的框架僅承受水平荷載H時，柱頂有位移△。此時若在兩柱頂施加豎載P，則力矩P△使框架兩柱腳各增加水平力P△／h，即相當于在柱頂作用有水平力2P△／h，如圖17（b）所示。此水平力進一步產生附加水平位移，故總位移應為△’>△。此效應稱為P—△效應，也稱為框架的二階效應。

結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第24頁!§第二節(jié)

SAP2000使用簡介2.1概述2.2SAP2000單元類型2.3一些重要的功能2.4

SAP2000常見問題2.5案例演示和互動結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第25頁!2.1概述繪制模型選擇軸網選擇坐標系建立軸網定義材料定義框架模型繪制結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第26頁!2.2

SAP2000單元介紹2.2.1SAP2000中單元與單元之間的關系如果實際結構變形連續(xù)，但兩相鄰單元并非以節(jié)點相連，而以邊相連或部分相連，不需定義耦合，只需指定自動邊束縛即可。2.2.2線單元（框架單元）

(1)主要包括框架單元、索單元和預應力/束單元。在結構中用來模擬梁、柱、支撐、桁架、和索；(2)框架單元使用一般的三維梁－柱公式，包括雙軸彎曲、扭轉、軸向變形、雙軸剪切變形等效應。梁柱節(jié)點連接處剛域，可對相關單元端部偏移實現。(3)根據模擬對象不同，可對截面特性進行修正，如索不能抗彎，則截面抗彎剛度需調整為零?？紤]樓板作用的梁，其截面特性也需修改等等。自動束縛功能結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第27頁!2.3一些重要的功能2.3.1約束與束縛約束restraint：約束節(jié)點的自由度，可約束六個自由度中的任意一個或多個。常用于模擬各種支座。束縛constraint：限制結構中某些節(jié)點之間的相對自由度，減少系統(tǒng)中需要求解的方程數量，提高計算效率。常用于模型的合理簡化。常用束縛類型：

剛體束縛Body：所有自由度按照一個三維剛體一起運行。

隔板束縛Diaphragm：用來實現結構平面內無限剛性的假定。

板束縛Plate：使所有被限制的節(jié)點作為相對于彎曲變形剛度與剛性的平板一起移動。用于實體類型單元(平面)與結構類型單元（框架和殼）相連，以及實現梁彎曲建模時的板截面保持“平截面”性質的假定。

桿束縛Rod：使所有被限制的節(jié)點作為剛性的(相對于軸向變形)桿一起移動。用于令框架單元無軸向變形的在同一直線上的一組點。

梁束縛Beam：使所有被限制的節(jié)點作為一個剛性的(相對于彎曲變形)直梁一起移動。所有受限節(jié)點被剛性連接，但所有軸向的平動和扭轉將不受影響。用于防止框架單元中的彎剪變形等。其他如拼接束縛Weld、對等束縛Equal、局部束縛Local等略。結構概念與計算軟件的使用共32頁，您現在瀏覽的是第28頁!2.3一些重要的功能2.3.3模態(tài)分析

(1)模態(tài)分析是動力分析的基礎。

(2)模態(tài)分析方法——特征向量法、Ritz向量法。后者考慮了動力荷載的空間分布，可以得到更精確的結果。結構振型比較分散，或者前幾階振型為局部振動。如果采用特征向量法，通常需要相當巨大的振型數量來保證足夠多的質量參與系數。此時推薦采用Ritz向量法，提高運算效率。(3)可以通過模態(tài)分析來檢查結構的剛度及質量分布情況。2.3.4非線性分析(1)P-Δ（大應力）效應：當結構中有較大應力（或力和彎矩），即使在變形很小時，以初始的和變形后的幾何寫成的平衡方程的差別可能很大；(2)大變形效應：當結構經歷大變形（特別是大位移或轉動）時