SAP84在地铁工程设计中应用示例

1、地下结构专业工作手册?系列之有限元分析软件sap84使用手册城交分院地下结构所二零零五年五月目录 SAP84 建立计算模型 1 软件介绍软件概述SAP84 是以有限元法为根底的结构分析软件， 由北京大学力学系袁明武教授 主持开发。 自 1982 年开发以来至今已有近二十多年的历史，目前 SAP84 版本已 经推出。为了考证有限元 程序的正确性， SAP84 对美国 CSI 公司产品 SAP2000 的大局部算例都进行了计算和比照。 SAP84 软件是一个高度模块化的系统， 它包 括以下模块：a 平面模型图形输入系统 Planln 。 Planln 能够处理平面框架、桁架、钢架、平面应力和平面应

2、变问题，用荷载结构模型进行地下结构分析一般采用此模块。b 结构设计图形后处理软件 GPOST 。c 与现行标准配套的混凝土配筋模块 RElN 和钢结构校核模块 SS88 2004 年。d 功能强大的图形交互系统 GlS 。 GlS 能够处理空间框架、桁架、网架、钢 架、壳体和地 下结构问题，对于空间效应明显的地下结构一般采用此模块分析。e 桩基承载力分析模块 GPlLE 。f 独特的施工模拟分析模块 XCONSTR 。g 二维有限元网格自动生成及建模程序 AutoMESH 2D 其功能同时集成在 GlS 中h 三维实体单元网格自动生成及建模程序 AutoMESH 3D 。i 高层建筑专用前处理

3、程序 SAGS 和后处理程序 SAGSOUT 。SAP84 各模块之间的关系如下图。图 模块关系图软件安装用户在购置 SAP84 后即得到：一张软盘含同加密狗配套的授权文件； - 张光盘含安 装文件 ； 一个加密插头。用户可以启动光盘上的进行安装，然后按照SETUP 的提示进行。如果安装的是正式版， 安装过程中需要把授权文件文件拷入 SAP84 安装目录。 如果用户 系统为 Windows NT 或 Windows 2000 , 并且是第一次安装 SAP84 , 安装程序会 要求安装并口驱动程序。安装完 成之后请将加密插头插到并行口 LPT1 上，然后 就可以通过 SAP84 程序组启动 SA

4、P84 集成环 境系统 SAPGUIDE 。获得帮助在学习或者应用软件过程中，如果遇到困难可以通过几种途径来解决：a 软件配有一套纸质说明书，以供阅读；b 在软件启动后，按 F1 键出现在线帮助；c “开始程序 SAP84 可找到帮助系统文件夹和演示程序。2 工程算例Planln 是地下结构专业最常用的模块，这里主要介绍 Planln 的使用方法。如果 欲掌握建立空 间模型的根本方法，可学习 GIS 帮助中建立半球壳的例子。问题描述某地铁车站结构横断面如下图，构件所用材料为 C30 钢筋混凝土。地基 土水平、竖直 基床系数为 40MPa/m 结构所受永久荷载如下图，所受可变荷 载如下图。图结构

5、横断面图图永久荷载图图可变荷载图计算步骤根据条件，建立模型，计算该结构的内力和位移。计算步骤如下 :(1) 启动软件，选取单位制，进行选项设置点击桌面图标启动SAP84,进入后点击Flanln，点击“文件“新建“保存，文件名只可以英文字母命名。点击“参数 “选取单位制，选择“ kN、m，点击确定。点击“参数“选项设置，确认选择了“考虑材料引起的自重 一项。2生成节点和单元，建立几何模型。点击“几何“绝对坐标生成节点，在界面底部输入表中节点坐标，生成6个节点。点击“显示 “显示选项，选中“节点号一项，屏幕显示出节点编号，如下图。表节点坐标值节点号yz123456图点击“几何 “梁柱生成，在“常用

6、工具与按钮中选择“直线生成，用 鼠标连续选择节点 1和节点2，在屏幕出现的对话框中输入要生成的单元数目，生成车站结构的底板。如此方法生成侧墙、顶板和中板， 完整的车站结构如图所示。图3设置构件材料和截面。点击“参数 “管理材料库“添加材料，输入“C30 ， “混凝土强度等级中显示“ 30 ，其余参数不需输入，软件将自动赋值。点击“参数 “管理普通截面库 “添加截面，输入“底板，在“截面参数中输入截面高和截面宽的数值，屏幕如下图。如此方法生成顶板截面高和截面宽、中板截面高和截面宽和侧墙截面高和截面宽的截面尺 寸。图点击“属性“梁柱材料， 选择所有的梁柱单元，选中的单元会改变颜色。 单击鼠标右键，

7、 选择“应用选择对象，所有单元被赋予了材料属性。点击“属性 “梁柱截面，确认截面参数显示为“底板，选中所有底板单元。单击鼠标右键，选择“应用选择对象，所有底板单元被赋予了截面属性。如此方法将截面属性分别赋予给顶板、中板和侧墙单元。此时屏幕如下图。4施加结构荷载，建立荷载工况，设置荷载组合。点击“荷载“梁柱荷载“改变荷载参数，选中“以插值的方式确定梁柱 荷载。输入插值点 1-66和插值点 2-66的“荷 载线密度值 ，点击“退 出然后捕捉 2 个插值点，选择节点 5 和节点 4，再选择顶板梁柱单 元。单击鼠 标右键，选择“应用选择对象 ，选中单元被施加了相应荷载。如此方法施加中 板 荷载 -8。

8、点击“改变荷载参数，选中“以插值的方式确定梁柱荷载 。选择“荷载作 用方向为 整体坐标 Y 方向，输入插值点 1和插值点 2的“荷载线密度 值，点击“退出然后捕 捉 2 个插值点，选择节点 5 和节点 1，再选择左侧侧墙 梁柱单元。单击鼠标右键，选择“应 用选择对象 ，选中单元被施加了相应荷载。 如此方法施加右侧侧墙荷载， 。此时屏幕如 图所示。图点击“常用工具与按钮 ，“工况 1，输入“ 2，进入工况 2，施加结构承受 的活荷 载。方法如上所述， 顶板施加荷载 -20 ， -20 ，左侧侧墙施加荷载 ， ，右侧侧墙施加 荷载， 。此时屏幕如下图。图点击“荷载，“荷载组合，“添加，“+，“工况

9、号中输入“ 1，“荷载系数中输入“。“ +，“工况号中输入“ 2，“荷载系数中输入“，点击“确 定。“添 加，“ +，“工况号中输入“ 1，“荷载系数中输入“ 。“ +，“工 况号中输 入“ 2，“荷载系数中输入“ ，点击“确定。点击“确定。点击“荷载，“位移组合，“添加，“+，“工况号中输入“ 1，“荷载系数中输入“。“ +，“工况号中输入“2，“荷载系数中输入“，点击“确 定。点击“确定。 5施加结构约束条件。点击“节点，“接地弹簧刚度，在“Dz 中输入“ -1 ，在“弹簧刚度中输入“ 37000，选择“只能受压 ，用鼠标选择节点 1 和节点 2，点击右键，选 择“应用选择 对象，节点 1

10、 和节点 2 处显示设置了受压弹簧。如此方法设置表 所列节点处的弹簧，结果如 图所示。表弹簧刚度值节点号Kz节点号节点号Ky1370005424000774000271948000874000281848000974000291748000107400063580001174000301668000127400031156800013740003214680002370001234000图(6) 检查数据和删除无用数据。点击“文件，“数据检查，软件警告“结构在UY UZ方向的自由度没有约 束，由于设置了弹簧，结构是静定的，点击“确定，忽略软件警告。点击“文件，“删除无用数据， 软件显示“完成无

11、用信息的删除。(7) 计算和结果查看。点击“其他模块，“计算与分析,出现“ SAP84分析选项对话框,选择“确 定，软 件开始计算。计算完毕后，点击“其他模块，“后处理 SAPOUT，进 入SAP84后处理模 块。将“当前公共参数中的荷载组合选择为“1 ，点击“内 力与应力，“一维单元的内力图选择“ 1-2平面内的弯矩，点击“确定，屏幕显示结构在荷载组合 1作用下的1-2平面内的弯矩图，如下图。如此方法，能够得到荷载组合 1作用下结构的轴力图和剪力图和荷载组合2作用下的结构内 力图。得到结构内力图即可对结构截面进行验算和配筋。图将“当前公共参数中的位移组合选择为“1 ，点击“位移，“节点位移的

12、 数值显示:选择“当前位移组合的位移，和“Z方向平动位移，点击“确定，屏幕显示结构在位移组合1作用下的竖直方向的位移图，如下图。如此方法，能够得到荷载组合 1作用下结构在其他方向的位移。3考前须知建立计算模型计算模型应该能够正确、准确地反映主要构件的主计算模型是对实际结构的抽象和简化，要特征。SAP84提供了很多单元类型用于模拟不同的构件，单元类型的选择主要取决于构件的受方向要大得多的构件可以力特点。 一般说来， 承受轴力和弯矩并且一个方向的尺度比另外两个 用梁柱单元来模拟， 而一个方向的尺度比另外两个方向 要小得多的构件可以用板壳单元或墙单元 来模拟。 如果板壳主要承受面内的轴 力，面外弯矩

13、可以忽略的话可以采用板壳单元中的膜模式， 如 果板壳主要承受面 外弯矩，面内的轴力可以忽略的话那么可以采用板壳单元中的板模式， 其它情况 那么 可以用壳模式来模拟。如果三个方向的尺度相近， 那么需要用三维实体单元来模拟。同样一根梁单元， 如果把它放在整个结构中考虑， 可以用梁柱单元模拟， 但 是有时候如 果需要单独考虑这根梁单元的详细受力状况， 这时可以用三维实体单 元来模拟， 然后把整体计 算中的内力结果施加到三维实体单元上。 有时如果需要 考虑构件衔接部位的受力状况，可以先进 行整体计算忽略衔接处的影响 ，然 后采用三维实体元计算该衔接部位，同时把整体计算中的 内力结果加上。选取单位制GI

14、S 和 Planln 不限制使用何种单位制，用户可以根据习惯自己选择。目前， 软件提供应用 户的单位制选项见图。根据工程习惯，建议选用 kN 和 m 单位制。 需要注意的是：重量和质量 是两个不同的概念，二者有一定的换算关系。关于自重“选项设置 提供了一些常见选项的输入与控制， 局部选项对于计算结果非 常关键。如果 在填写各单元的材料参数时输入了材料的重度 包括由混凝土强度 等级得到的查询值，并且选 中了此选项， SAP84 分析程序将自动考虑由材料重 度产生的自重， 并且把它放在工况 1 下。但 是，如果没有选中此项， SAP84 在计 算时将不会考虑由材料重度产生的自重。缺省情况下该项 是

15、被选中的。关于材料参数在输入材料参数时，如果只输入混凝土强度等级， 而其它材料参数保持为零，SAP84分析程序将自动查询该混凝土强度等级对应的弹性模量E、剪切模量G、泊松比V、密度、重度以及热膨胀系数。材料数据对话框如下图。一般弹性模量、剪切模量和泊松比之间的转换公式为：G= E/2 1+v。如果没有输入混凝土强度等级， 而输入了其它材料参数， 那么材料由这些输入的参数决定。 如果同时输 入了混凝土强 度等级和其它材料参数， 输入的材料参数将覆盖混凝土强度等级对 应的参数。例如：输入混凝土 强度等级为 40、弹性模量为千牛 /平方米，其它参 数均为零，那么这种材料的弹性模量为千牛 /平 立米

16、40 号混凝土对应的弹性模量 为千牛 /平方米，剪切模量为千牛 /平方米查询值，密 度为吨 /立方米查询值， 比重为千牛 /立方米查询值，热膨胀系数为 5查询值。图荷载工况 荷载种类 及组合这里所说的工况实际上就是荷载种类， 在输入过程中一般不限制哪些荷载放 置在哪个工况下， 但应尽量把组合系数相同的荷载放在同一工况下。程序目前对 一些特殊的荷载所在的工况有一些特殊的约定：梁柱、板壳、墙、三维元单元的 材料属性中如果输入了单位体积的自重 包括输入 了混凝土标号或者钢截面与材 料，前处理系统将把这局部自重强制放置在工况 1 下，除非取消 了 “对话框中 的“考虑材料引起的自重 一项； 其它的荷载

17、所放的工况没有任何特殊要求。SAP84 中的荷载工况系数与建筑结构荷载标准中的分项 组合系数有一定 的区别，某 荷载组合作用下产生的内力指的是如下的荷载组合：工况1 的荷载 x工况 1 的荷载系数 +工况 2 的荷载 X 工况 2 的荷载系数 +工况 3 的荷载 X 工况 3 的荷载系数 + + 工况 n 的荷载 XX 况 n 的荷载系数。荷载组合对话框如图所 示。各工况的荷载值并不规定是设计 值还是标准值， 完全由您所输入的荷载值决 定。这里所谓的荷载工况系数是综合了标准中的组合 系数和分项系数之后的综合 系数。图SAP84 在进行分析时，位移组合和荷载组合可以不相同。位移组合系数输入方法与

18、完全相同。 SAP84 的荷载组合可理解为承载能力极限状态对应的荷载组 合，位移组合可理解为正常使 用极限状态对应的荷载组合。弹簧刚度接地弹簧刚度与围岩基床系数和弹簧所覆围岩面积有关，计算公式为k接地弹簧刚度m 围岩基床系数A弹簧所覆围岩面积A、A2 与弹簧相连单元的面积li、I2 与弹簧相连单元的长度梁柱弯矩放松Planln生成的梁柱单元在缺省情况下两端采用刚接，如果用户想把构件的一端或两端作为铰接处理，可以通过弯矩放松功能实现。梁端放松对话框如下图。100表示完全放松，0表示刚接，弯矩放松的项可以是 0 100中的任何一个数据半刚接，介于完全刚接和完全铰接之间。图4常用参数表地基土的基床系数图基床系数 m的经验值MPa/m岩土类别状态m值软土、淤泥质土、有机土18粘性土软塑815可塑1535硬塑3570坚塑7090砂土松散510稍密1015中密1525密实2540圆砾、角砾中密2540密实4095黄土、黄土质土3050注：本