结构分析有限元软件sap2000的开发与应用

结构分析有限元软件sap2000的开发与应用

节点的变形求解有限元法是计算机模拟技术。最初的想法是将一个大的结构划分为一个称为单元的小区域。假设每个区域的结构变形和应力都简单，因此小区域的变形和电压可以通过计算机进行求解，并获得整个结构的变形和电压。有限元法中相邻的小区域通过边界上的节点联接起来,可以用一个简单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力,求解过程只需要计算出节点处的应力或者变形,非节点处的应力或者变形是通过函数插值获得的,换言之,有限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。SAP2000作为美国CSI公司开发研制的一个卓越的以有限元为基础的结构分析和设计软件,凭借其直观简洁的用户界面、高效精确的分析引擎和全面完善的结果处理,已经成为结构工程中不可或缺的结构分析有限元软件。它具有极强的功能,如建模功能(二维模型、三维模型等)、编辑功能(增加模型、增减单元、复制删除等)、分析功能(时程分析、动力反应分析、push-over分析等)、荷载功能(节点荷载、杆件荷载、板荷载、温度荷载等)、自定义功能以及设计功能等。这些功能均是在同一个可视化界面中实现的,用户界面非常友好。它可以模拟大量的结构形式,包括房屋建筑、桥梁、水坝、地下结构等。1最大长度为84某教学楼为10层钢筋混凝土框架结构体系,建筑面积约10000m2。建筑物平面呈一字形,宽度为15.9m,长度为66m。房间开间6m,进深6.6m,走廊宽度2.7m,除第1层层高4.55m以外,其余各层层高均为3.6m,所有楼板和屋面皆为100mm厚的现浇混凝土板,混凝土设计强度等级均取C40,屋面活载取0.5kN/m2,楼面活载取2.5kN/m2,抗震设防烈度为8度,取其中一榀框架进行计算。2模型的构建2.1单位建模之前首先选定单位制。SAP2000默认的单位是kip,in,F,本例设置单位为kN,m,C。2.2市场内向轴与垂直轴之间的垂直关系SAP2000坐标系为右手坐标系。整体坐标记为x,y,z3个方向轴是相互垂直的并且满足右手准则。SAP2000总是假设z轴是垂直轴,自重总是沿-z方向作用。在新模型中选择二维框架,指定框架左下角为原点,根据给定的轴网尺寸输入x轴、y轴和z轴线数据。2.3个人材料特性SAP2000提供多种土建常用材料的属性,例如混凝土材料、钢材、铝等,也可根据用户的需要自定义相应的材料特性。本框架采用的混凝土强度等级为C40,弹性模量EC=32500000kN/m2,泊松比为0.2,混凝土抗压强度fc=40000kN/m2,重量密度为23.56kN/m2。2.4规则截面形式SAP2000提供多种截面形式,如框架截面、索截面、面截面等。在框架截面中,不仅有各类标准化的钢结构构件,也提供各种规则截面形式包括圆形、矩形、圆环等,还可以根据用户的需要自定义截面特性,直接给出截面面积、惯性矩、抗扭惯矩等常数。本例1层至4层边柱截面为边长0.5m的正方形,其余柱的截面为边长0.65m的正方形;长跨梁采用宽0.35m、高0.7m的矩形截面,短跨梁采用宽0.35m、高0.6m的矩形截面。2.5基于朝式轴网的几何模型建模在建模的具体手段上,SAP2000提供多种方式供设计者选择。第1种可以选用最直观的图形用户界面操作;第2种SAP2000与AutoCAD也有较好的接口,可通过CAD的.dxf文件直接导入生成SAP几何模型,再对其进行赋予单元属性的工作;第3种利用常用的Office办公软件之一Excel电子表格进行建模。本例框架结构形式比较规则,所以采用第1种建模方式,根据已选定的轴网和相应的截面属性绘制框架。将框架的下端全部设置为固定端约束。3加载负荷3.1p2p00荷载模式本例定义了恒载(DEAD)、活载(LIVE)和地震作用(QUAKE)3种模式。中国规范中的底部剪力法在SAP2000中就是通过QUAKE(地震荷载)类型的荷载模式来实现的。点击定义>荷载模式命令,在弹出的定义荷载模式对话框中,选择荷载工况类型为QUAKE、自重乘数为0,选择中国规范Chinese2002。点击添加新荷载按钮,自动将地震荷载添加到荷载模式列表中。设置好参数后,SAP2000会自动施加在结构上,而无需人为指定。3.2加载负荷将整个结构传给该榀框架的恒载和活载分别施加到相应的构件和节点上。4运行结构分析和绩效分析结果图1为恒载、活载、地震作用下的弯矩图。5混凝土结构设计5.1组合2,2恒载+1.4活载选择程序自动生成基于规范的设计荷载组合,会生成7种组合:(1)组合1:1.35恒载+0.98活载;(2)组合2:1.2恒载+1.4活载;(3)组合3:1.0恒载+1.4活载;(4)组合4:1.2恒载+0.6活载+1.3地震作用;(5)组合5:1.2恒载+0.6活载-1.3地震作用;(6)组合6:1.0恒载+0.5活载+1.3地震作用;(7)组合7:1.0恒载+0.5活载-1.3地震作用。5.2结构设计和输出设计结果以显示组合4、组合5作用下的变形图和底层中柱的输出结果为例,见图2和表1。6两组的比将采用SAP2000分析的结