SAP84在地鐵工程設(shè)計中應(yīng)用示例

1、地下結(jié)構(gòu)專業(yè)工作手冊?系列之有限元分析軟件sap84使用手冊城交分院地下結(jié)構(gòu)所二零零五年五月目錄 SAP84 建立計算模型 1 軟件介紹軟件概述SAP84 是以有限元法為根底的結(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， SAP84 對美國 CSI 公司產(chǎn)品 SAP2000 的大局部算例都進(jìn)行了計算和比照。 SAP84 軟件是一個高度模塊化的系統(tǒng)， 它包 括以下模塊：a 平面模型圖形輸入系統(tǒng) Planln 。 Planln 能夠處理平面框架、桁架、鋼架、平面應(yīng)力和平面應(yīng)

2、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)計圖形后處理軟件 GPOST 。c 與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)配套的混凝土配筋模塊 RElN 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) GlS 。 GlS 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 GPlLE 。f 獨(dú)特的施工模擬分析模塊 XCONSTR 。g 二維有限元網(wǎng)格自動生成及建模程序 AutoMESH 2D 其功能同時集成在 GlS 中h 三維實(shí)體單元網(wǎng)格自動生成及建模程序 AutoMESH 3D 。i 高層建筑專用前處理

3、程序 SAGS 和后處理程序 SAGSOUT 。SAP84 各模塊之間的關(guān)系如下圖。圖 模塊關(guān)系圖軟件安裝用戶在購置 SAP84 后即得到：一張軟盤含同加密狗配套的授權(quán)文件； - 張光盤含安 裝文件 ； 一個加密插頭。用戶可以啟動光盤上的進(jìn)行安裝，然后按照SETUP 的提示進(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 SAP84 安裝目錄。 如果用戶 系統(tǒng)為 Windows NT 或 Windows 2000 , 并且是第一次安裝 SAP84 , 安裝程序會 要求安裝并口驅(qū)動程序。安裝完 成之后請將加密插頭插到并行口 LPT1 上，然后 就可以通過 SAP84 程序組啟動 SA

4、P84 集成環(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 在軟件啟動后，按 F1 鍵出現(xiàn)在線幫助；c “開始程序 SAP84 可找到幫助系統(tǒng)文件夾和演示程序。2 工程算例Planln 是地下結(jié)構(gòu)專業(yè)最常用的模塊，這里主要介紹 Planln 的使用方法。如果 欲掌握建立空 間模型的根本方法，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)橫斷面如下圖，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)所受永久荷載如下圖，所受可變荷 載如下圖。圖結(jié)構(gòu)

5、橫斷面圖圖永久荷載圖圖可變荷載圖計算步驟根據(jù)條件，建立模型，計算該結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。計算步驟如下 :(1) 啟動軟件，選取單位制，進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置點(diǎn)擊桌面圖標(biāo)啟動SAP84,進(jìn)入后點(diǎn)擊Flanln，點(diǎn)擊“文件“新建“保存，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個節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)擊“顯示 “顯示選項(xiàng)，選中“節(jié)點(diǎn)號一項(xiàng)，屏幕顯示出節(jié)點(diǎn)編號，如下圖。表節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值節(jié)點(diǎn)號yz123456圖點(diǎn)擊“幾何 “梁柱生成，在“常用

6、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)度等級中顯示“ 30 ，其余參數(shù)不需輸入，軟件將自動賦值。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，屏幕如下圖。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，選中的單元會改變顏色。 單擊鼠標(biāo)右鍵，

7、 選擇“應(yīng)用選擇對象，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)用選擇對象，所有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。此時屏幕如下圖。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。

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?yàn)?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“退出然后捕 捉 2 個插值點(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， 。此時屏幕如下圖。圖點(diǎn)擊“荷載，“荷載組合，“添加，“+，“工況

9、號中輸入“ 1，“荷載系數(shù)中輸入“?！?+，“工況號中輸入“ 2，“荷載系數(shù)中輸入“，點(diǎn)擊“確 定?！疤?加，“ +，“工況號中輸入“ 1，“荷載系數(shù)中輸入“ 。“ +，“工 況號中輸 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，“+，“工況號中輸入“ 1，“荷載系數(shù)中輸入“?！?+，“工況號中輸入“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 對象，節(jié)點(diǎn) 1

10、 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Kz節(jié)點(diǎn)號節(jié)點(diǎn)號Ky1370005424000774000271948000874000281848000974000291748000107400063580001174000301668000127400031156800013740003214680002370001234000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UY UZ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

11、用信息的刪除。(7) 計算和結(jié)果查看。點(diǎn)擊“其他模塊，“計算與分析,出現(xiàn)“ SAP84分析選項(xiàng)對話框,選擇“確 定，軟 件開始計算。計算完畢后，點(diǎn)擊“其他模塊，“后處理 SAPOUT，進(jìn) 入SAP84后處理模 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，如下圖。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

12、 數(shù)值顯示:選擇“當(dāng)前位移組合的位移，和“Z方向平動位移，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，如下圖。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。3考前須知建立計算模型計算模型應(yīng)該能夠正確、準(zhǔn)確地反映主要構(gòu)件的主計算模型是對實(shí)際結(jié)構(gòu)的抽象和簡化，要特征。SAP84提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)件的受方向要大得多的構(gòu)件可以力特點(diǎn)。 一般說來， 承受軸力和彎矩并且一個方向的尺度比另外兩個 用梁柱單元來模擬， 而一個方向的尺度比另外兩個方向 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

13、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那么可以采用板殼單元中的板模式， 其它情況 那么 可以用殼模式來模擬。如果三個方向的尺度相近， 那么需要用三維實(shí)體單元來模擬。同樣一根梁單元， 如果把它放在整個結(jié)構(gòu)中考慮， 可以用梁柱單元模擬， 但 是有時候如 果需要單獨(dú)考慮這根梁單元的詳細(xì)受力狀況， 這時可以用三維實(shí)體單 元來模擬， 然后把整體計 算中的內(nèi)力結(jié)果施加到三維實(shí)體單元上。 有時如果需要 考慮構(gòu)件銜接部位的受力狀況，可以先進(jìn) 行整體計算忽略銜接處的影響 ，然 后采用三維實(shí)體元計算該銜接部位，同時把整體計算中的 內(nèi)力結(jié)果加上。選取單位制GI

14、S 和 Planln 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， 軟件提供應(yīng)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 是兩個不同的概念，二者有一定的換算關(guān)系。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， 局部選項(xiàng)對于計算結(jié)果非 常關(guān)鍵。如果 在填寫各單元的材料參數(shù)時輸入了材料的重度 包括由混凝土強(qiáng)度 等級得到的查詢值，并且選 中了此選項(xiàng)， SAP84 分析程序?qū)⒆詣涌紤]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)， SAP84 在計 算時將不會考慮由材料重度產(chǎn)生的自重。缺省情況下該項(xiàng) 是

15、被選中的。關(guān)于材料參數(shù)在輸入材料參數(shù)時，如果只輸入混凝土強(qiáng)度等級， 而其它材料參數(shù)保持為零，SAP84分析程序?qū)⒆詣硬樵冊摶炷翉?qiáng)度等級對應(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)對話框如下圖。一般彈性模量、剪切模量和泊松比之間的轉(zhuǎn)換公式為：G= E/2 1+v。如果沒有輸入混凝土強(qiáng)度等級， 而輸入了其它材料參數(shù)， 那么材料由這些輸入的參數(shù)決定。 如果同時輸 入了混凝土強(qiáng) 度等級和其它材料參數(shù)， 輸入的材料參數(shù)將覆蓋混凝土強(qiáng)度等級對 應(yīng)的參數(shù)。例如：輸入混凝土 強(qiáng)度等級為 40、彈性模量為千牛 /平方米，其它參 數(shù)均為零，那么這種材料的彈性模量為千牛 /平 立米

16、40 號混凝土對應(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。圖荷載工況 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 置在哪個工況下， 但應(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 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)號或者鋼截面與材 料，前處理系統(tǒng)將把這局部自重強(qiáng)制放置在工況 1 下，除非取消 了 “對話框中 的“考慮材料引起的自重 一項(xiàng)； 其它的荷載

17、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)荷載標(biāo)準(zhǔn)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) +工況 2 的荷載 X 工況 2 的荷載系數(shù) +工況 3 的荷載 X 工況 3 的荷載系數(shù) + + 工況 n 的荷載 XX 況 n 的荷載系數(shù)。荷載組合對話框如圖所 示。各工況的荷載值并不規(guī)定是設(shè)計 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)是綜合了標(biāo)準(zhǔn)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，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

18、完全相同。 SAP84 的荷載組合可理解為承載能力極限狀態(tài)對應(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A、A2 與彈簧相連單元的面積li、I2 與彈簧相連單元的長度梁柱彎矩放松Planln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)件的一端或兩端作為鉸接處理，可以通過彎矩放松功能實(shí)現(xiàn)。梁端放松對話框如下圖。100表示完全放松，0表示剛接，彎矩放松的項(xiàng)可以是 0 100中的任何一個數(shù)據(jù)半剛接，介于完全剛接和完全鉸接之間。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