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1、结构概念与计算软件的使用,江苏振发控股集团有限公司西北设计院,SAP2K支架设计培训专题,主讲人：牛斌2014.11,第一节 结构概念的必要性,1.1 概述1.2 物理问题的力学描述1.3 刚接和铰接1.4 开口薄壁杆件的扭转1.5 杆的计算长度1.6 有侧移和无侧移1.7 二阶效应1.8 振型与周期,1.1 概述,1.1.1 计算理论的局限 专注于从内力到应力的高精度求解的数值分析过程，既因计算成本巨大而在实践中不可实现，又对系统整体缺乏足够的关心，无法计算结构体系的真实可靠度。要理顺根本性的东西，如边界条件和载荷等效的理想化、半刚性节点的非线性、迭加原理的适用范围、概率论分析的不确定等，避
2、免盲目使用有限元工具。1.1.2 合理受力的原则 借助概念归纳正确的计算简图，是校核构件强度及稳定性的前提。1.1.3 优化选型的基础 掌握轴向应力与弯曲应力、均匀受力与集中受力、开口截面与闭口截面、多跨连续与单跨简支、空间作用与平面作用、刚架结构与框架结构、超静定结构与静定结构、弯曲型变形与剪切型变形、刚性连接与铰性连接、传力简捷与传力曲折等概念在材料性能、承载能力、破坏机制、空间刚度分布以及经济性能上的相对特点，是优化工程问题和确定结构方案的基础。1.1.4 工程的协作与控制 结构概念的总体方案设计，益于完善工作流程和协同设计施工各方面的关系。,1.2 物理问题的力学描述,1.2.1 对于
3、所计算的对象，先应分析清楚，给以归类：a、平面问题 b、空间问题（包括轴对称问题）c、板壳问题 d、杆梁问题,1.2 物理问题的力学描述,1.2.2 力学问题的简化,如图4左所示结构对称，但载荷反对称，这时可利用反对称条件取其1/4进行有限元计算。即在x轴面上有u=0，而在y 轴面上有 v=0，因此在对称面上位移的对称分量为零，结果如图4右所示。b.轴对称问题 环向位移为0,可以取出任意平截面采用轴对称单元离散。,a.对称与反对称性的利用 所谓对称性包括载荷、结构和约束均对称。如图3左所示受拉方板，可取1/4进行计算。由于结构对称、受力对称，所以沿x轴只有水平位移而无竖直位移；沿y轴只有竖直位
4、移而无水平位移，故加上如图3右所示约束，且载荷也应取一半。,1.7 物理问题的力学描述,c.等效简化d.抽象简化 实际工程的结构都是具有尺寸和体积的，而计算模型的有些单元，如：杆/梁/板壳等是不具有体积的，因此，建模时，存在如何从实体几何模型中抽象出有限元模型的问题。常称为中线/中面的提取。e.小特征删除 结构中常有的小孔、倒角、凸台、凹槽等这类细小的结构，如不省略，反而会导致网格划分困难，节点单元增加。,主体结构是会引起整体失效的结构,所以支座是很重要的主体结构,1.3 刚接和铰接,1.3.1 工程中设置刚接与铰接的实质在于调整杆端的转动刚度S，促成结构体系的内力重分配1.3.2 定量分析节
5、点的实际刚度比较困难，作保守化处理。1.3.3 杆端抵抗转动的能力与两个因素即杆件的线刚度i=EI/l 和远端支承情况有关1.3.4 设计时将空间节点的部分转动自由度完全释放，从而保证构件内力的偏安全解，例如为了避免主梁受扭，将次梁端部做成铰接；又如优化简支梁与固接梁的控制弯矩等,1.3 刚接和铰接,1.3.5 判定一个铰接连接究竟保留了多少弯矩，就要根据基于杆件线刚度以及远端支承情况所确定的杆端转动能力和节点自身的转动刚度，这两者的相对比例进行二次分配。因此不能认为铰处理后，就不采取抗扭构造措施。1.3.6 对刚接和铰接基本概念的运用如果不恰当，则容易使构件发生扭曲，或使体系产生机构。,图9
6、 半刚性节点的非线性,1.4 开口薄壁杆件的扭转,1.4.1 开口薄壁杆件剪切中心S1.4.2 自由扭转和约束扭转,图11 槽钢的弯曲和扭转,使开口薄壁杆件产生扭转的载荷(1)外加扭转力偶；(2)作用线不通过截面剪切中心的横向集中力或分布力。向形心简化的结果为：一个力与一个力偶；(3)作用线不通过截面上主扇性面积零点的纵向力；(4)作用面不通过扇性面积零点的外力弯曲力偶。这种力偶可认为由大小相等、方向相反的两个纵向力组成。,1.4 开口薄壁杆件的扭转,1.4.3 双力矩 双力矩是约束扭转引起的自相平衡力系,在数值上等于自相平衡的力偶之力偶矩与其作用面之间距离的乘积。双力矩是与翘曲正应力相对应的
7、广义内力分量。,图12 扇性面积和双力矩,1.4 开口薄壁杆件的扭转,1.4.4 单跨薄壁梁受约束扭转时的内力,图13a 简支梁,图14a 悬臂梁,图13b 简支梁,图14b 固接梁,1.4 开口薄壁杆件的扭转,续1.4.4 符号说明及扇性几何特性,1.5 杆的计算长度,1.5.1 几何意义 构件弯曲屈曲两反弯点之间的距离。,1.5 杆的计算长度,1.5.2 物理意义 是将具有端部约束条件的杆件拟换算为承载力相同而长度不同的两端铰支杆1.5.3 框架柱稳定计算方法方法1：一阶分析求内力柱当作单独压弯构件（考虑杆件约束计算长度）计算稳定，即计算长度法；方法2：考虑变形影响的二阶分析，采用几何长度
8、；方法3：考虑P（轴力附加弯矩）近似求解内力，采用几何长度。1.5.4 计算长度法的缺点 无法精确考虑二阶效应的影响；不能考虑结构体系中内力的塑性重分布，因此对大型或复杂结构体系常常给出保守的设计；不能精确地考虑结构体系与它的构件之间的相互影响，无法在给定荷载下预测结构体系的破坏模式。,屈曲荷载转化为欧拉荷载的通式：,1.6 有侧移和无侧移,1.6.1 有侧移失稳和无侧移失稳 发生对称性失稳时，变形大致呈左右对称形状，刚架节点无侧移但有转角，通常称之为无侧移失稳；发生非对称性失稳时，变形大致呈左右反对称形式，刚架同层节点向同一个方向发生相等侧移并有转角，这种失稳形式称为有侧移失稳。,图15 刚
9、架的失稳形式,1.6.2 有侧移框架和无侧移框架 有侧移框架和无侧移框架的区分，不涉及到框架的稳定性计算，只是通过了解建筑物各子结构在承受水平力上的相对比例，对框架进行一个分类。,1.6.3 强支撑框架和弱支撑框架 强支撑框架和弱支撑框架的区分，用于判断双重抗侧力结构中框架部分的失稳模式。根据框架结构是发生有侧移失稳还是无侧移失稳，或者介于两者之间，选择和计算对应的框架柱的计算长度及承载力。,1.7 二阶效应,1.7.1 构件的二阶效应 轴线压力会在构件内部产生附加的弯矩，导致压弯构件的抗弯刚度减弱，此效应称为P效应，也称为构件的二阶效应。图16考虑P影响的构件弯矩,图17 P效应,图16 P
10、效应,1.7.2 框架的二阶效应,图17（a）的框架仅承受水平荷载H时，柱顶有位移。此时若在两柱顶施加竖载P，则力矩P使框架两柱脚各增加水平力Ph，即相当于在柱顶作用有水平力2Ph，如图17（b）所示。此水平力进一步产生附加水平位移，故总位移应为。此效应称为P效应，也称为框架的二阶效应。,1.8 振型与周期,1.8.1 什么是振型？结构构件振动的外型曲线。结构的振型与其自由度数量一致。简单来说，低振型的贡献大，高振型贡献小。低振型的周期长，即对于同样质量的情况而言，周期长就相当于刚度小，刚度小自然最容易发生变形。1.8.2 振型组合规则 SRSS：平方和开平方法。适用于振型相关性较小的稀疏振型
11、 CQC：完全二次式方法。适用于考虑扭转耦联，振型相关性较大的密集振型1.8.3 周期的概念 自振周期：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间。基本周期：结构按基本振型（第一振型）完成一次自由振动所需的时间。设计特征周期：反映了设计地震分组（地震震级、震中距）和场地类别等因素。在抗震设计所用的地震影响系数曲线中，下降段起始点对应的周期值。场地卓越周期：场地也可以看作一种结构，因此场地也有一系列自振周期，其中基本周期被称作卓越周期。1.8.4 振型与周期的作用 可以考察结构刚度及其分布,第二节 SAP 2000使用简介,2.1 概述2.2 SAP2000单元类型2.3 一些重要的功能2.4 S
12、AP2000常见问题2.5 案例演示和互动,2.1 概述,2.1.1 SAP2K设计流程,2.1 概述,2.1 概述,2.2 SAP2000单元介绍,2.2.1 SAP2000中单元与单元之间的关系 如果实际结构变形连续，但两相邻单元并非以节点相连，而以边相连或部分相连，不需定义耦合，只需指定自动边束缚即可。2.2.2 线单元（框架单元）(1)主要包括框架单元、索单元和预应力/束单元。在结构中用来模拟梁、柱、支撑、桁架、和索；(2)框架单元使用一般的三维梁柱公式，包括双轴弯曲、扭转、轴向变形、双轴剪切变形等效应。梁柱节点连接处刚域，可对相关单元端部偏移实现。(3)根据模拟对象不同，可对截面特性
13、进行修正，如索不能抗弯，则截面抗弯刚度需调整为零。考虑楼板作用的梁，其截面特性也需修改等等。,自动束缚功能,2.2 SAP2000单元介绍,体单元 主要用于细部分析。2.2.5 点单元 也称连接单元，可在两节点之间绘制，也可在一个节点位置绘制，单节点连接单元默认为一个节点接地。,2.3 一些重要的功能,2.3.1 约束与束缚 约束 restraint：约束节点的自由度，可约束六个自由度中的任意一个或多个。常用于模拟各种支座。束缚constraint：限制结构中某些节点之间的相对自由度，减少系统中需要求解的方程数量，提高计算效率。常用于模型的合理简化。,常用束缚类型：刚体束缚Body：所有自由度
14、按照一个三维刚体一起运行。隔板束缚Diaphragm：用来实现结构平面内无限刚性的假定。板束缚Plate：使所有被限制的节点作为相对于弯曲变形刚度与刚性的平板一起移动。用于实体类型单元(平面)与结构类型单元（框架和壳）相连，以及实现梁弯曲建模时的板截面保持“平截面”性质的假定。杆束缚Rod：使所有被限制的节点作为刚性的(相对于轴向变形)杆一起移动。用于令框架单元无轴向变形的在同一直线上的一组点。梁束缚Beam：使所有被限制的节点作为一个刚性的(相对于弯曲变形)直梁一起移动。所有受限节点被刚性连接，但所有轴向的平动和扭转将不受影响。用于防止框架单元中的弯剪变形等。其他如拼接束缚Weld、对等束缚
15、Equal、局部束缚Local等略。,2.3 一些重要的功能,2.3.2 节点样式(1)可以描述荷载的分布变化，也可以定义变厚度的面对象。(2)通过节点样式定义空间分布变化的荷载时，如压力、温度等，需要将已定义的节点样式指定给相应的节点，然后在指定荷载时，选择荷载来自节点样式。(3)节点样式本身不会在结构上产生荷载。,施加水压力,2.3 一些重要的功能,2.3.3 模态分析(1)模态分析是动力分析的基础。(2)模态分析方法特征向量法、Ritz向量法。后者考虑了动力荷载的空间分布，可以得到更精确的结果。结构振型比较分散，或者前几阶振型为局部振动。如果采用特征向量法，通常需要相当巨大的振型数量来保
16、证足够多的质量参与系数。此时推荐采用 Ritz向量法，提高运算效率。(3)可以通过模态分析来检查结构的刚度及质量分布情况。2.3.4 非线性分析(1)P-（大应力）效应：当结构中有较大应力（或力和弯矩），即使在变形很小时，以初始的和变形后的几何写成的平衡方程的差别可能很大；(2)大变形效应：当结构经历大变形（特别是大位移或转动）时，常规的工程应力和应变计量不再适用，且必须对变形后的几何写平衡方程。即使应力较小也是如此；(3)材料非线性：当一种材料的应变超过其恰当的极限时，应力-应变关系不再是线性的。塑性材料的应变超过其屈服点后表现出依赖经历的行为。(4)人为指定：如指定了拉压限制，结构中包含粘
17、滞阻尼单元或者其他非线性单元等情况。,2.3 一些重要的功能,2.3.5 单拉(压)构件 对线对象指定拉/压力限值，以模拟单拉/单压单元。对单拉/单压构件的处理属于非线性分析，相应分析工况的类型需设定为非线性，才能模拟单拉/单压效果。,2.3.6 合理的组组用户根据需要，对单元或节点进行人为的归类组的作用：便于选择定义阶段施工，激活与移除对象方便的截面切割定义,2.3 一些重要的功能,2.3.7 截面切割定义截面切割组(1)用于输出一组构件的合力;(2)指定到组时，除了选择构件，还需要选中相应的节点（如柱顶或柱底等）;(3)结果以表格的方式输出。直接绘制截面切割(1)默认合力点为起点与终点连线
18、的中点；(2)合力点一般需要人为指定；(3)连线的矢量方向决定左侧右侧；(4)起点终点决定求内力的单元。,2.4 SAP2000常见问题,2.4.1 从Autocad导入SAP2000注意的问题（1）用直线近似曲线；（2）要导入的对象不能位于0层；（3）导入时注意选择合适的单位，初始单位与导入时的单位要统一；（4）CAD通常的操作平面为x-y平面，导入CAD平面模型时，SAP中向上方向为z方向，导入CAD立面模型时，注意将向上的方向指定为y向；（5）由于是分层导入的，如果CAD图纸中定位不准确，构件连接处未必重合，需要在SAP中执行合并点的操作。2.4.2 柱子的偏心在sap2000里如何输入
19、？可以利用插入点命令来实现，assignframe/cable/tendoninsert point 对于梁柱偏心，则设置梁端刚域比较合理(End offset)。2.4.3 SAP2000设置的截面如何旋转角度？选择构件，菜单指定框架/索/筋局部坐标90度。2.4.4 如何选择板单元类型？“壳”具有平面内以及平面外刚度，一般用于定义墙单元。“膜”仅具有平面内刚度，一般用于定义楼板单元，起传递荷载的作用。“板”仅具有平面外刚度，仅存在平面外变形。一定程度上要根据工程情况对面截面类型作出选择。,2.4 SAP2000常见问题,2.4.5 面对象的分割与剖分 编辑菜单下的“分割面”和指定菜单下“面
20、对象剖分选项”有什么区别？什么情况下要设定面对象剖分？“分割面”是把一个面对象分割为若干更小的面对象，可以再对其中某个面对象进行编辑（比如开洞、施加荷载等等）。“面对象剖分”是对面对象的有限元划分，形成有限元分析的单元和节点。对于膜属性的单元可以自动根据梁、墙位置进行剖分。对于壳和板，需要人工设定剖分。,2.4.6 有效长度系数(Mue主)/有效长度系数(Mue次)该参数用于确定构件的计算长度系数，由于程序自动计算的计算长度系数有时候不太准确，因此需要我们自己根据钢结构设计规范中附录D手算计算长度系数，以作调整。2.4.7 ignore b/t slenderness?该参数用于验算构件局部稳
21、定的构造要求。2.4.8 轧制截面、翼缘焰切、两端铰接、净截面与全截面比 可以根据自己的实际情况输入。,2.4 SAP2000常见问题,2.4.9 无支撑长度比(主)/无支撑长度比(次，LTB)此项主要是用于钢梁设计。由于钢梁强轴(major axis)受弯时，一侧的翼板受压，另一侧受拉。受压侧的翼板可能发生LTB(Lateral torsional buckling)，故有必要将其束制，降低钢梁此类破坏。程序所提及的minor LTB指的就是计算钢梁强度时的侧向无支撑长度系数，计算侧向无支撑长度时，是以杆件全长为基准，再乘以LTB系数）。至于LTB系数的大小取值必须视钢梁受压侧束制条件而定，一般钢梁（次梁）若与RC楼板或Deck板由shear stud 接合一起时，由于此类钢梁一般是剪力接头，故受压侧于上缘，因此shear stud的设置将可有效避免LTB，所以在程序中可设一个合理值，一般可以取0.10.2。但若是主梁，则必须视次梁配置的状况而定，程序中主梁的LTB系数是其支撑的次梁最大间距与主梁全长的比值。2.4.10 弯矩系数（beta_m主）、弯矩系数（beta_m次）见钢规2.4.11 弯矩系数（beta_t主）、弯矩系数（beta_t次）见钢规,2.5 案例演示和互动,
