1、集成化的通用结构分析与设计软件 SAP2000 案 例 教程 北京筑信达工程咨询有限公司 北京市 古城 西街19 号研 发 主楼 4 层， 100043 Version 15 2014-06 版 权 计算机 程 序 SAP2000 及全 部相关 文档 都是 受专 利法 和版权 法保 护的 产品 。全 球范 围的所 有权 属 于 Computers and Structures，Inc. （中 文版版 权同 属于 北京 筑信 达工程 咨 询有限 公司 ）。 如果 没有 CSI 和北 京筑 信达 工程 咨询 有限公 司的 预先 书面 许可 ，未经 许 可的程 序使 用或 任何 形式 的文档 复制
2、一律 禁止 。 更多信 息和 此文 档的 副本 可从以 下获 得： 北京 筑 信达 工程 咨询 有限 公司 北京市 古城 西 街 19 号研 发 主楼 4 层 100043 电话：86-10-6892 4600 传真：86-10-6892 4600 - 8 电子邮 件： 网址： 北京筑信 达工程 咨询有 限公司 版权 所有, 2013. 说 明 本教程 将通 过具 体的 案例 ，介绍 如何 应 用 SAP2000 处理一 些典 型问 题。 “模 型概 况”是 对案 例的 简单 介绍 ；“主 要工 作流 程” 是对 常规建 模过 程的 描述 ；“ 要点 详 解”是 对相 关一 些软 件应 用
3、技术 的详 细说 明。 本教 程不涉 及软 件操 作的 详细 讲解， 相 关内容 请参 考 SAP2000 联 机帮助 或相 关使 用手 册。 我们将 持续 丰富 案例 种类 。对于 本教 程的 内容 和需 要增加 的案 例类 型， 欢迎 您提 出您的 意见 和建 议， 不胜 感谢！ 联系 方式 如下 ： 技术热 线：010-68924600-200 技术邮 箱： 北京筑 信达 工程 咨询 有限 公司 SAP2000 案例教 程 环保除 尘设 备 1 SAP2000 案例 环 保 除尘 设 备 模型概况 环保除 尘设 备模 型 除尘设备是环保行业中常遇到的结构形式，主要由底部钢支架和上部壳
4、 体组成 。 结构承受的荷载包含恒荷载（含自重）、检修荷载、上部壳体承受 的气体压力荷载、风荷载、地震荷载。 本教案旨在帮助工程师 处理结构中可能涉及到的相关问题，主要包含以 下几个方面： DXF 文件导入SAP2000 模型组装 钢构件放置方向调整 加肋板模拟 铰接构件及半刚性连接模拟 梁板连接模拟 SAP2000 案例教 程 环保除 尘设 备 3 主要工作流程 本案例中的模型用户可以通过轴网，直接在 SAP2000 程序中建立。在此 教案中，给大家介绍通过导入 DXF 文件的方式建立模型。 图1 底 部框 架结 构CAD 图 图2 上 部壳 体及 框架CAD 图 在开始前， 用户需分别创建
5、如图1和2 所示的三维CAD 模型，并将其保 存为DXF 格式。在CAD 中建立模型时，强烈推荐大家可以将不同的构件保 存到不同的图层中，同时面单元要使用三维面来创建。 工作内容 功能 命令 建立模 型 导入下 部DXF 模型 【文件 】 【 导入 】 【Auto CAD.DXF 文件】 工作内容 功能 命令 建立模 型 调整模 型坐 标 右击查 看图 示支 座处 节点 坐标信 息， 并记 录节 点 坐标值 ； 选中所 有的 构件 ，【 编辑 】 【移 动】 保存模 型 【文件 】 【 保存 】 导入上 部DXF 模型 【文件 】 【 新模 型】 ； 【文件 】 【 导入 】 【Auto C
6、AD.DXF 文件】 调整模 型坐 标 右击查 看图 示支 座处 节点 坐标信 息， 并记 录节 点 坐标值 ； 工作内容 功能 命令 建立模 型 调整模 型坐 标 选中所 有的 构件 ，【 编辑 】 【移 动】 保存模 型 【文件 】 【 保存 】 导出s2k 文件 【文件 】 【 导出 】 【SAP2000 .s2k 文 本文 件】 工作内容 功能 命令 建立模 型 模型组 装 打开底 部框 架模 型； 【文件 】 【 导入SAP2000 .s2k 文 本文 件】 ，导 入上部 模型 的s2k 文件 ，完 成模型 组装 。 指定约 束 选择所 有标 高为0的 节点 【指定 】 【 节点
7、 】 【约 束】 工作内容 功能 命令 建立模 型 定义材 料 定义结 构的 基本 材料 信息 【定义 】 【 定义 材料 】 【添加 新材 料】 定义截 面 定义框 架截 面 【定义 】 【 截面 属性 】 【框架 截面 】 【 导入 新属性 】 定义面 截面 【定义 】 【 截面 属性 】 【面截 面】 【添 加新 截面】 指定截 面 为框架 单元 指定 截面 信息 选中所 需指 定的 截面 的框 架单元 ，【 指定 】 【截面 】 【 框架 截面 】 为面单 元指 定截 面信 息 选 中所 需指 定的 截面 的面 单元， 【指 定】 【面】 【截 面】 工作内容 功能 命令 模型调
8、整 调整构 件布 置方 向 【视图 】 【 设置 显示 选项 】，勾 选 拉伸项 选择需 要调 整放 置方 向的 构件， 【指 定】 【框 架】 【 局部 轴】 铰接构 件设 置 选择所 有斜 向支 撑构 件， 【指定 】 【 框架 】 【释放/ 部分 刚接 】 工作内容 功能 命令 模型调 整 加肋板 模拟 选中加 肋板 的板 面及 其加 劲肋 【指定 】 【 面】 【 面网 格自动 划分 】 【 基于 剖分组 中直 线对 象使 用切 割方法 剖分 面 】 ，勾 选 子剖分后单元不大于 最大 指定尺寸 ， 在最 大子 剖分尺 寸中 输入1000mm 【视图 】 【 设置 显示 选项 】 【显
9、 示分 析模 型】 工作内容 功能 命令 定义荷载模 式 定义荷 载类 型 【定义 】 【 荷载 模式 】 施加荷 载 施加恒 荷载 、活 荷载 选中所 需施 加荷 载的 面单 元， 【 指定 】 【 面荷 载】 【 均匀 壳】 施加风 荷载 【荷载 模式 】( 选 中类 型 为WIND 的荷 载模 式后) 【修改 侧向 荷载 模式 】 在 中国2010 风荷载模式 中 选择 风力作用来自面 对象 选择所 要施 加风 荷载 的面 对象， 【指 定】 【面 荷载】 【风 压系 数（ 壳） 】 工作内容 功能 命令 施加荷 载 施加地 震荷 载 【定义 】 【 函数 】 【反 应谱】 【添 加
10、新 函 数】 【定义 】 【荷 载工 况】 【添加 新工 况】 工作内容 功能 命令 施加荷 载 质量源 定义质 量源 【定义 】 【 质量 源】 分析 运行分 析 【分析 】 【 运行 分析 】 结果显 示 显示变 形形 状 【显示 】 【 显示 变形 】， 勾选 在面对象上绘制 位移等值线 在面等 值线 分量 区域 选择 结果幅值 工作内容 功能 命令 结果显 示 模态结 果表 格输 出 【显示 】 【 显示 表】【分 析结 果】 【结 构输 出】 【 振型 信息 】 【Table ：Modal Participating Mass Ratio 】 工作内容 功能 命令 结果显 示
11、显示框 架单 元内 力图 【显示 】 【显 示力/ 应力 】【 框架/ 索/ 钢束 】 右击任 意框 架对 象， 可弹 出对应 的内 力详 图 工作内容 功能 命令 结果显 示 显示壳 单元 内力 图 【显示 】 【显 示力/ 应力 】【 壳】 钢框架 设计 设置首 选项 【设计 】 【 钢框 架设 计】 【 显示/ 修 改首 选 项】 运行设 计 【设计 】 【 钢框 架设 计 开始设 计/ 检 查】 ，程 序自动 按照 颜色 显示 构件 的应力 比， 同时 显示 构 件的截 面 工作内容 功能 命令 钢框架 设计 查看设 计信 息 右击视 图中 的任 意框 架对 象，弹 出 钢构件应力
12、 检查信息对话框 点击钢 构件 应力 检查 信息 对话框 上的 细节按 钮，弹 出 设计细节报告 点击 钢构件应力检查信息 对话框 上的 覆盖项 按 钮，弹 出 钢框架设计覆盖 项 对话 框 点击【 设计 】 【 钢框 架设 计】 【 显示 设计 信 息】 工作内容 功能 命令 钢框架 设计 工作内容 功能 命令 钢框架 设计 要点详解 1 DXF 文 件导 入模型 对于复杂结构，可以利用 CAD 导入直接建立模 型。SAP2000 可以直接导 入CAD 所生成的DXF 文件，为模型建立提供极大的便利。在 DXF 文件导入的 过程中，需要注意以下几个方面的问题： （1 ） 所需要的构件不能
13、处在 0 图层上； （2 ） 不能导入多线段，需要将多线段转换成直线段后导入； （3 ） 导入方向需和工程实际的方向相一致； （4 ） 导入时单位的选择要正确，保证模型大小的正确性； （5 ） 导入模型后检查 Z 坐标和工程实际是否一致； （6 ） 导入模型没有自动生成支座，需自行添加。 注意： 在CAD 中建立模型时，强烈推荐大家可以将不同的构件保存到不 同的图层中，同时面单元要使用三维面来创建。 为避免用户在导入 CAD 模型中分层多次导入的麻烦，筑信达提供 DXF 导 入SAP2000 小工具，利用此工具，用户可将所需的图层一次性导入 SAP2000 程序中，同时自动将模型中的构件按照
14、CAD 中的图层自动分组，为后续的操 作提供了极大的便利。 2 构件铰 接及 半刚性 连接 通过杆端弯矩释放，可模拟构件的铰接链接，其具体的做法如下对话框 所示。其中框 架部 分固定 弹簧 对话框中的默认 数据为 0，其代表的意义为在 相应的自由度上，构件的刚 度为0 。如果人为修改默认值为一定的数值， 则输入的数值代表在对应自由度上的刚度，即可实现框架单元的半刚性连 接，注意输入数值的单位与对话框中的单位相一致。 图2-1 框架 释放 对话 框 图2-2 对比了相同结构在相同荷载作用下，对梁端进行不同处理后的弯 矩对比，从图中可以查看到半刚性连接梁的效果。当然，输入的刚度值的不 同会直接影
15、响半刚性连接的作用效果。 a 无弯 矩释 放 b 半刚 性连 接 c 弯矩 完全 释放 图2-2 弯矩 对比 图 除了使用框架端部释放的命令外，我们还可以使用节点区达到半刚 性连 接的效果。选择梁端点，指定 节点节点区，在弹出的对话框中选择指定的 弹簧属性，同时在主弯矩/ 转角和次弯矩/转角输入框中输入刚度值，即可达 到半刚性连接的效果。 图2-3 节点 区指 定对 话框 a 默认 连接 b 半刚 性连 接 图2-4 弯矩 对比 图 3 加肋 板模拟 在工程实际中，加肋板中的加劲肋和面板共同工作，协调变形，抵 抗外荷载。在有限元程序中，需要保证加劲肋与面板网格匹配，便于在 计算中有效的进行内力
16、传递。 图3-1 加劲 板几 何模 型 程序提供多种面单元自动剖分选项，用户可根据 不同的模型，选择 适当的剖分选项进行有限元网格的划分，其主要目的就是使加劲肋和面 板有共同的节点，保证内力传递协调变形。 图3-2 面剖分 选项 图3-3 加劲板 分析 模型 图3-4 加劲板 变形 结果 程 序 也 提 供 使 用 编 辑 面 功 能 将 加 劲 板 面 进 行 分 割 ， 在 保 证 面 板 和 加 劲 肋 之 间 节 点 匹 配 的 情 况 下 可 达 到 在 分 析 过 程 中 与 有 限 元 网 格 划 分 同 样 的 目 的。使用编辑面功能后，程序将一个面对象分割成多个对象，而使用
17、面自 动剖分则不会改变对象模型，即保持原本的面对象个数不变。 图3-6 面单元 分割 选项 对话 框 4 壳体与 周边 框架的 连接 处理 在工程实际中，对于框架和板连接的模型，考虑壳体与框架梁连接的施 工要求，通常会采用如图 4-1 所示的处理方式，框架梁底部焊接角钢，角钢 的两肢分别与框架梁和壳体连接。 在程序中壳体与周边框架连接的模拟可以按照两种方式进行。通常情况 下，在整体模型分析中不考虑连接件，采用简化的方法进行处理保证壳体和 周边框架的内力传递和变形协调 ，此时得到的结果可满足工程需求；如果需 要对连接部位做进一步的分析，则可以在局部模型中建立连接件 来考虑。 图4-1 梁板连 接
18、工 程处 理 图4-3 默 认的 框架 位置 关 系 4.1 常用 的简 化处理 方法 在本案例中，所有的面对象均使用属性为壳的单元模拟。模型中如果考 虑壳单元与周边框架单元的协同工作，只需要将面单元进行剖分，程序会自 动在面单元的有限元节点处对框架单元进行自动剖分，保证内力的传递和变 形的协调，面单元的剖分操作同加劲板的剖分。 4.2 考虑 连接 构件的 处理 方法 图4-2 含角钢 的几 何模 型 在模型中如果要考虑角钢的作用，则需要 在模型 建立 角钢对象如图4-2 所示。在拉伸状态下，可以查看到两框架单元之间的相对位置关系如图 4-3 所示。 图4-3 默认的 框架 位置 关系 为保证
19、模型中箱型梁、角钢连接件以及板之间正确的相对位置关系 ，需 要在SAP2000 中完成以下操作。 1) 选择角钢； 2) 【 指定】 【框架】【 插入点】，弹出如 4-4 所示的对话框； 3) 在 控 制点 选项中选择 3（Bottom Right ） ，在 框 架节 点端部 偏移 到主要 点 区域 的 2 项中填写-0.165 ； 4) 点击确定，得到如图 4-5 所示的效果。 注意：-0.165 为箱型框架梁的宽度 的一半减去板厚，即将角钢的控 制点沿角钢局部 2 轴方向移动-0.165m，在实际的项目中，用户可根 据顶部梁截面的大小来填写此值。 图4-4 框架插 入点 对话框 图4-5
20、设置插 入点 后的 框架 位置关 系 5) 【定义 】【节点样式 】，定义一个节点样式名称后点击确定。 图4-6 定义节 点样 式对 话框 6) 选择板周边的四个节点 ， 【指定 】【节点样式 】，在弹出的对话框 中，按照图示的方式填写节点样式值后点击 确定 。 图4-7 指定节 点样 式对 话框 7) 选择板 ，【 指定】【 面】【面厚度（壳）覆盖 】，使用节点样式指定 厚度方向的偏移如图 4-8 所示，点击确定， 得到图4-9 所示的位置关 系。 图4-8 指定板 偏移 对话 框 注意：比例系数 170 是指面对象按照节点样式值的 170 倍在厚度方 向上偏移，其值的由来是箱型梁截面宽度
21、的一半减去板厚的一半。 图4-9 梁、板 、连 接件 间的 位置关 系 以上的操作可保证梁板及连接件之间的位置关系正确，但是， 由于模型 中箱型梁与角钢均为框架单元，其分析模型中两者之间存在间隙， 程序无法 识别到之间的连接关系，需要进一步操作保证两者之间的内力传递及变形协 调。 1) 选择两框架 ，点击 【编辑】 【编辑线】【 分割框架】，在弹出的对话 框中选择 分 割框 架数 ， 并在框 架数 中输入10 ，结束/ 开始长 度比 例 中输 入 1 ，点击确定 。 图4-10 分割 框架 对话 框 2) 选择上一步中已经分割 好的框架的所有节点； 3) 【 指定】 【节点】【 束缚】，弹出如图 4-11 的对话框； 4) 在 选 择添 加束缚 类型 中 选择Weld ，点击 添加新 束缚 ，弹出图4-12 所示 的对话框； 5) 勾选 束 缚自 由度 中的六 个自由度，在 拼 接容 差 对话框中输入 0.61m ，点 击确定。 注意：拼接容差值 0.61m 的确定是根据框架梁与连接角钢之间的垂 直距离0.6m 确定的，为避免用户在绘制模型，尤其是 DXF 导入模型中 的尺寸误差，将拼接容差值稍微提高，但此值应该小于角钢轴向两节点 间的距离。 图4-11 束缚 定义 对话 框 图4-12 拼接 定义 对话 框
