SAP84使用手冊(cè)范本

1、地下結(jié)構(gòu)專業(yè)工作手冊(cè)系列之一有限元分析軟件SAP 84使用手冊(cè)城交分院地下結(jié)構(gòu)所二零零五年五月目錄（ SAP84）1 軟件介紹 .01.1軟件概述 .01.2軟件安裝 .11.3獲得幫助 .12工程算例 .22.1問(wèn)題描述 .22.2計(jì)算步驟 .33注意事項(xiàng) .113.1建立計(jì)算模型 .113.2選取單位制 .113.3關(guān)于自重 .123.4關(guān)于材料參數(shù) .123.5荷載工況及組合 .133.6彈簧剛度 .143.7梁柱彎矩放松 .144常用參數(shù)表 .154.1地基土的基床系數(shù) .155計(jì)算單內(nèi)容 .161 軟件介紹1.1軟件概述SAP84是以有限元法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析軟件， 由北京大學(xué)力學(xué)系袁

2、明武教授主持開(kāi)發(fā)。自 1982 年開(kāi)發(fā)以來(lái)至今已有近二十多年的歷史， 目前 SAP84版本 6.5 已經(jīng)推出。為了考證有限元程序的正確性， SAP84對(duì)美國(guó) CSI 公司產(chǎn)品 SAP2000的大部分算例都進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比。SAP84軟件是一個(gè)高度模塊化的系統(tǒng)，它包括下列模塊：a 平面模型圖形輸入系統(tǒng)PlanIn 。PlanIn 能夠處理平面框架、 桁架、鋼架、平面應(yīng)力和平面應(yīng)變問(wèn)題，用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行b 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖形后處理軟件GPOST。c 與現(xiàn)行規(guī)范配套的混凝土配筋模塊REIN地下結(jié)構(gòu)分析 一般采用此模塊。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)GIS。GIS 能夠

3、處理空間框架、桁架、網(wǎng)架、鋼架、殼體和地下結(jié)構(gòu)問(wèn)題，對(duì)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 GPILE。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(dòng)生成及建模程序AutoMESH2D（其功能同時(shí)集成在GIS中）h 三維實(shí)體單元網(wǎng)格自動(dòng)生成及建模程序AutoMESH 3D。i高層建筑專用前處理程序SAGS和后處理程序 SAGSOUT。SAP84各模塊之間的關(guān)系如圖1.1 所示。圖 1.1模塊關(guān)系圖1.2軟件安裝用戶在購(gòu)買 SAP84 后即得到：一張軟盤（含同加密狗配套的授權(quán)文件SAP84V60.INI）；一張光盤（含安裝文件 SETUP.EXE）

4、； 一個(gè)加密插頭。用戶可以啟動(dòng)光盤上的SETUP.EXE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(guò)程中需要把授權(quán)文件SAP84V60.INI 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(huì)要求安裝并口驅(qū)動(dòng)程序。安裝完成之后請(qǐng)將加密插頭插到并行口 LPT1上，然后就可以通過(guò)SAP84程序組啟動(dòng) SAP84集成環(huán)境系統(tǒng) SAPGUIDE。1.3獲得幫助在學(xué)習(xí)或者應(yīng)用軟件過(guò)程中，如果遇到困難可以通過(guò)幾種途徑來(lái)解決：a 軟件配有一套紙質(zhì)說(shuō)明書(shū)，以供閱讀；b 在軟件啟動(dòng)后，按 F1 鍵出現(xiàn)在線

5、幫助；c “開(kāi)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PlanIn 是地下結(jié)構(gòu)專業(yè)最常用的模塊，這里主要介紹PlanIn 的使用方法。如果欲掌握建立空間模型的基本方法，可學(xué)習(xí)GIS 幫助中建立半球殼的例子。2.1問(wèn)題描述某地鐵車站結(jié)構(gòu)橫斷面如圖 2.1 所示，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)所受永久荷載如圖 2.2 所示，所受可變荷載如圖 2.3 所示。0021009300605821058500318001400080015600圖 2.1 結(jié)構(gòu)橫斷面圖圖 2.2永久荷載圖圖 2.3可變荷載圖2.2計(jì)算步驟根據(jù)

6、已知條件，建立模型，計(jì)算該結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。計(jì)算步驟如下：（1）啟動(dòng)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(dòng) SAP84，進(jìn)入后點(diǎn)擊，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(duì)坐標(biāo)生成節(jié)點(diǎn)” ，輸入表 2.1 中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，生成 6 個(gè)節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)擊“顯示”“顯示選項(xiàng)”，選中“節(jié)點(diǎn)號(hào)”一項(xiàng)，屏幕顯示出節(jié)點(diǎn)編號(hào)，如圖2.4 所示。表 2.1節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值節(jié)點(diǎn)號(hào)yz10.0000.000214.8000.

7、000314.8006.800414.80011.60050.00011.60060.0006.800圖 2.4點(diǎn)擊“幾何”“梁柱生成”，在“常用工具與按鈕”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(duì)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2.5 所示。圖 2.5（3）設(shè)置構(gòu)件材料和截面。點(diǎn)擊“參數(shù)”“管理材料庫(kù)”“添加材料”，輸入“ C30”，“混凝土強(qiáng)度等級(jí)”中顯示“ 30”，其余參數(shù)不需輸入，軟件將自動(dòng)賦值。點(diǎn)擊“參數(shù)”“管理普通截面庫(kù)”“添加截面”，輸入“底板”，在“截面參數(shù)”中輸入截面高（ 1.3 ）和

8、截面寬（ 1.0 ）的數(shù)值，屏幕如圖 2.6 所示。如此方法生成頂板（截面高 1.2 和截面寬 1.0 ）、中板（截面高 0.6 和截面寬 1.0 ）和側(cè)墻（截面高 0.8 和截面寬 1.0 ）的截面尺寸。圖 2.6點(diǎn)擊“屬性”“梁柱材料”，選擇所有的梁柱單元，選中的單元會(huì)改變顏色。單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“應(yīng)用選擇對(duì)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(duì)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(shí)屏幕如圖 2.7 所示。圖 2.7（4）施加結(jié)構(gòu)荷載，

9、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(gè)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(duì)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 ）。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” 為整體坐標(biāo) Y 方向，輸入插值點(diǎn) 1（ 17.82 ）和插值點(diǎn) 2（87.21 ）的“荷載線密度值”，點(diǎn)擊“退出然后捕捉 2 個(gè)插值點(diǎn)”，選擇節(jié)點(diǎn) 5 和節(jié)點(diǎn)

10、 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(duì)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（ -17.82 ，-87.21 ）。此時(shí)屏幕如圖 2.8 所示。圖 2.8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 （5.4 ， 5.4 ），右側(cè)側(cè)墻施加荷載（ -5.4 ，-5.4 ）。此時(shí)屏幕如圖 2.9 所示。圖 2.9點(diǎn)擊“荷載”，“荷載組合”，“添加”，“+”，“工況號(hào)”中輸入“ 1”，“荷載系數(shù)”中輸入“ 1.485 ”?！?+”，“工況號(hào)”中輸

11、入“ 2”，“荷載系數(shù)”中輸入“ 1.54 ”，點(diǎn)擊“確定”?！疤砑印?，“+”，“工況號(hào)”中輸入“ 1”，“荷載系數(shù)”中輸入“ 1.0 ”?！?+”，“工況號(hào)”中輸入“ 2”，“荷載系數(shù)”中輸入“ 1.0 ”，點(diǎn)擊“確定”。點(diǎn)擊“確定”。點(diǎn)擊“荷載”，“位移組合”，“添加”，“+”，“工況號(hào)”中輸入“ 1”，“荷載系數(shù)”中輸入“ 1.0 ”。“ +”，“工況號(hào)”中輸入“ 2”，“荷載系數(shù)”中輸入“ 1.0 ”，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)

12、點(diǎn) 1 和節(jié)點(diǎn) 2，點(diǎn)擊右鍵，選擇“應(yīng)用選擇對(duì)象” ，節(jié)點(diǎn) 1 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2.2 所列節(jié)點(diǎn)處的彈簧，結(jié)果如圖2.10 所示。表 2.2彈簧剛度值節(jié)點(diǎn)號(hào)Kv節(jié)點(diǎn)號(hào)節(jié)點(diǎn)號(hào)Kh1370005424000774000271948000874000281848000974000291748000107400063580001174000301668000127400031156800013740003214680002370001234000圖 2.10（6）檢查數(shù)據(jù)和刪除無(wú)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(méi)有約束”，由于設(shè)

13、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(wú)用數(shù)據(jù)”，軟件顯示“完成無(wú)用信息的刪除” 。（7）計(jì)算和結(jié)果查看。點(diǎn)擊“其他模塊”，“計(jì)算與分析”，出現(xiàn)“SAP84分析選項(xiàng)對(duì)話框”，選擇“確定”，軟件開(kāi)始計(jì)算。計(jì)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，如圖2.11 所示。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

14、的結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖。得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖即可對(duì)結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行驗(yàn)算和配筋。圖 2.11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)位移的數(shù)值顯示”，選擇“當(dāng)前位移組合的位移” ，和“Z 方向平動(dòng)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，如圖 2.12 所示。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。圖 2.123 注意事項(xiàng)3.1建立計(jì)算模型計(jì)算模型是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的抽象和簡(jiǎn)化， 計(jì)算模型應(yīng)該能夠正確、 準(zhǔn)確地反映主要構(gòu)件的主要特征。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)件的受力特點(diǎn)。 一般說(shuō)來(lái)，承受軸力

15、和彎矩并且一個(gè)方向的尺度比另外兩個(gè)方向要大得多的構(gòu)件可以用梁柱單元來(lái)模擬， 而一個(gè)方向的尺度比另外兩個(gè)方向要小得多的構(gòu)件可以用板殼單元或墻單元來(lái)模擬。如果板殼主要承受面內(nèi)的軸力，面外彎矩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則可以采用板殼單元中的板模式， 其它情況則可以用殼模式來(lái)模擬。如果三個(gè)方向的尺度相近， 則需要用三維實(shí)體單元來(lái)模擬。同樣一根梁?jiǎn)卧?如果把它放在整個(gè)結(jié)構(gòu)中考慮， 可以用梁柱單元模擬， 但是有時(shí)候如果需要單獨(dú)考慮這根梁?jiǎn)卧脑敿?xì)受力狀況， 這時(shí)可以用三維實(shí)體單元來(lái)模擬，然后把整體計(jì)算中的內(nèi)力結(jié)果施加到三維實(shí)體單元上。 有時(shí)

16、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(jì)算（忽略銜接處的影響） ，然后采用三維實(shí)體元計(jì)算該銜接部位，同時(shí)把整體計(jì)算中的內(nèi)力結(jié)果加上。3.2選取單位制GIS 和 PlanIn 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，軟件提供給用戶的單位制選項(xiàng)見(jiàn)圖3.1 。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(gè)不同的概念，二者有一定的換算關(guān)系。圖 3.13.3關(guān)于自重“選項(xiàng)設(shè)置” 提供了一些常見(jiàn)選項(xiàng)的輸入與控制， 部分選項(xiàng)對(duì)于計(jì)算結(jié)果非常關(guān)鍵。如果在填寫(xiě)各單元的材料參數(shù)時(shí)輸入了材料的重度 （包括由混凝土強(qiáng)度等級(jí)得到的查詢值），并且選中了此選項(xiàng)， SAP8

17、4 分析程序?qū)⒆詣?dòng)考慮由材料重度產(chǎn)生的自重，并且把它放在工況 1 下。但是，如果沒(méi)有選中此項(xiàng)， SAP84在計(jì)算時(shí)將不會(huì)考慮由材料重度產(chǎn)生的自重。缺省情況下該項(xiàng)是被選中的。3.4關(guān)于材料參數(shù)在輸入材料參數(shù)時(shí)，如果只輸入混凝土強(qiáng)度等級(jí)， 而其它材料參數(shù)保持為零，SAP84分析程序?qū)⒆詣?dòng)查詢?cè)摶炷翉?qiáng)度等級(jí)對(duì)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(duì)話框如圖 3.2 所示。一般彈性模量、剪切模量和泊松比之間的轉(zhuǎn)換公式為： GE/2(1+v) 。如果沒(méi)有輸入混凝土強(qiáng)度等級(jí)， 而輸入了其它材料參數(shù)， 則材料由這些輸入的參數(shù)決定。 如果同時(shí)輸入了混凝土強(qiáng)度等級(jí)和其它材料

18、參數(shù)， 輸入的材料參數(shù)將覆蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)。例如：輸入混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 40、彈性模量為 2.06E8 千牛 / 平方米，其它參數(shù)均為零，則這種材料的彈性模量為 2.06E8 千牛 / 平立米（ 40 號(hào)混凝土對(duì)應(yīng)的彈性模量為 3.25E7 千牛 / 平方米），剪切模量為 1.25E7 千牛 / 平方米（查詢值），密度為 2.5 噸 / 立方米（查詢值），比重為 24.5 千牛 / 立方米（查詢值），熱膨脹系數(shù)為 1.0E 5（查詢值）。圖 3.23.5荷載工況及組合這里所說(shuō)的工況實(shí)際上就是荷載種類，在輸入過(guò)程中一般不限制哪些荷載放置在哪個(gè)工況下， 但應(yīng)盡量把組合系數(shù)相同的荷載放在同

19、一工況下。程序目前對(duì)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(hào)或者鋼截面與材料），前處理系統(tǒng)將把這部分自重強(qiáng)制放置在工況1 下，除非取消了“選項(xiàng)設(shè)置”對(duì)話框中的“考慮材料引起的自重”一項(xiàng)；其它的荷載所放的工況沒(méi)有任何特殊要求。SAP84中的荷載工況系數(shù)與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中的分項(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×工況 1 的荷載系數(shù)工況2 的荷載×工況 2 的荷載系數(shù)工況3 的荷載×工況 3的荷載系數(shù)工況n 的荷載×

20、工況n 的荷載系數(shù)。荷載組合對(duì)話框如圖3.3 所示。各工況的荷載值并不規(guī)定是設(shè)計(jì)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)是綜合了規(guī)范中的組合系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)之后的綜合系數(shù)。圖 3.3SAP84在進(jìn)行分析時(shí)，位移組合和荷載組合可以不相同。位移組合系數(shù)輸入方法與荷載組合完全相同。SAP84的荷載組合可理解為承載能力極限狀態(tài)對(duì)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(duì)應(yīng)的荷載組合。3.6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(jì)算公式為kmAm( A1 / 2A2 / 2)m(1 l1 / 21l2 / 2)k 接地彈簧剛度m 圍巖基床系數(shù)A 彈簧所覆圍