第28章_工業(yè)建筑

1、第28章 工業(yè)建筑與一般民用公共建筑和住宅建筑相比，工業(yè)建筑所涉及的范圍更廣泛一些，從行業(yè)角度它包括石油、化工、鋼鐵和煤炭等等；從結構體系類型角度它包括了倉儲類、空間桁架類、大體積實體類、以及復雜組合類等多種類型結構體系。對于不同的行業(yè)環(huán)境和工藝的要求以及不同的結構體系類型，結構分析的側重點和需要解決的難點都不盡相同。本章從不同的行業(yè)出發(fā)，初步闡述了使用SAP2000解決相關行業(yè)結構分析所涉及的基本方法和技巧。28.1 工業(yè)建筑問題的一般概念闡述工業(yè)建筑的主要用途是輔助完成相關工業(yè)生產(chǎn)活動，因此對于不同領域的工業(yè)建筑其形態(tài)會存在比較大的差別，使用有限元程序進行分析設計時所主要面對的關鍵問題也不

2、同。使用SAP2000程序可以完成大部分工業(yè)建筑的分析設計，本節(jié)將就典型的工業(yè)結構對這方面問題進行相關闡述。28.1.1 廠房類結構工業(yè)建筑中，工業(yè)廠房是最常見的一類建筑形式，工業(yè)廠房可以為混凝土結構，也可以為鋼結構，其特征是一般跨度比較大，因此結構中可能采用大跨度屋架體系，也可能使用桁架梁體系或網(wǎng)架體系。這些結構體系類型都可以使用SAP2000進行分析和設計，但需要注意SAP2000不作節(jié)點設計。工業(yè)廠房根據(jù)所處的地理位置，一般需要考慮地震作用和風荷載作用，如果是有維護結構，可以考慮維護結構的風荷載作用。如果是開敞結構，則需要考慮開敞結構的風荷載作用，這時可以直接使用SAP2000進行開敞結

3、構風荷載施加，也可以將風荷載進行折算后直接施加在框架單元或節(jié)點位置。除此以外，工業(yè)廠房一般會存在吊車梁，并需要施加吊車荷載，SAP2000可以模擬施加吊車梁荷載，并完成吊車移動荷載的全面分析。有些工業(yè)廠房由于生產(chǎn)的需求可能會產(chǎn)生內(nèi)部空間，或內(nèi)部空間與外部空間較大的溫度差值，這時可能需要指定結構的溫度荷載或溫度梯度荷載。28.1.2 筒倉類結構筒倉類結構是工業(yè)建筑中另外一種非常常見的結構形式，它的功能主要是儲存大體積的液體（包括油、化學試劑、水等）、氣體（如天然氣）或粉末顆粒狀固體（比如糧食等）。這一類結構一般為混凝土或鋼結構的筒體，倉筒作用在一定強度的基礎上或框架支座上。在使用SAP2000處

4、理這一類結構時，首先需要注意其一般為軸對稱結構，因此可以使用程序相關建模技巧進行快速建模。其次，對于框架附屬部分可以使用框架單元來模擬，對于筒倉本身需要使用殼元去模擬，一般情況下這種結構體系不需要考慮殼面的平面外剪切變形，因此不需要使用厚殼單元，可以使用薄殼單元，并且單元需要進行一定細度的剖分，可以通過剖分的細度來控制計算精度和計算時間。筒倉類結構一般需要考慮地震作用和風荷載作用，需要考慮內(nèi)部液體或固體對結構側壁及底面的壓力，壓力根據(jù)性質可以分為自重下產(chǎn)生的壓力或氣體膨脹壓力，氣體膨脹壓力作用在每個位置的壓強值大致是相等的，而自重下產(chǎn)生的壓強則會隨著高度不同而發(fā)生變化。并且在必要的時候需要考慮

5、液體或固體的沖擊荷載作用，而對于一些特殊工業(yè)用途的倉儲結構則可能需要考慮溫度梯度荷載。28.1.3 高爐類結構高爐類結構是比較特殊的一類結構體系，一般情況下是出現(xiàn)在煉鋼廠。這一類結構一般也是由大體積的殼體組成的，多為一定壁厚的鋼結構殼，其與筒倉類結構不同，首先它的高度和體積一般比筒倉類結構更大，而且由于生產(chǎn)的需求一般殼壁不同的位置將會設置不同尺度的洞口，比如進風口、出鋼口等。因此這一類的結構的建模和分析會比筒倉類結構更加復雜。在高爐結構的有限元分析，對于殼壁上的洞口，根據(jù)洞口直徑的大小，有些比較小的洞口對于結構影響比較小，不會產(chǎn)生殼上的應力集中或應力變化，因此可以忽略。但是對于大的洞口，則會產(chǎn)

6、生較大的影響而不能忽略。高爐類結構需要考慮爐內(nèi)壓力荷載，而且不同的標高位置壓強可能是不同的。由于高爐工業(yè)生產(chǎn)的需求，爐內(nèi)空氣與爐外空氣一般會產(chǎn)生比較大的溫度差之，因此在爐體應力分析中一般需要考慮溫度梯度荷載，并且不同的標高位置溫度梯度可能是不同的。28.1.4 水池類結構水池類結構也是工業(yè)建筑中一種典型結構類型，并且不僅在工業(yè)建筑，一些民用建筑中也會涉及到水池類結構。水池結構一般模型比較簡單，但是結構分析相對來講比較復雜，特別是如果考慮結構和土體間的相互作用則分析會更加復雜。水池類結構根據(jù)體形一般分為圓型水池和方形水池，根據(jù)位置和受力狀態(tài)分為地下水池和地上水池，兩種情況存在著比較大的差異，地上

7、水池主要考慮池內(nèi)存不同體積的液體對于結構的分析和設計，而地下水池則需要考慮池內(nèi)充滿液體的情況，也需要考慮池內(nèi)為空時，土對于結構的壓力作用工況。除此以外，地下和地上水池都需要考慮土體對于水池池底的邊界約束條件，有時需要考慮地基的不均勻沉降。使用SAP2000可以處理以上所提到的兩種類型的水池，對于內(nèi)部液體的壓應力狀態(tài)和外部土體的壓應力狀態(tài)可以同時或分別進行考慮。當需要考慮土對于水池的邊界約束條件時，則可以將土模擬為彈簧單元，彈簧剛度使用土的剛度進行模擬，使用SAP2000中的彈簧單元進行考慮。28.1.5 石油化工類結構石油化工類結構是工業(yè)建筑中比較特殊的一類結構體系，在這一類結構體系中，工業(yè)設

8、備和建筑結構之間往往會比較復雜的組合在一起，從模型特征方面講設備模型與建筑結構部分的模型會有很大的區(qū)別，兩個部分的荷載屬性也會有很大的區(qū)別。除此以外，設備和結構相連接的部位往往是整個結構的關鍵部位，是否能夠真實模擬實際結構的連接屬性也是非常關鍵的問題。在石油、化工以及煤炭等工業(yè)設計院的結構設計中設備的體積和自重一般比較大，設備不同的幾何形狀和質量分布狀態(tài)決定了其自身的動力特性，因此在建筑結構設計過程中，是否能夠真實的考慮設備的動力屬性，并且真實考慮結構與設備的共同作用就顯得比較重要了。使用SAP2000可以對于這一類結構進行比較真實的處理。SAP2000程序可以通過相關功能分別建立設備部分和結

9、構部分的模型，并且可以通過很簡便的方法可以將二者組裝成整體模型。SAP2000對于結構進行分析時，能夠真實考慮結構體系不同類型的作用及相互結合，進行結構整體的有限元分析并輸出所需細節(jié)。28.1.6 核工業(yè)類結構核工業(yè)類結構是一類比較特殊的工業(yè)結構體系，但是隨著社會經(jīng)濟發(fā)展對于低污染能源的需求，并且隨著核電技術的不斷進步和成熟，這一類的工業(yè)結構的數(shù)量也在不斷的增加。核工業(yè)結構安全要求與一般的工業(yè)結構存在著比較大的差別，一般工業(yè)結構是允許結構在一定條件下結構構件發(fā)展到塑性狀態(tài)，但是核工業(yè)類結構是不允許的。一般的結構在正常使用狀態(tài)下是允許結構出現(xiàn)一定限度的裂縫的，但是這在核工業(yè)結構中，特別是反應爐主

10、體卻是絕對不允許的。核工業(yè)類結構對于配套設施可能需要使用相關單元進行分析和設計，但對于反應爐本身則是一個大體積的構件，一般是混凝土材料，需要使用實體元進行模擬，SAP2000程序提供了實體單元類型，可以完成核工業(yè)整體結構的分析設計。28.1.7 復雜幾何相交類結構工業(yè)結構中，有些結構可能并不是有一種幾何形式所構成的，這時即使使用程序的復制、拉伸等工具也是很難完成結構整體模型，特別是對于不同幾何體相交的結合部位，因此需要更復雜的過程或借助于其它工具來完成。常見的幾何相交結構中，有一部分是市政工程所需要的管類結構，這一類結構可以使用本書前面所提到的模板來快速生成一部分模型，包括一些常見的相交連接形

11、式和底部節(jié)點支承形式（見圖28-1）。另一部分為一些幾何維度較大的殼體工業(yè)設備結構，比如說鋼鐵企業(yè)所常見的爐體，由于工業(yè)生產(chǎn)的需求有可能需要進氣口、通風口、工業(yè)介質流出通道的開洞或引管，這時就需要使用柱面與結構主體部分進行相交得到連接部分的幾何模型。圖28-1 SAP2000提供的管道連接模板對于這一類結構體系的建模，如果具備模型細節(jié)的空間坐標數(shù)據(jù)時，可以使用SAP2000復制旋轉等功能得到兩個單獨幾何模型，然后使用SAP2000空間繪制功能，根據(jù)模型細節(jié)空間坐標數(shù)據(jù)，將模型一步一步繪制完成。但是建筑所提供的模型數(shù)據(jù)一般包含了兩種體系的幾何數(shù)據(jù)和位置關系，但是對于交線或交面數(shù)據(jù)卻很少直接提供，

12、因此這種方法雖然簡單直接，但是在實際工程中并不一定能夠實現(xiàn)。在SAP2000建立這一類模型，更多的是建議大家使用相關輔助工具來建立模型。首先可以使用工程師最熟悉的AutoCAD輔助來完成，AutoCAD可以使用相關幾何信息直接建立各種形式的幾何模型，并且使用幾何模型之間進行的布爾運算完成模型之間的組合工作，可以在模型中直接生成兩個幾何模型的交線或交面，并將其導入到SAP2000準確的模型位置，然后根據(jù)這些交線和交面的數(shù)據(jù)輔助完成模型的建立工作。SAP2000可以與其它有限元程序進行數(shù)據(jù)交換，比如IGES.igs、CIS/2 STEP、以及Frameworks Plus等等文件格式，關于這一方面

13、的細節(jié)問題，可以通過本書其它章節(jié)進行了解。SAP2000程序并沒有給出幾何體布爾運算的功能，但是對于專業(yè)的建模軟件，或者對于市政、管道類結構更專用的軟件一般是可以進行這一運算的，因此對于復雜幾何體的相交結構，可以借助于專業(yè)幾何建模軟件或其它專業(yè)軟件來完成模型的建立，并將模型數(shù)據(jù)轉化為通用結構數(shù)據(jù)，SAP2000程序就可以將該格式的模型數(shù)據(jù)讀入，并完成進一步的有限元分析。圖28-2給出的某鋼鐵行業(yè)的大型爐體工程的局部，我們可以看到不同的細節(jié)部分都涉及到幾何體相交問題。對于這一模型，我們就是使用Ansys進行了幾何建模并完成布爾運算后，將模型數(shù)據(jù)通過IGES.igs的格式導入到SAP2000中并完

14、成相關分析的。圖28-2 某爐體結構局部28.2 工業(yè)結構分析幾個關鍵問題的實現(xiàn)在使用SAP2000處理工業(yè)結構時，所碰到的問題從性質上講可能與民用結構是完全不同的，而且不同類型的工業(yè)結構需要考慮的關鍵問題也不同。本節(jié)將選擇幾種典型的工業(yè)結構，闡述使用SAP2000進行有限元分析時所需要重點處理的問題。28.2.1 廠房類結構吊車荷載的實現(xiàn)在廠房類結構設計中，對于模型建立和一般荷載作用下的結構分析不會存在太多問題，可以根據(jù)本書前面所談到的基本方法進行很好的解決，因此這里就不再多說了。本小節(jié)主要處理廠房中大家比較關心的吊車梁荷載在SAP2000程序中的實現(xiàn)。由于工廠生產(chǎn)的需要，廠房類結構中經(jīng)常會

15、存在吊車荷載，吊車荷載分為水平荷載和豎向荷載，水平荷載根據(jù)作用方向分為縱向水平荷載和橫向水平荷載。在使用SAP2000進行結構分析時，吊車水平荷載可以根據(jù)規(guī)范等效靜荷載方式施加到排架柱相應位置，而豎向荷載可以通過移動靜荷載進行施加。此處我們主要介紹通過橋梁輔助工具定義吊車豎向移動荷載的具體方法。吊車豎向荷載在SAP2000中是借助橋梁荷載方式來完成，吊車荷載與橋梁車輛荷載同屬于移動荷載，但一般情況下吊車荷載比車輛荷載簡單，定義吊車荷載需要的步驟如下：1定義吊車軌道車道的定義目的是定義移動荷載所作用的軌跡，定義吊車荷載時可以把它理解為定義小車軌道。定義車道時，將彈出如圖28-3對話框。圖28-3

16、 添加車道對話框在對話框中選擇“從框架添加已定義的新車道”定義車道，將彈出下圖28-4對話框。圖28-4 定義車道對話框在以上對話框中可以定義吊車荷載的移動軌跡，首先需要基于吊車梁框架編號確定吊車的基本移動軌跡，然后使用中心線偏移來定義吊車荷載的偏移布置（實際工程中一般不存在偏移，所以一般為0），對于吊車荷載車道寬度影響可以忽略不計，因此第三項車道寬度一般為0。2定義小車荷載通過定義車輛荷載來定義小車豎向荷載值，因為與橋梁設計不同，因此吊車荷載一般選擇使用添加一般車輛荷載進行添加，選擇此項添加車輛荷載時將彈出如下圖28-5對話框。圖28-5 定義車輛對話框可以通過上面對話框中輪軸荷載來定義移動

17、小車荷載，關于該對話框中各項的含義及使用在本書橋梁使用一章有詳細描述。3定義車輛類別限于橋梁荷載施加的使用要求，吊車荷載的實現(xiàn)需要定義車輛類別（圖28-6）。圖28-6 定義車輛類別對話框因為不存在橋梁規(guī)范所需要的多種車輛類別的定義，因此為了實現(xiàn)車輛荷載，只需要如上面對話框，選擇已經(jīng)定義好的吊車荷載的車輛名稱，將比例系數(shù)定義為1就可以了。4指定車輛反應分量在車道荷載定義完成之后，為了全面輸出吊車梁及其它結構對象的影響線，需要對框架指定車輛反應分量，具體過程是選擇需要輸出結果的框架梁，使用指定框架/索/鋼束荷載命令中車輛反應分量選項進行定義，此時將彈出圖28-7對話框。圖28-7 指定車輛反應分

18、量對話框在圖28-7中選擇需要指定的反應位置，然后點擊指定選擇覆蓋類型按鈕，將彈出圖28-8對話框，在該對話框中，可以對于結構單元的六種反應分量進行定義。圖28-8 車輛反應分量覆蓋項對話框每一項都可以選擇“Do Not Use”、“Use Positive Values”、“Use Negative Values”和“Use All Values”四項，分別表示“不進行輸出”、“輸出正值”、“輸出負值”和“輸出所有值”，可以根據(jù)需要選擇輸出的類型。5定義移動荷載分析工況上面的工作完成之后，最后為了在結構中實施移動荷載分析，需要在定義分析工況中添加定義移動荷載分析工況。也就是圖28-9所看到的

19、對話框，該對話框中各項定義方式和意義與橋梁模塊中是完全相同的，因此可以參閱本書相應章節(jié)。圖28-9 定義移動荷載分析工況對話框28.2.2 筒倉及高爐類結構建模技巧因為筒倉類結構一般都是軸對稱體系，因此使用SAP2000程序相應技巧可以大大提高建模的效率，這些技巧包括各種復制功能、低維度對象向高維度對象的擴展生成（包括節(jié)點拉伸成線、線拉伸成面）功能等。比如說下面圖28-10，我們可以先通過立面繪制出筒倉的剖面線，然后通過線拉伸成面的命令，通過旋轉拉伸形成筒倉的幾何模型，然后再使用截面定義命令將筒倉截面指定給結構模型。圖28-10 筒倉結構建模技巧示意圖如果工業(yè)設備本身已經(jīng)具備CAD或其它通用格

20、式的模型數(shù)據(jù)，也可以使用SAP2000對于數(shù)據(jù)共享情況來建立工業(yè)設備部分的模型。SAP2000程序可以導入DXF文件、CSI/2 STEP數(shù)據(jù)文件、IFC數(shù)據(jù)文件等模型文件格式。對于一般的筒倉類結構的厚度是均勻的，但是有些情況下厚度可能是不均勻的，此時厚度一般隨之標高的增加逐漸變小。因此這對于倉儲類結構模型也是一個難點，可以使用SAP2000程序中厚度覆蓋項的功能對厚度進行控制定義，當厚度隨坐標漸變時，也可以進行分析得到函數(shù)關系并使用程序節(jié)點樣式功能進行方便的定義。節(jié)點樣式的意義和定義方式參見本書其它章節(jié)的詳細說明，當基于殼厚度的節(jié)點樣式定義完成后，可以使用指定面厚度覆蓋項（殼）命令進行漸變厚

21、度的定義，此時將彈出如下圖28-11對話框。圖28-11 面厚度和節(jié)點樣式偏移指定對話框使用上面對話框選擇自定義厚度為節(jié)點樣式指定，并選擇已經(jīng)定義的節(jié)點樣式即可。如果厚度漸變使用節(jié)點樣式定義并不方便時，也可以使用殼單元四個角點控制，這時需要選擇自定義厚度由對象指定。28.2.3 水池類結構中壓力荷載及土體約束作用1自重產(chǎn)生的壓力荷載的定義方式水池類結構的水壓一般是自重下產(chǎn)生的壓強作用，并且壓強作用是一個關于水深的線性函數(shù)，同樣土體的壓力也是土的重度相關線性函數(shù)，因此水壓和土壓荷載使用一般靜荷載是很難準確施加的。在SAP2000中提供節(jié)點樣式函數(shù)定義方式，其意義是基于節(jié)點坐標定義一組函數(shù)關系，并

22、在相關結構對象屬性或荷載定義中使用相關函數(shù)。我們可以看圖28-12所示池壁所受地下水壓力荷載示意圖。 圖28-12 水池壁水壓力示意圖 圖28-13 節(jié)點樣式定義水壓力首先我們可以得到該荷載關于全局坐標Z軸的函數(shù)關系，然后使用SAP2000的節(jié)點樣式定義工具進行節(jié)點樣式的定義，對于上圖28-12中池壁土壓力所產(chǎn)生的壓強P=50-10*Z（全局坐標原點在池底位置，因此可以使用坐標節(jié)點樣式定義為如圖28-14的數(shù)據(jù)方式。圖28-14 節(jié)點樣式定義對話框（1）當然SAP2000對于這種由自重所引起的壓力作用，給出了更為直接的定義方式：圖28-15 節(jié)點樣式定義對話框（2）上面對話框中，Z坐標給出的是

23、壓力零點的標高，Wt給出的該壓力產(chǎn)生物質的密度值，Restriction給出了顯示值的范圍：使用全部數(shù)據(jù)、僅正值或僅負值。最后在壓力靜荷載定義位置使用該節(jié)點樣式定義靜荷載的變化屬性（如圖28-16）。圖28-16 表面壓力荷載定義對話框對話框中，可以通過面的名稱切換選擇受壓面的名稱，可以通過節(jié)點樣式乘數(shù)來控制最終壓力荷載的值，壓力值等于節(jié)點樣式的值乘以乘數(shù)值。2結構彈性土約束的模擬方式在一般建筑上部結構分析和設計過程中，可以假定地基對于結構施加的是一定位置的固定約束條件，我國規(guī)范也給出了建筑結構底部嵌固位置的確定方式，所以一般不需要考慮土和結構的相互作用。但是對于建筑結構的基礎設計，或一些工業(yè)

24、建筑結構，例如水池、壩體等結構形式，則經(jīng)常需要涉及結構與土體的相互作用問題。從真實的單元形式來講，土體是一種非常復雜的非線性單元形式，它的密度及重度不均勻并富含空隙、具有一定限度的塑性壓縮能力、壓縮過程中彈性模量不恒定等特有的屬性。因此真實的模擬土和結構相互作用是十分復雜的問題。在SAP2000中，基于目前的功能，可以使用線性彈簧或非線性（多線性連接單元）連接單元考慮。對于面對象彈簧以及非線性連接單元的定義方式，本書的其它章節(jié)中已經(jīng)涉及，這里就不在重復，一般情況，使用這些功能可以滿足一定精度的涉及到土體約束結構的有限元分析。3一個水池結構的算例此處給出一個無蓋水池的算例模型（圖28-17所示）

25、，該水池長28.6m。寬12.3m，長方向中間由池壁分隔為大小相等的兩個正方形部分，水池深6.15m，池壁頂部與室外地坪平齊，因此水池需要考慮土體側向壓力作用。圖28-17 水池算例模型對于該水池我們需要考慮兩個部分均注滿水的受力狀態(tài)；一個部分注滿水，而另一個部分空置時的受力狀態(tài)；以及兩個部分均沒有水時，水池在自重作用下及側向土壓力作用下受力狀態(tài)等幾個單獨工況。圖28-18分別給出了幾個單獨工況的變形圖。（a）恒載作用 （b）單池水壓作用（c）全池水壓作用 （b）土壓作用圖28-18 幾種工況下的變形圖圖28-19給出了水池在幾種荷載組合狀態(tài)下的最大正應力分布狀態(tài)：（a）恒載與土壓作用 （b）

26、單池水壓與土壓作用（c）全池水壓與土壓作用 （d）恒載、全池水壓與土壓作用圖28-19 幾種工況下的變形圖28.2.4 石化類結構建模技巧和細部處理石化類結構一般情況下是由建筑結構和工業(yè)設備兩種不同體系組成的，因此在使用SAP2000對其進行建模時，最好的方式是將兩種體系進行分塊建模。當然對于建筑結構部分使用常規(guī)的建模方式可以很方便的完成模型的建立，對于工業(yè)設備部分就需要使用SAP2000所提供的更復雜的建模方式，包括各種復制功能、低維度對象向高維度對象的擴展生成（包括節(jié)點拉伸成線、線拉伸成面）等。圖28-20 SAP2000中模型組裝需要注意在模型中，設備和建筑結構部分的連接部位的圓洞厚樓板

27、是很難直接使用SAP2000的繪制命令完成的，因為它涉及到局部異性樓板建模和剖分問題，如下圖28-21所示。圖28-21 樓板開洞部分模型對于這一部分模型，SAP2000提供了直接的模板輸入功能，可以使用編輯從模板中添加到模型命令來進行操作，這時將彈出新模型初始化對話框，選擇“管和板”結構體系，選擇異形開洞樓板進行插入即可。當兩個部分的模型建立好以后，可以使用程序導入模型功能將兩個模型組裝成為一個模型，一般情況下是將設備模型導入到建筑結構模型。在導入組裝時需要考慮兩個模型的單位制情況，導入時所使用的單位應該與被導入的模型初始單位一致。當然為了避免組裝時產(chǎn)生單位制問題，一般情況下最好兩部分模型使

28、用相同的初始單位制。在導入模型過程中還需要注意坐標關系，程序在默認情況下將把被導入模型的原點導入現(xiàn)有模型的原點，也就是保持兩個模型各個節(jié)點位置原有坐標。另外，程序還可以設置該原點導入到現(xiàn)有模型的指定坐標位置，通過這一坐標的設置就可以將設備模型一次性準確的導入到建筑模型準確的位置完成組裝。當然，根據(jù)習慣不同，也可以先將模型導入進來，然后再使用相關移動編輯命令移動到準確位置。模型組裝之后，還需要對設備與建筑結構之間的連接部位進行細部處理，因為一般情況下，設備的體積和自重一般都比較大，因此它與結構的連接部位往往是需要加強的，比如有時設備直接通過樓板與結構相連，會將局部的板厚加大很多，必要的時候會將臨

29、近的梁柱截面進行相關調(diào)整。一般情況下工業(yè)設備的高度會比較高，可能會穿過建筑結構若干樓層，有些時候設備和結構每一樓層之間會使用一些彈性連接，或使用具有一定減振作用的阻尼器相連。也存在設備與結構之間不做任何連接的情況，這時如果結構與設備之間有一定的預留變形空間，一般情況下可以不考慮結構之間的碰撞問題，如果預留空間比較小，并且結構和設備存在比較大的柔性變形，這時可能需要考慮結構與設備的碰撞問題。在SAP2000中，可以使用程序中提供的連接單元來模擬體系連接細節(jié)中的彈性連接、阻尼器連接、以及結構之間的碰撞連接。我們可以使用非線性Damper單元來模擬阻尼器單元，可以根據(jù)設備廠家提供的參數(shù)來控制阻尼的內(nèi)

30、部參數(shù)。在動力分析中，程序將真實的考慮阻尼器的耗能作用。對于碰撞模擬，我們使用的是縫隙單元的形式，當縫隙的寬度降為零以后，結構相關節(jié)點之間將發(fā)生接觸，單元內(nèi)部將產(chǎn)生壓力，并將壓力傳遞到結構構件和設備體系中。建筑結構和設備部分所作用的荷載一般情況會有較大的區(qū)別，建筑結構上會作用相關附加恒載、活載和其它荷載形式，而工業(yè)設備上一般作用內(nèi)部壓力荷載、溫度梯度荷載、以及保溫層、內(nèi)部構筑物等荷載形式。因此需要分別對建筑結構和工業(yè)設備施加所需要的不同類型的荷載形式。28.2.5 工業(yè)設備的常見荷載作用施加1內(nèi)部壓力荷載在工業(yè)設備中，經(jīng)常會碰到的一種荷載形式為壓力荷載，它是設備和管道中的液體或氣體由于自重或體

31、積膨脹趨勢而作用在側壁上的靜荷載。因此內(nèi)部壓力荷載也可以根據(jù)特征分成幾種形式，第一種是由于自重產(chǎn)生的壓力荷載，這種壓力類似于水池工程中的水壓荷載與結構系統(tǒng)全局坐標Z軸存在線性函數(shù)關系，因此可以使用相同的節(jié)點樣式方法進行施加；另一種是由于體積膨脹產(chǎn)生的壓力荷載，此時由于自重載整個壓強影響中非常小，因此可以忽略，可以認為系統(tǒng)中任意位置的壓強是相等的，因此可以直接使用均勻壓力靜荷載進行施加；還有一種壓力荷載是在設備中不同標高范圍內(nèi)壓強體現(xiàn)出不同的值，比如煉鋼高爐中由于爐體本身的高度是非常大的，在生產(chǎn)中不同高度范圍內(nèi)的氣體密度和溫度都不相同，因此在不同的標高范圍內(nèi)部壓力是不同的，此時可以通過分段指定的

32、方法在SAP2000中進行這一類壓力值的指定。2溫度及溫度梯度荷載溫度荷載和溫度梯度荷載是另外一種常見的工業(yè)荷載類型。在SAP2000中可以對于框架線單元、殼單元和實體單元指定溫度荷載和溫度梯度荷載（圖28-22）。（a）框架對象 （b）面對象圖28-22 溫度及溫度梯度荷載指定對話框我們可以對框架單元和殼面單元直接指定均勻溫度荷載，也可以使用節(jié)點樣式來控制結構不同位置不同的溫度荷載值，但此時框架單元截面內(nèi)兩個主軸方向、以及殼面單元中厚度方向（3軸）的溫度變化是均勻的，這也是在SAP2000中溫度荷載和溫度梯度荷載核心區(qū)別。當需要指定框架單元截面內(nèi)兩個主軸方向、以及殼面單元中厚度方向（3軸）的

33、溫度變化為不均勻時，所需要進行的就是溫度梯度荷載的指定。對于這兩種荷載最直觀的區(qū)別是溫度荷載指產(chǎn)生軸向（框架單元）或面內(nèi)（殼面單元）拉壓應力或變形，而溫度梯度荷載還可以產(chǎn)生結構彎曲變形或彎曲應力。也可以使用節(jié)點樣式指定不同位置結構對象某一方向的不同的溫度梯度值。圖28-23 實體對象溫度荷載指定對話框對于實體單元，因為它具有三個主軸方向真實的幾何維度尺寸，因此不需要溫度梯度來定義?？梢酝ㄟ^單元對于實體單元指定單元內(nèi)均勻的溫度荷載，也可以通過節(jié)點樣式來定義不同位置實體單元溫度變化值，從而得到結構不均勻溫度變化所產(chǎn)生的全部響應結果。3流體沖擊荷載有時候工業(yè)設備中需要考慮流體沖擊荷載，相對于流體壓力

34、靜荷載，需要考慮流體對于設備的動力沖擊作用。流體與一般的單元形式不同，在SAP2000中，沒有提供模擬流體的有限元單元形式，因此無法模擬流體在設備中流動以及與設備之間的動力相互作用。在使用SAP2000程序進行有限元分析時，需要考慮流體沖擊作用時，可以使用相關近似方法進行模擬。當流體對設備的沖擊作用動力特征比較明顯時，可以使用SAP2000時程作用及分析去模擬，此時需要知道沖擊作用的峰值及周期變換情況，當然一般使用正弦曲線和余弦曲線模擬就可以了。當不需要考慮沖擊的動力效應時，可以采用沖擊荷載放大系數(shù)的方法，也就是通過將靜力荷載放大一定的比例系數(shù)來考慮沖擊作用。4預應力荷載工業(yè)設備和廠房結構體系

35、中，還可能需要考慮預應力荷載形式，預應力作用施加的是通過結構中某些結構對象的預變形來實現(xiàn)的，其主要目的是控制結構在使用狀態(tài)變形響應。對于預應力作用可能帶來結構對象的預變形可能是軸向變形、也可能是剪切變形或彎曲變形，這些在SAP2000程序中都可以進行模擬。（a）框架對象 （b）面對象圖28-24 應變荷載指定對話框在SAP2000中，可以對結構對象（框架單元、殼面單元和實體元）施加應變作用，這一應變作用可以真實直接的模擬結構預應力荷載作用。對于框架可以考慮主軸方向的主應變和主軸與兩個次軸方向的剪切應變和三個方向的彎曲應變。對于殼面單元，可以考慮面內(nèi)兩個方向的主應變、面內(nèi)剪切應變；面內(nèi)兩個方向的

36、彎曲應變、兩個主軸耦合彎曲應變；以及平面外兩個主軸方向的剪切應變。對于實體單元，可以考慮三個主軸方向的主應變和三個主軸之間的剪切應變。圖28-25 實體對象應變荷載指定對話框28.2.6 系統(tǒng)總體分析及結果評價在SAP2000中完成的是整個結構系統(tǒng)的綜合分析，相比較民用建筑，這一點在工業(yè)建筑的有限元分析中尤為重要，因為在工業(yè)建筑往往會出現(xiàn)設備與一般類結構體系組成復雜系統(tǒng)的情況，特別是對于上面所提到的石化類結構。目前在相關領域的工業(yè)設計中，往往建筑結構的設計與設備的設計是在不同的部門完成的，一般土建室負責建筑結構的模型處理和分析設計，而工藝室完成設備的模型及分析和設計，因此工藝室除了對于相關工藝

37、的設計外，還承擔了設備體系安全度方面的分析和設計。在整個結構系統(tǒng)的設計過程中，工藝完成設備的設計并將相關設備作用荷載提交給土建室，土建室基于已有建筑結構模型，將設備等效荷載直接作用于結構相關連接部位，然后完成建筑結構部分的分析和設計。從上面的工作流程可以看出，工業(yè)設備的設計并沒有考慮結構為其提供的實際邊界條件的情況，而建筑結構的設計也沒有考慮設備對于建筑結構動態(tài)響應的影響。唯一聯(lián)系二者的交互信息是設備的等效荷載，而這一等效荷載往往是基于設備與結構連接部位的剛性約束得到的，因此這一等效荷載很難給出一個精確的結果。整個分析過程忽視了結構與設備整體協(xié)調(diào)變形，并且實際上工業(yè)設備質量和剛度分布一般比較復

38、雜，其對于建筑結構動力特性的影響是非常大的，因此在這種分塊進行處理的方式中，很難得到設備和結構的真實精確的分析結果。在使用SAP2000程序對于工業(yè)系統(tǒng)進行分析時，從前面內(nèi)容已經(jīng)看到可以對于這類復雜結構體系進行整體建模和細部處理。對于整個結構的有限元分析，SAP2000所完成的是整個結構系統(tǒng)的有限元分析，分析中考慮結構和設備直接完整的靜力和動力相互作用，因此是更真實準確的分析方法。28.3 工業(yè)結構算例分析工業(yè)結構的類型比較多，本章前面給出了一些類型工業(yè)結構使用SAP2000程序的問題解決，由于篇幅所限，結合我們所談到問題，本節(jié)我們給出了兩種類型的工業(yè)結構算例，供讀者參考。28.3.1 筒倉類

39、結構算例本節(jié)首先給出了一個筒倉類結構模型的算例，該結構主體為三個相同形狀的儲液罐，其直徑為5m，高為9.2m，壁厚0.3m，罐底厚度為0.8m。儲液罐坐落于單層混凝土框架上，框架高4.5m，雙向跨度5.8m，支撐板與罐底厚度相同為0.8m。圖28-26 模型算例三維圖1模型處理對于該倉儲結構，框架部分可以使用SAP2000平面和三維建模方式進行建立，罐體部分可以使用本章前面所給出的技巧使用線旋轉拉伸成面進行方便的建立。比較復雜的部分是支撐樓板位置，因為樓板是矩形的，但是它的剖分要考慮與圓型罐體的單元節(jié)點連接，如果直接使用矩形樓板剖分是很難實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)這一點可以使用SAP2000編輯命令中使

40、用從模板中添加模型功能，選擇“管和板”模板，將帶有圓洞的矩形板和圓形板（圖28-27）進行組合。圖28-27 模型底板開洞及罐體底板示意圖需要注意圓洞和圓板的R選擇為罐體的半徑2.5m，兩個部分進行適當?shù)钠史郑缓蠼M合形成如圖28-28的厚板模型。圖28-28 模型模型底板及剖分示意圖我們可以看到圓板與圓洞的邊界部分大部分節(jié)點并沒有匹配，因此需要使用程序中面單元的自動線約束功能，以保證有限元分析中面單元節(jié)點的連續(xù)性。2荷載施加本算例考慮了以下荷載作用：（1）地震作用：地震烈度8度，最大影響系數(shù)為0.16；場地特征周期0.4s。（2）風荷載作用：地面粗糙度B類，基本風壓0.45kN/m2（3）內(nèi)

41、部液體的壓力荷載，內(nèi)部液體重度為10kN/m3（4）溫度梯度：考慮罐體內(nèi)部與外部溫差為50度圖28-29模型液體內(nèi)部壓力底板部分定義需要注意的是對于該結構，地震和風荷載作用需要考慮結構罐體充滿液體和完全空置兩種狀態(tài)，不考慮罐內(nèi)液體流動的減震效果。由于結構是柱面體系，并且結構沒有明顯的剛性隔板，因此風荷載考慮使用面對象進行施加，體型系數(shù)使用如圖28-30所示的值。圖28-30 模型風荷載體形系數(shù)定義示意圖3、分析結果（1）模態(tài)分析對于該結構的模態(tài)分析，我們使用兩個模型考慮了兩種情況（罐體中充滿液體和空置）兩種極端狀態(tài)的模態(tài)分析。表28-1給出的是兩種情況下結構前十二個振型的模態(tài)基本信息。表28-

42、1 兩種情況的模態(tài)信息振型序號充滿液體時空置時周期（s）周期（s）10.2718030.06332820.2484330.05520330.2454030.0546940.2305490.05102350.2273350.04854560.2216260.04724370.0915230.03213580.0905130.03077290.0846410.028916100.0844140.021357110.0839570.020323120.0834050.019668從表中我們可以看到由于罐體內(nèi)是否存在液體，對于結構的自重影響是非常大的，因此對于模態(tài)周期的結果，兩種模型的自振周期相差是非

43、常大的，每個振型周期基本相差了45倍，由此帶來結構地震作用的影響是不容忽視的。雖然兩種情況下結構的振型周期相差是比較大的，但是因為結構體系比較簡單，無論是否充滿液體，結構的質量都是集中在上部罐體部分，因此結構的振型形狀是比較相近的。圖28-31給出了結構在罐體空置狀態(tài)下前四個振型的振型變形圖。圖28-31 算例前四階振型變形圖（2）地震作用下結構效應同樣對于地震作用效應我們也考慮了儲液罐中充滿液體和空置兩種狀態(tài)，為了綜合的比較分析結果，我們給出了框架部分（包括斜撐）的地震作用效應和罐體以及底部承臺板的應力狀態(tài)。表28-2 框架部分地震作用效應項目X方向剪力Y方向剪力X方向傾覆力矩Y方向傾覆力矩

44、充滿液體8752.089762.867853.6711367.42空置時715.93809.69638.32928.21從框架部分的地震作用效應可以看出，結構在兩種狀態(tài)下的地震作用相差是巨大的，考慮液體充滿時地震作用下的剪力和傾覆力矩比空置時大了十倍以上。這主要是來源于兩個方面，一個方面是由于前面我們所看到兩種結構的模態(tài)分析結果差異，兩種情況下的第一振型周期都沒有超過場地特征周期Tg=0.4s，并且在空置狀態(tài)下結構的第一周期只有0.06s，小于0.1s，因此根據(jù)我國規(guī)范反應譜曲線的信息，可以知道兩種狀態(tài)下結構的地震影響系數(shù)存在比較大的差異，而且是充滿液體狀態(tài)比空置狀態(tài)大。另外在充滿液體時結構的

45、質量也遠遠大于空置時的質量（在程序中使用的是附加質量來考慮的），因此這也導致了地震作用的差異。（a）第一種情況 （b）第二種情況圖28-32 算例水平雙向地震作用下最大主應力圖從上圖28-32給出的結構兩種狀態(tài)罐體和承臺板的應力狀態(tài)可以看出，兩種狀態(tài)的應力差值相差是比較大的，而且從結構整體來看，結構罐體部分應力相對是比較小的，而極值主要發(fā)生在承臺板部位，因此我們單獨將底板提出來進行了相關比較分析。第一種情況底部承臺板的應力狀態(tài)（圖28-33）：（a）S11 （b）S22（c）S13 （d）S23圖28-33 模型1地震作用下底板正應力和剪應力圖第二種情況底部承臺板的應力狀態(tài)（圖28-34）：（

46、a）S11 （b）S22（c）S13 （d）S23圖28-34 模型2地震作用下底板正應力和剪應力圖從上面圖28-33和圖28-34可以看出在兩種情況下，水平地震作用下承臺板應力分布特征是相似的，正應力極值主要出現(xiàn)在罐體和承臺板相交的圓環(huán)范圍內(nèi)，并且是在罐體底板范圍以外，而剪應力主要發(fā)生在承臺板罐體與框架梁之間，二者距離越短的位置剪應力越大，這也是符合這一結構的基本特征的。雖然分布特征相似，但是兩種狀態(tài)下，兩個方向正應力和兩個方向的剪應力絕對值相差卻是比較大的，相同的位置兩種狀態(tài)下的應力值相差在45倍之間，應力極值相差為5倍作用，與框架部分的效應相同，罐體充滿液體的時候應力值要大，原因與我們前

47、面所描述的相同。對于此算例結構體系地震作用分析，從動力學角度講，在一定的地震頻率作用下，罐體內(nèi)部液體可能會發(fā)揮減震的效果，因此可能反而會對結構抗震更有利，這在一些其它專業(yè)文獻中也有關討論。這種作用的發(fā)揮取決于液體自振周期與地震作用周期的擬和程度，而液體的自振周期與液體的深度有關，因此從結構最不利條件設計角度出發(fā)，并不應該考慮這一作用。此外，液體充滿整個罐體時是對結構最不利的狀態(tài)，而這時液體的流動自振將受到限制而很難發(fā)揮作用，因此在本算例計算分析時沒有考慮這一作用。（3）風荷載作用下結構效應對于該結構由于罐體的高度比較高，而且罐體直徑比較大，迎風面積較大，因此需要對風荷載作用下的效應進行考慮。由

48、于結構的對稱性，我們只考慮X方向風荷載作用，圖28-35給出了結構在風荷載作用下的變形圖。圖28-35 模型X方向風荷載作用變形圖圖28-36給出了結構在風荷載作用下南立面框架柱彎矩圖，另一個立面框架柱彎矩與此相同。從圖中可以看到，風荷載作用下框架部分的彎矩是比較小的，特別是與地震作用下結構的效應相比，風荷載幾乎是可以忽略的。圖28-36 X風荷載作用下框架柱彎矩圖圖28-37給出了結構在風荷載作用下的正應力和剪應力分布狀態(tài)，罐體和承臺板的正應力和剪應力都比較小，正應力極值沒有超過0.1MPa，剪應力極值沒有超過0.01MPa，因此不起控制作用。圖28-37 X風荷載作用下結構應力圖從風荷載的

49、分析結果可以看出，相對于比較大的地震作用荷載和水壓力荷載，風荷載的作用效應是比較小的。因此風荷載在這一結構的設計中不起控制作用。（4）水壓力作用下結構效應在罐體內(nèi)儲存一定的液體時，將產(chǎn)生對結構體系、特別是罐體和承臺板較大的液體壓力作用，而且這一壓力作用隨著液體量的增加而增大，因此這里我們給出了罐體內(nèi)充滿液體的壓力作用結果。（a） 罐體空置時框架柱軸力圖（b） 罐體充滿液體時框架柱軸力圖圖28-38 自重及液體壓力作用下框架柱軸力圖圖28-38給出了南立面框架柱在罐體空置狀態(tài)下（恒載作用下）和充滿液體狀態(tài)下（恒載+靜水壓力作用）軸力值，可以看出由于液體壓力作用使框架柱的軸力平均增加了百分之五十以

50、上，當然對于框架部分的設計，可以考慮上部附加恒載來考慮液體的自重作用，但是在SAP2000程序中可以通過節(jié)點樣式施加真實的液體壓力狀態(tài)，通過液體壓力可以真實的反映液體自重對于下部框架部分的內(nèi)力影響。下圖28-39給出了罐體和承臺板部分殼體在靜水壓力作用下的最大正應力作用和最大剪應力作用：圖28-39液體壓力作用下結構最大正應力和剪應力圖由于罐體本身是軸對稱體系，因此在靜水壓力帶來的罐體部分的剪應力是比較小的，極值發(fā)生在罐體底部，為0.15MPa；而正應力發(fā)生在底部四分之一高度位置，因為底板的約束作用并非發(fā)生在底板連接部位，極值為0.67MPa。而相對而言底板的正應力和剪應力相對是比較大的。因此

51、此處單獨輸出了承臺板在靜水壓力和恒載綜合靜力作用下的應力分布狀態(tài)。第一種情況底部承臺板的應力狀態(tài)（a）SMAX-頂面 （b）SMAX-底面（c）SMAXV-頂面 （d）SMAXV-底面圖28-40 靜荷載作用下結構底板應力圖圖28-40（a）和（b）給出了靜載作用下的承臺板上下表面正應力分布狀態(tài)，上表面罐體范圍內(nèi)為壓應力，極值在-0.6MPa左右，罐體與框架梁之間為拉應力，極值在1.8MPa；下表面罐體范圍內(nèi)為拉應力，極值在0.9MPa左右，罐體與框架梁之間為壓應力，極值在-0.4MPa。圖（c）和（d）給出了靜載作用下承臺板的剪應力分布狀態(tài)，為了對比結果同時輸出了單獨恒載作用下剪應力的分布狀

52、態(tài)，可以看出兩者的應力分布狀態(tài)是相近的，極值出現(xiàn)在罐體與框架梁之間的部位，但是絕對值相差較大，單獨恒載作用下剪應力極值為0.29MPa；恒載與水壓力荷載作用下剪應力極值為0.56MPa，大致差了一倍左右。28.3.2 石化類結構算例為了能夠說明SAP2000對石化類工業(yè)結構的處理，我們給出如下某工程算例，該工程為化工類建筑，由框架結構和工業(yè)設備組成。框架部分高78.38m，共十一層，其中底部三層為混凝土結構，四層以上為鋼結構。設備總高為45m，由鋼殼體組成，壁厚12mm16mm不等，內(nèi)部有附加恒載作用，考慮附加恒載的設備部分總重量為3540kN。設備通過局部厚板作用于三層混凝土框架上，圖28-

53、41中（a）為框架部分三維模型；（b）為設備部分的三維模型；（c）給出了結構體系三維模型。（a）框架部分模型 （b）設備部分模型 （c）組合后算例模型圖28-41 石化類結構算例模型三維圖1建模及模型組裝對于此模型，使用我們前面所描述的分塊建模然后組裝的方法?？蚣懿糠直容^簡單，可以直接在程序的三維建?？臻g來完成，設備部分相對比較復雜，需要注意直徑的變化和連接部位的處理。當兩個部分的模型建好以后，可以使用程序將兩個模型組裝成為一個模型，一般情況下是將設備模型導入到建筑結構模型。2結構及設備連接部位處理及分析算例中，設備直接通過樓板與結構相連，局部的板厚進行了加大，如圖28-42，該部分局部板厚為

54、1.2m。圖28-42 連接厚板局部模型與算例中模型相似，工業(yè)設備的高度可能會比較高，穿過建筑結構若干樓層，設備與結構之間在大部分樓層位置不做任何連接的情況，結構與設備之間有一定的預留變形空間可以不考慮結構之間的碰撞問題。圖28-43 設備穿越樓板部分局部模型但由于設備本身質量分布存在嚴重的偏心，因此在懸挑部位中間部位使用雙向兩拉桿與框架梁相連（如圖28-44所示），拉桿兩端為鉸接。并且在該標高位置使用恒力桿與結構相連，根據(jù)恒力桿的特性在模型中直接使用荷載進行模擬（如圖28-44所示）。 圖28-44組合結構體系細部處理3結構及設備作用的分別定義本算例考慮了以下荷載作用：（1）地震作用：地震烈

55、度8度，最大影響系數(shù)為0.16；考慮豎向地震作用（2）風荷載作用：場地類別為B類，基本風壓0.45kN/m2（3）設備內(nèi)部壓力荷載，內(nèi)部液體重度為10kN/m3（4）設備部分溫度梯度荷載：考慮設備內(nèi)部與外部溫差為50度4分析及結果討論結構體系相關作用定義完成之后，可以進行結構體系的整體分析。為了綜合比較傳統(tǒng)等效荷載方法和SAP2000整體分析方法的結果差異，在本算例中我們使用SAP2000進行三種模型的分析：考慮設備等效荷載的傳統(tǒng)方法（簡稱M1）、設備部分單獨分析設計的模型（簡稱M2）和整體體系綜合分析模型（M3）。在本算例中，我們比較了模態(tài)分析結果，以及水平地震作用和豎向地震作用結果，因為風荷載對于該結構不起控制作用，并且風荷載