SAP2000:最新结构分析和设计方法-中文百科频道

简介

SAP2000程序是由Edwards Wilson创始的SAP(Structure Analysis Program)系列程序发展而来的，至今已经有许多版本面世。SAP2000(SAP90的替代品)是这些新一代程序中最新也是最成熟的产品。最新的SAP2000 Nonlinear版除了包括全部Plus的功能之外，再加上动力非线性时程反应分析和阻尼构材、减震器、Gap和Hook构材等材料特性，它主要适用于分析带有局部非线性的复杂结构(如基础隔震或上部结构单元的局部屈服)。

集成化的通用结构分析与设计软件自从三十年前SAP诞生以来，它已经成为最新分析方法的代名词。SAP2000保持了原有产品的传统，具有完善、直观和灵活的界面，为在交通运输、工业、公共事业、运动和其它领域工作的工程师提供无出其右的分析引擎和设计工具。

在SAP2000三维图形环境中提供了多种建模、分析和设计选项，且完全在一个集成的图形界面内实现。在今天的市场上SAP2000已经被证实是最具集成化、高效率和实用的通用结构软件。

在这个直观的界面里，你不需要进行长时间的学习，就可以很快地设计出直观的结构模型。您能够驾驭SAP2000去完成所有的分析与设计工作，包括日常碰到的小问题，利用内建强大的模板可以完成复杂的建模和网格划分。

每个人都可以使用SAP2000!每个项目都可以采用SAP2000！从简单的二维框架静力分析到复杂的三维非线性动力分析，SAP2000能为所有结构分析和设计提供了解决方案。

结构

集成化的通用结构分析与设计软件

SAP2000程序于1996年问世，它是SAP产品系列中第一个以Windows视窗为操作平台的程序，拥有强大的可视界面和方便的人机交互功能.在这个看似简单的界面中，可以完成模型的创建和修改、计算结果的分析和执行、结构设计的检查和优化以及计算结果的图表显示(包括时程反应的位移曲线、反应谱曲线、加速度曲线)和文本显示等等，从最简单的问题到最复杂的工程项目，都非常方便快捷。

特点

三维结构整体性能分析，空间建模方便，荷载计算功能完善，可从CAD等软件导入，文本输入输出功能完善。结构弹性静力及时程分析功能相当不错，效果高，后处理方便。不足之处在于弹塑性分析方面功能较弱，有塑性铰属性，非线性计算收敛性较差。提供二次开发接口。结构工程分析中常用的工具。

版本及适用范围

版本

SAP2000现有三个版本：基础版（B），增强版（P），高级版（A）巅峰版（U）。此外还有不同的附加模块比如：桥梁(BR)，波浪(OS)，阶段施工(SC)。通过特性后面括号内的字母来确定不同版本所带有的特征。

最新版本：16.1.0

支持的操作系统：Microsoft® Windows Vista, Microsoft® Windows 7 or Microsoft® Windows 8, 32- and 64-bit versions

不同版本分析

建模（A、P、B）

基于对象的图形界面

带自动网格划分的模型模板

框架、索和预应力锚索单元

带内部网格划分的面（壳）、实体对象

移动、合并、镜像、复制等编辑功能

通过辅助线和捕捉来精确定位

对不匹配壳单元网格的自动边束缚

对象生成的快速绘制选项

支持多个坐标系统

强大的成组和选择功能

自动生成规范相关的风荷载和地震荷载

面对象荷载传递到框架

分析

框架和壳对象的静力分析（A、P、B）

分析优化的多种求解器（A、P、B）

特征向量和Ritz向量的反应谱分析（A、P、B）

P-△分析（A、P、B）

包含刚性和隔板的节点束缚（A、P、B）

使用力或位移加载（A、P、B）

重力、压力和温度荷载（A、P、B）

在框架、面和实体对象中使用后张预应力（A、P、B）

分层壳单元（A、P、B）

平面、轴对称实体和实体对象（A、P）

动力时程分析，包括多点基底激励（A、P）

频域分析-功率谱密度（A、P）

移动荷载（A、P、BR）

轴向、弯曲、剪切和扭转行为的非线性框架塑性铰（A）

非线性静力Pushover推复分析（A）

粘滞阻尼器（A）

基础隔振器（A）

结构碰撞的间隙对象（A）

Wilson FNA和直接积分法的非线性时程分析（A）

显示

三维透视图形显示（A、P、B）

静力变形和模态形状（A、P、B）

用户自定义荷载和自动荷载显示（A、P、B）

模态动画（A、P、B）

内力图和应力云图（A、P、B）

模型输入输出的电子表格（A、P、B）

针对内力和应力的图形化截面切割定义（A、P、B）

OpenGL 视图（A、P、B）

分析工况树状显示（A、P、B）

位移和力时程记录的图形显示（A、P）

时程动画AVI文件（A、P）

车道荷载和影响面显示（A、P、BR）

非线性的力-变形图形（A）

设计（A、P、B）

钢框架设计：中国设计规范，及多地区和国际规范

混凝土框架设计：中国设计规范，及多国规范

AA规范的铝框架设计

AISI规范的冷轧钢框架设计

静力与动力荷载设计

构件截面选择与优化

桥梁设计模块（已从SAP2000V15.1.0/1中剔除－－CSIBridge）

利用方向和测站来定义桥梁轴线

带三维影响面的移动荷载

使用参数化模板来生成各种截面

中国桥梁设计规范，及AAHTO、LFD、LRFD规范

带后张预应力的直或弯的箱形梁设计

施工顺序模块（需要巅峰版）

施工顺序允许添加和删除对象/荷载/支撑

时间相关的徐变、收缩、龄期效应、钢筋松弛

显示带预应力模型的时间相关效应

近海/波浪模块（需要巅峰版）

波浪荷载生成器

API钢框架设计，带冲切校核

基于API准则的简化疲劳分析

适用范围

SAP2000是通用的结构分析设计软件，适用范围很广，主要适用于模型比较复杂的结构，如桥梁，体育场，大坝，海洋平台，工业建筑，发电站，输电塔，网架等结构形式，当然高层等民用建筑也能很方便的用SAP建模、分析和设计。在我国，SAP2000程序也在各高校和工程界得到了广泛的应用，尤其是航空航天、土木建筑、机械制造、船舶工业、兵器以及石油化工等许多部门都大量使用SAP2000程序。

主要功能

SAP2000具有极强的功能，如建模功能(二维模型、三维模型等)、编辑功能(增加模型、增减单元、复制删除等)、分析功能(时程分析、动力反应分析、push-over分析等)、荷载功能(节点荷载、杆件荷载、板荷载、温度荷载等)、自定义功能、以及设计功能等等。

这些功能的实现均是在同一个可视化界面中实现的，用户界面非常友好。它可以模拟大量的结构形式，包括房屋建筑、桥梁、水坝、油罐、地下结构等等。下面着重对其建模功能和分析功能作详细介绍。

先进的分析技术提供了：逐步大变形分析、多重P-Delta效应、特征向量和Ritz向量分析、索分析、单拉和单压分析、Buckling屈曲分析、爆炸分析、针对阻尼器、基础隔震和支承塑性的快速非线性分析、用能量方法进行侧移控制和分段施工分析等。

建模功能

SAP2000作为有限元结构分析程序，它的模板中提供了工程中常见的结构形式模型以及许多普通程序无法实现的复杂模型，如桥梁、拱坝、水箱和高层建构筑物等。它的建模界面非常友好，是基于视窗的图形化界面，在这个可视化界面中可以利用这些预设的模块库快速建立模型。一般在选定模型后，只需要将对应的一些数据改变一下，就可以在瞬间内建立用户所要的建筑模型，非常快捷方便。

在SAP2000中建模，实际结构单元用对象来体现，先定义出所使用的材料性质，如钢材(steel)、混凝土(concrete)和铝材(aluminum)，再在图形界面中画出对象的几何分布，然后指定荷载和属性到对象上建立实际构件模型。程序包含下列对象类型:点对象、线对象、面对象、实体对象。在各个SAP2000版本中，由于面向对象技术的出现，建模时无需像以前那样，把模型划分为足够细的单元进行分析，而只要给出结构的基本框架即可。

因为当运行SAP2000进行分析时，程序自动将建立的面对象的模型转换成基于有限元的模型。这种基于有限元的模型称为分析模型，它由传统的有限元单元和节点构成。在分析结束后把分析的结果又传回面向对象模型。用户可以控制网格划分，如细分的程度，以及如何处理相交单元的连接等。用户可以手工对模型进行网格划分来做到对象和单元的一一对应。

从以上可知，在SAP2000中建模的一般原则是，对象的几何特性应与实际构件相对应，这样可以简化模型并有利于设计过程。同时，图形界面中亦提供多种有效工具去建立模板中未给出的其它结构模型，甚至可利用内定基本模型及最佳设计去修正模型。

分析功能

SAP2000程序有别于其它一般结构有限元程序的最大特点就在于它的强大的分析功能。SAP2000中使用许多不同类型的分析，它基本上集成了现有结构分析中经常遇到方法，如时程分析、地震动输入、动力分析以及Push-over分析等等。另外还包括:静力分析、用特征向量或Ritz向量进行振动模式的模态分析、对地震反应的反应谱分析等等。这些不同类型的分析可在程序的同一次运行中进行，并把结果综合起来输出。

1.荷载工况及组合

荷载代表了对结构的作用，如外力、压力、支座位移、温度应力、地面加速度及其它。用户可以对对象定义包括多种荷载的荷载工况，程序自动计算出地面加速度荷载。为计算在荷载工况下结构的响应，用户必须定义荷载工况施加的方式(如:静力的、动力的等)以及结构的分析方式(如:线性的、非线性的等)。同一个荷载工况可以在不同的分析中以不同方式施加。用户可以任意的定义荷载工况。

一般情况下，常定义的荷载工况有静荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、温度荷载等。需要独立变化的工况，不管是用于分析或是因为施加方式，应该定义为独立的荷载工况。对定义的每个荷载工况，程序自动生成荷载向量r和静力位移u的解，每个荷载工况包括:①框架和(或)壳单元的自重荷载;②框架单元的集中或分布荷载:③壳单元上的均布荷载:④节点上的力和(或)地面位移荷载[69-70]。进行每一个不同的分析称为分析组合，作为分析组合的一部分，对每个分析组合分配一个量，这些标号可用于产生另外的组合和控制输出。分析组合的基本类型有:

·荷载组合或荷载(Load Case or Load)--荷载基本的空间分布，静力分析的对应结果;

·振型(Mode)--特征向量或Ritz-Vector，相应的频率，振动模态分析的结果;

·反应谱(Spec)--反应谱分析的基本结果。

2.静力线性分析

3.模态分析

用户可以任意多的定义模态分析工况，尽管大多数情况下一个工况已经足够。对于每一个模态分析工况，用户可以自行选择进行特征向量分析还是Ritz向量分析。

4.反应谱分析

SAP2000对于反应谱分析振型组合，给出了CQC法、SRSS法、ABS法、GMC法、10Pct法和Dbl Sum法等组合方法。我国2002新规范规定考虑结构藕联效应的情况，可采用CQC和SRSS两种结合方法。

5.线性时程分析

在SAP2000程序中，时程分析可以使用的积分方式为模态积分和直接积分。模态积分方式是以结构的模态分析结构为基础，通过结构不同模态的积分求解来得到结构总的响应值，在程序中如果选择使用模态积分求解，需要选择积分求解所基于的模态分析工况。如果结构需要考虑高阶振型的影响，就应该在模态分析工况中考虑更多的振型数目。直接积分方法本质是在一系列时间间隔范围内求解平衡方程。在SAP2000中时间积分方法的选择是通过其它参数区域时间积分参数的定义来完成的，提供了Newmark法、Wilson法、排列法、Hiber-Huges-Taytor法、和Chung and Hulbert法等方法可供选择。

6.高级分析功能

SAP2000在结构分析实践中可能会使用的较为深入的分析功能，这些功能包括结构的屈曲分析、静力非线性分析、动力非线性分析等。