SAP2000:最新結構分析和設計方法-中文百科頻道

簡介

SAP2000程序是由Edwards Wilson創始的SAP(Structure Analysis Program)系列程序發展而來的，至今已經有許多版本面世。SAP2000(SAP90的替代品)是這些新一代程序中最新也是最成熟的産品。最新的SAP2000 Nonlinear版除了包括全部Plus的功能之外，再加上動力非線性時程反應分析和阻尼構材、減震器、Gap和Hook構材等材料特性，它主要适用于分析帶有局部非線性的複雜結構(如基礎隔震或上部結構單元的局部屈服)。

集成化的通用結構分析與設計軟件自從三十年前SAP誕生以來，它已經成為最新分析方法的代名詞。SAP2000保持了原有産品的傳統，具有完善、直觀和靈活的界面，為在交通運輸、工業、公共事業、運動和其它領域工作的工程師提供無出其右的分析引擎和設計工具。

在SAP2000三維圖形環境中提供了多種建模、分析和設計選項，且完全在一個集成的圖形界面内實現。在今天的市場上SAP2000已經被證實是最具集成化、高效率和實用的通用結構軟件。

在這個直觀的界面裡，你不需要進行長時間的學習，就可以很快地設計出直觀的結構模型。您能夠駕馭SAP2000去完成所有的分析與設計工作，包括日常碰到的小問題，利用内建強大的模闆可以完成複雜的建模和網格劃分。

每個人都可以使用SAP2000!每個項目都可以采用SAP2000！從簡單的二維框架靜力分析到複雜的三維非線性動力分析，SAP2000能為所有結構分析和設計提供了解決方案。

結構

集成化的通用結構分析與設計軟件

SAP2000程序于1996年問世，它是SAP産品系列中第一個以Windows視窗為操作平台的程序，擁有強大的可視界面和方便的人機交互功能.在這個看似簡單的界面中，可以完成模型的創建和修改、計算結果的分析和執行、結構設計的檢查和優化以及計算結果的圖表顯示(包括時程反應的位移曲線、反應譜曲線、加速度曲線)和文本顯示等等，從最簡單的問題到最複雜的工程項目，都非常方便快捷。

特點

三維結構整體性能分析，空間建模方便，荷載計算功能完善，可從CAD等軟件導入，文本輸入輸出功能完善。結構彈性靜力及時程分析功能相當不錯，效果高，後處理方便。不足之處在于彈塑性分析方面功能較弱，有塑性鉸屬性，非線性計算收斂性較差。提供二次開發接口。結構工程分析中常用的工具。

版本及适用範圍

版本

SAP2000現有三個版本：基礎版（B），增強版（P），高級版（A）巅峰版（U）。此外還有不同的附加模塊比如：橋梁(BR)，波浪(OS)，階段施工(SC)。通過特性後面括号内的字母來确定不同版本所帶有的特征。

最新版本：16.1.0

支持的操作系統：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）

基于對象的圖形界面

帶自動網格劃分的模型模闆

框架、索和預應力錨索單元

帶内部網格劃分的面（殼）、實體對象

移動、合并、鏡像、複制等編輯功能

通過輔助線和捕捉來精确定位

對不匹配殼單元網格的自動邊束縛

對象生成的快速繪制選項

支持多個坐标系統

強大的成組和選擇功能

自動生成規範相關的風荷載和地震荷載

面對象荷載傳遞到框架

分析

框架和殼對象的靜力分析（A、P、B）

分析優化的多種求解器（A、P、B）

特征向量和Ritz向量的反應譜分析（A、P、B）

P-△分析（A、P、B）

包含剛性和隔闆的節點束縛（A、P、B）

使用力或位移加載（A、P、B）

重力、壓力和溫度荷載（A、P、B）

在框架、面和實體對象中使用後張預應力（A、P、B）

分層殼單元（A、P、B）

平面、軸對稱實體和實體對象（A、P）

動力時程分析，包括多點基底激勵（A、P）

頻域分析-功率譜密度（A、P）

移動荷載（A、P、BR）

軸向、彎曲、剪切和扭轉行為的非線性框架塑性鉸（A）

非線性靜力Pushover推複分析（A）

粘滞阻尼器（A）

基礎隔振器（A）

結構碰撞的間隙對象（A）

Wilson FNA和直接積分法的非線性時程分析（A）

顯示

三維透視圖形顯示（A、P、B）

靜力變形和模态形狀（A、P、B）

用戶自定義荷載和自動荷載顯示（A、P、B）

模态動畫（A、P、B）

内力圖和應力雲圖（A、P、B）

模型輸入輸出的電子表格（A、P、B）

針對内力和應力的圖形化截面切割定義（A、P、B）

OpenGL 視圖（A、P、B）

分析工況樹狀顯示（A、P、B）

位移和力時程記錄的圖形顯示（A、P）

時程動畫AVI文件（A、P）

車道荷載和影響面顯示（A、P、BR）

非線性的力-變形圖形（A）

設計（A、P、B）

鋼框架設計：中國設計規範，及多地區和國際規範

混凝土框架設計：中國設計規範，及多國規範

AA規範的鋁框架設計

AISI規範的冷軋鋼框架設計

靜力與動力荷載設計

構件截面選擇與優化

橋梁設計模塊（已從SAP2000V15.1.0/1中剔除－－CSIBridge）

利用方向和測站來定義橋梁軸線

帶三維影響面的移動荷載

使用參數化模闆來生成各種截面

中國橋梁設計規範，及AAHTO、LFD、LRFD規範

帶後張預應力的直或彎的箱形梁設計

施工順序模塊（需要巅峰版）

施工順序允許添加和删除對象/荷載/支撐

時間相關的徐變、收縮、齡期效應、鋼筋松弛

顯示帶預應力模型的時間相關效應

近海/波浪模塊（需要巅峰版）

波浪荷載生成器

API鋼框架設計，帶沖切校核

基于API準則的簡化疲勞分析

适用範圍

SAP2000是通用的結構分析設計軟件，适用範圍很廣，主要适用于模型比較複雜的結構，如橋梁，體育場，大壩，海洋平台，工業建築，發電站，輸電塔，網架等結構形式，當然高層等民用建築也能很方便的用SAP建模、分析和設計。在我國，SAP2000程序也在各高校和工程界得到了廣泛的應用，尤其是航空航天、土木建築、機械制造、船舶工業、兵器以及石油化工等許多部門都大量使用SAP2000程序。

主要功能

SAP2000具有極強的功能，如建模功能(二維模型、三維模型等)、編輯功能(增加模型、增減單元、複制删除等)、分析功能(時程分析、動力反應分析、push-over分析等)、荷載功能(節點荷載、杆件荷載、闆荷載、溫度荷載等)、自定義功能、以及設計功能等等。

這些功能的實現均是在同一個可視化界面中實現的，用戶界面非常友好。它可以模拟大量的結構形式，包括房屋建築、橋梁、水壩、油罐、地下結構等等。下面着重對其建模功能和分析功能作詳細介紹。

先進的分析技術提供了：逐步大變形分析、多重P-Delta效應、特征向量和Ritz向量分析、索分析、單拉和單壓分析、Buckling屈曲分析、爆炸分析、針對阻尼器、基礎隔震和支承塑性的快速非線性分析、用能量方法進行側移控制和分段施工分析等。

建模功能

SAP2000作為有限元結構分析程序，它的模闆中提供了工程中常見的結構形式模型以及許多普通程序無法實現的複雜模型，如橋梁、拱壩、水箱和高層建構築物等。它的建模界面非常友好，是基于視窗的圖形化界面，在這個可視化界面中可以利用這些預設的模塊庫快速建立模型。一般在選定模型後，隻需要将對應的一些數據改變一下，就可以在瞬間内建立用戶所要的建築模型，非常快捷方便。

在SAP2000中建模，實際結構單元用對象來體現，先定義出所使用的材料性質，如鋼材(steel)、混凝土(concrete)和鋁材(aluminum)，再在圖形界面中畫出對象的幾何分布，然後指定荷載和屬性到對象上建立實際構件模型。程序包含下列對象類型:點對象、線對象、面對象、實體對象。在各個SAP2000版本中，由于面向對象技術的出現，建模時無需像以前那樣，把模型劃分為足夠細的單元進行分析，而隻要給出結構的基本框架即可。

因為當運行SAP2000進行分析時，程序自動将建立的面對象的模型轉換成基于有限元的模型。這種基于有限元的模型稱為分析模型，它由傳統的有限元單元和節點構成。在分析結束後把分析的結果又傳回面向對象模型。用戶可以控制網格劃分，如細分的程度，以及如何處理相交單元的連接等。用戶可以手工對模型進行網格劃分來做到對象和單元的一一對應。

從以上可知，在SAP2000中建模的一般原則是，對象的幾何特性應與實際構件相對應，這樣可以簡化模型并有利于設計過程。同時，圖形界面中亦提供多種有效工具去建立模闆中未給出的其它結構模型，甚至可利用内定基本模型及最佳設計去修正模型。

分析功能

SAP2000程序有别于其它一般結構有限元程序的最大特點就在于它的強大的分析功能。SAP2000中使用許多不同類型的分析，它基本上集成了現有結構分析中經常遇到方法，如時程分析、地震動輸入、動力分析以及Push-over分析等等。另外還包括:靜力分析、用特征向量或Ritz向量進行振動模式的模态分析、對地震反應的反應譜分析等等。這些不同類型的分析可在程序的同一次運行中進行，并把結果綜合起來輸出。

1.荷載工況及組合

荷載代表了對結構的作用，如外力、壓力、支座位移、溫度應力、地面加速度及其它。用戶可以對對象定義包括多種荷載的荷載工況，程序自動計算出地面加速度荷載。為計算在荷載工況下結構的響應，用戶必須定義荷載工況施加的方式(如:靜力的、動力的等)以及結構的分析方式(如:線性的、非線性的等)。同一個荷載工況可以在不同的分析中以不同方式施加。用戶可以任意的定義荷載工況。

一般情況下，常定義的荷載工況有靜荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、溫度荷載等。需要獨立變化的工況，不管是用于分析或是因為施加方式，應該定義為獨立的荷載工況。對定義的每個荷載工況，程序自動生成荷載向量r和靜力位移u的解，每個荷載工況包括:①框架和(或)殼單元的自重荷載;②框架單元的集中或分布荷載:③殼單元上的均布荷載:④節點上的力和(或)地面位移荷載[69-70]。進行每一個不同的分析稱為分析組合，作為分析組合的一部分，對每個分析組合分配一個量，這些标号可用于産生另外的組合和控制輸出。分析組合的基本類型有:

·荷載組合或荷載(Load Case or Load)--荷載基本的空間分布，靜力分析的對應結果;

·振型(Mode)--特征向量或Ritz-Vector，相應的頻率，振動模态分析的結果;

·反應譜(Spec)--反應譜分析的基本結果。

2.靜力線性分析

3.模态分析

用戶可以任意多的定義模态分析工況，盡管大多數情況下一個工況已經足夠。對于每一個模态分析工況，用戶可以自行選擇進行特征向量分析還是Ritz向量分析。

4.反應譜分析

SAP2000對于反應譜分析振型組合，給出了CQC法、SRSS法、ABS法、GMC法、10Pct法和Dbl Sum法等組合方法。我國2002新規範規定考慮結構藕聯效應的情況，可采用CQC和SRSS兩種結合方法。

5.線性時程分析

在SAP2000程序中，時程分析可以使用的積分方式為模态積分和直接積分。模态積分方式是以結構的模态分析結構為基礎，通過結構不同模态的積分求解來得到結構總的響應值，在程序中如果選擇使用模态積分求解，需要選擇積分求解所基于的模态分析工況。如果結構需要考慮高階振型的影響，就應該在模态分析工況中考慮更多的振型數目。直接積分方法本質是在一系列時間間隔範圍内求解平衡方程。在SAP2000中時間積分方法的選擇是通過其它參數區域時間積分參數的定義來完成的，提供了Newmark法、Wilson法、排列法、Hiber-Huges-Taytor法、和Chung and Hulbert法等方法可供選擇。

6.高級分析功能

SAP2000在結構分析實踐中可能會使用的較為深入的分析功能，這些功能包括結構的屈曲分析、靜力非線性分析、動力非線性分析等。