06第05章 - 材料与截面 - 沈万湘

第5章 材料与截面

在SAP2000中提供了较为丰富的材料类型与单元类型。材料定义是指定义赋予单元的材料属性，是计算构件的基本属性数据。新版SAP2000系统对材料的定义更加灵活，使用户可以控制的参数更加深入多样。截面定义是指SAP2000提供的线单元、面单元、实体单元类型构件的截面属性定义。截面属性是构成单元的基本要素。在SAP2000形成一个构件顺序是：定义材料（物理属性）→定义截面（截面几何属性）→绘制对象（确定构件几何属性）。

5.1材料定义

用户定义的材料属性可以赋予多个不同类型的单元。在SAP2000中材料属性分为分析属性、设计属性和高级属性。不同的属性应用于不同阶段的计算。同时用户可以定义各项同性、各项正交异性以及单轴应力的材料。

分析属性是在结构分析过程参与计算的数据，通过这些数据计算出结构构件在各种工况下的标准内力。因此在原则上SAP2000系统中可以定义任意的材料属性，只要用户能够提供其基本物理属性，例如密度、弹性模量、热膨胀系数等。

材料的设计属性是根据规范对构件设计、校核时的依据，例如混凝土的强度，钢筋等级以及钢的屈服强度等。因此设计属性是有针对性的，具有设计属性的构件类型才能进行设计、校核。根据设计类型系统默认提供的材料类型包括铝、冷扎钢、钢、混凝土等。目前，能够根据中国规范设计的材料类型有混凝土和钢。

材料的高级属性一般用于非线性分析或动力分析，可以考虑材料的徐变、阻尼和应力-应变关系等。用户可根据需要进行修改。

5.1.1一般材料定义

这里的一般材料是工程中常用的处于线弹性阶段属性的材料。点击定义>材料属性命令，弹出材料定义对话框（图5-1）。

图5-1 材料定义对话框

材料列表 点击 显示已经定义的材料属性名称 添加新材料（按钮） 修改/显示材料（按钮） 添加材料时点击，弹出材料属性数据对话框（图5-2） 修改材料时点击，弹出该材料的材料属性数据对话框（图5-2） 删除材料（按钮） 删除列表中高亮显示的材料 对话框列表中显示出系统提供的几种材料类型：ALUM（铝）、CLDFRM（冷扎钢）、 CONC（混凝土）、 STEEL（钢）、 OTHER（其它）。它们本身带有各自的属性，可以直接使用，但不能被删除。当选择设计类型为None（无）时，材料的设计属性数据定义被关闭，程序不对属性为None（无）材料进行设计后处理。当选择其它类型时，输入的设计属性数据与整体单位制有关。所以当输入有不同单位制的数据时，要注意单位制的切换。例如，在输入混凝土材料设计属性中的强度等级（C值）时，在默认单位制（N-㎜）下输入的值与混凝土标号一致，比如C20混凝土就输入20，但当单位制是（KN-㎜）时，输入的值就应当是20000。

用户自定义材料时，例如定义中国标准Q235钢，首先选择定义材料的类型STEEL，然后点击添加新材料按钮，弹出材料属性数据对话框（图5-2）。

图5-2 材料属性数据对话框

材料名称 显示颜色 显示材料名称，用户可以修改 颜色 各向同性 材料类型 正交各向异性 各向异性 Uniaxial 点击色块，弹出颜色编辑器，修改材料显示颜色 定义各向同性材料 定义正交各向异性材料 未启用 定义单轴属性材料 选择材料设计类型，从而决定具有该材料的构件的设计处理方式。选项为设计类型（下拉框） Concrete-混凝土、Steel-钢材、Aluminum-铝、ColdFormed-冷轧钢、Rebar-钢筋、None-无 ? 分析属性数据 材料类型为各向同性时 密度 重度 弹性模量 泊松比 热膨胀系数 剪切模量 输入/显示材料的密度 输入/显示材料的重度 输入/显示材料的弹性模量 输入/显示材料的泊松比 输入/显示材料的热膨胀系数 显示材料的剪切模量 材料类型为正交各向异性时

每单位体积质量 每单位体积重量 弹性模量 方向1 方向2 方向3 泊松比 平面12 平面13 平面23 热膨胀系数 方向1 方向2 方向3 剪切模量 平面12 平面13 平面23 输入/显示材料的密度 输入/显示材料的重度 局部坐标1轴方向弹性模量 局部坐标2轴方向弹性模量 局部坐标3轴方向弹性模量 局部坐标12轴平面的泊松比 局部坐标13轴平面的泊松比 局部坐标23轴平面的泊松比 局部坐标1轴方向热膨胀系数 局部坐标2轴方向热膨胀系数 局部坐标3轴方向热膨胀系数 局部坐标12轴平面的剪切模量 局部坐标13轴平面的剪切模量 局部坐标23轴平面的剪切模量 ? 设计属性数据 （中国规范标准） 设计类型为Concrete（混凝土） 混凝土强度等级C 受弯钢筋屈服应力fYk 受剪钢筋屈服应力fYk 轻质混凝土 抗剪强度折减系数 输入混凝土立方体抗压强度标准值 输入用于抗弯和轴向荷载计算的钢筋强度标准值 输入用于抗剪计算的钢筋强度标准值 勾选表示为轻质混凝土。抗剪强度折减系数项变为可编辑状态 输入剪切强度折减系数，一般取0.75～0.85 设计类型为Steel（钢材） 最小屈服应力FY 最小拉应力Fu 输入钢材屈服强度标准值 输入钢材抗拉强度标准值 ? 高级材料属性 基于时间属性（按钮） 材料阻尼属性（按钮） 应力-应变曲线定义 弹出基于时间属性对话框，详见图5-4 附加材料阻尼，详见图5-6 材料应力-应变曲线数据对话框，详见图5-7 首先将材料名称改为“Q235”，在设计类型下拉菜单中选择“STEEL”，根据材料表在分析属性输入域以及设计属性分别输入相应数据（如图5-2中数据）。点击确定即可。

对于一般的工程材料，都定义为各项同性，表现为材料的行为独立于荷载方向或材料朝向，剪切行为与膨胀行为不耦合，并且不受温度影响。一般混凝土和钢材都符合此假定。

各向同性材料应变与应力以及温度变化的力学、热性能的关系如下：

?1?E??ε1???ν?ε??E?2??ν?ε3???E ?????γ21??0?γ31???????γ23???0??0?νE1Eν?E?000νEν?E1E?0000001G0000001G0?0???1?0??σ1??1???σ?2????0??σ??1??3??τ??αΔT?0? (5.1)

??0??21??0???τ31?????0????0?????τ23?1??G?其中E为杨氏弹性模量，υ为泊松比，G为剪切模量，?为热膨胀系数。 但对于一些特殊材料，各个受力的方向弹性不同的多轴应力材料，用户可以定义各项正交异性材料。在材料属性数据对话框材料类型选择各项正交异性选项，对话框变为如图5-3所示。

图5-3 材料属性数据对话框

在对话框分析属性数据输入域中，材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、剪切模量均按3个正交材料局部坐标分开输入。

各向正交异性材料的性能在三个局部坐标轴方向可以是不同的，并且抗剪性能与抗拉性能没有直接关系而且不受温度变化影响。各向同性材料应变与应力以及温度变化的力学、热性能的关系如下：

?1?E?1??ν21?ε1???ε??E1?2???ν31?ε3??E1?????γ21??0?γ31???????γ23???0??0??ν12E21E2ν?32E2?000ν13E3ν?23E31E3?0000001G40000001G50?0??0??σ1??α1???α???σ2??2?0?????σ3??ΔT?α3? (5.2)

????τ21??0?0????0???τ31??????τ?0???0???23???1?G6??其中E1、E2、E3为杨氏弹性模量，ν12、ν21、ν13、ν31、ν23、ν32为泊松比，G4、

G5、G6为剪切模量，?1、?2、?3为热膨胀系数。

每种材料都有局部坐标系，默认状态下材料局部坐标与赋予的单元局部坐标系一致。也

就是说当各项正交异性材料被指定给具体对象后，该对象各个方向的弹性行为将不同且相互独立。而且用户可以根据需要改变材料的局部坐标轴与单元局部坐标轴的角度关系。这将在后面章节中加以说明。

5.1.2材料高级属性定义

基于时间属性

对混凝土和钢可以指定与时间相关属性，用来在阶段施工分析中进行徐变、收缩和龄期效应计算。目前，这方面的计算方法基于欧洲CEB-FIP90模式规范给出的相应规定。

钢：

当设计材料类型为钢时，在图5-3中点击基于时间属性按钮，弹出基于时间属性for steel对话框(图5-4)。

图5-4 基于时间属性for steel对话框

勾选预应力钢筋松弛选项，在CEB-FIP类别下拉菜单中出现1、2两个选择。 根据CEB-FIP2.3.4.5条对于预应力松弛的等级计划分，将预应力钢丝和钢绞线松弛划分为一级松弛和二级松弛，分别对应正常的松弛特征、改进的松弛特征，初始应力等于0.6、0.7、0.8乘以fpuk在1000小时时的松弛ρ1000。关于预应力钢筋的相关计算方法和规定详见CEB-FIP90模式规范2.3节。

混凝土：

当设计材料类型为混凝土时，在图5-3中点击基于时间属性按钮，弹出基于时间属性for concrete对话框(图5-5)。

图5-5 基于时间属性for concrete对话框

强度和弹性模量 CEB-FIP系数 混凝土龄期t日时的抗压强度计算公式的系数s，取决于水泥种类，对于快硬高强水泥取0.2，对于普通快硬水泥取0.25，对于慢硬水泥取0.38。公式详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.1节 徐变 收缩 相对湿度% 名义尺寸h CEB-FIP参数 勾选后相对湿度和名义尺寸项被激活 勾选后收缩系数和收缩开始时间项被激活 周围环境的相对湿度RH 构件的名义尺寸。按照CEB-FIP90模式规范公式2.1-69计算。详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.4.3节 收缩系数Bsc 计算名义收缩系数中以水泥种类而定的系数。对慢硬水泥取4，对普通或快硬水泥取5，对快硬高强水泥取8。详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.4.4节 收缩开始时间（天） 总收缩或膨胀应变计算公式中收缩或膨胀开始时的龄期。详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.4.4节 完全积分 徐变分析类型 在完全积分里，分析中的每个应力增量成为材料记忆的一部分。这会保证精确的结果，但是对于大量应力增量的长分析，需要计算机的存储和计算时间以增量数量的平方来增加。因此对于大规模问题，这将使得求解过程变得不切实际 Dirichlet序列及项 使用Dirichlet 级数近似法（Ketchum, 1986），用户可以选择一个固定数目的级数项来存储。每项都用应力增量来进行修改，但是项的数量在分析过程中是不变的，这就意味着存储和运行时间与应力增量的数量成线性关系。Dirichlet 级数的每一项可以视为在特征松弛时间的弹簧和阻尼器系统，用户可以尝试用不同数量的项来检查分析结果，以确定自己的选择是恰当的 推荐用户使用小型问题来代表自己的大型模型，并且对比各种数量的级数与完 全积分的解答，以确定恰当的级数近似方法。 关于混凝土收缩、徐变计算公式也可以参见中国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D-62-2004）附录F中关于混凝土收缩应变和徐变系数计算部分内容。

材料阻尼属性

在材料属性数据对话框中点击材料阻尼属性按钮，弹出附加材料阻尼对话框（图5-6）。

图5-6 附加材料阻尼对话框

在对话框阻尼比输入域中输入材料附加阻尼比。此阻尼比用于结构动力分析，材料阻尼是对所有分析工况有相同影响的材料属性。

对于每一种材料，用户可指定一个材料模态阻尼比r，0≤r＜1。由此种材料的单元j 贡献于振型i 的阻尼比rij，为：

rij?r?TiKj?iKi (5.3)

其中?i为模态i的振动形状。Kj为单元j的刚度矩阵，Ki为模态i的模态刚度在模型中

对所有单元j取和：

Ki???TiKj?i (5.4)

j应力—应变曲线定义

在材料属性数据对话框中点击应力—应变曲线定义按钮，弹出应力—应变曲线数据对话框（图5-7）。

图5-7 应力—应变曲线数据对话框

Material Property 显示截面名称 Name 选项 应力-应变曲线中节点数量 显示/输入材料应力-应变曲线数据中控制坐标点的数量 滞回类型 Strain 应力-应变曲线数据 Stress Point ID 选择滞回曲线类型：Kinematic、Taketa、Pivot曲线 应变数据，用户可以修改 应力数据，用户可以修改 曲线控制点的编号，用户可以修改。A点总是原点 对每种材料都可以指定应力-应变曲线，该曲线用来生成框架单元中的非线性铰的属性，用于Pushover分析。所有的曲线都具有A、B、C、D、E五个控制点。 1.点A 总是原点。

2.点B 代表屈服。无论对点B 指定何种变形值，在上升到点B 铰内没有变形。在点B 的位移（转动）将从点C、D、和E 的变形中减去。只有超过点B 的塑性变形将被铰显现。 3.点C 代表pushover 分析的极限承载力。用户为其他目的可指定从C 到D 的正斜率。 4.点D 代表pushover 分析的残余强度。用户为其他目的可指定从C到D 或从D 到E 的正斜率。

5.点E 代表完全失效。超过点E，铰将荷载降至在E 点下水平轴的点F（未显示）。若用户不想铰这样失效，要确认对在点E 的变形指定一个大值。

5.2框架截面定义

SAP2000系统中框架截面的定义包含了梁、柱、支撑等所有线对象类型构件的截面。系统本身自带了多种典型形状的截面定义功能，例如工字形、槽形、角形、管形等，基本上能够涵盖工程中所能涉及到的截面形状。对于非标准形状构件截面或者组合构件截面，可以通过SAP2000的截面设计器进行自定义。此外，各种行业标准的型钢构件可以从外部型钢数据文件导入，这些都极大的方便了工程师对构件截面的定义。本节将详细介绍框架截面定义、外部文件导入、自动截面选择列表、变截面定义以及SD截面设计器的操作方法。

点击定义>框架截面命令，弹出Frame Properties对话框（图5-8）。

图5-8 Frame Properties对话框

属性 寻找这一属性（输入域） 列表 输入需要查找的截面名称 显示所有SAP2000自带的和工程师定义的构件截面名称 ? 选择要添加的属性类型 Import（导入） Import I /Wide Flange Import Channel Import Tee Import Angle 导入工字形/宽翼缘截面 导入槽形截面 导入T形截面 导入角形截面 Import DouBle Angle Import BoX/TuBe Import Pipe Import Rectangular Import Circle Import General Import Steel JoIst 导入双角形截面 导入箱形截面 导入管形截面 导入矩形截面 导入圆形截面 导入一般截面 导入桁架截面 Add（添加） Add I /Wide Flange Add Channel Add Tee Add Angle Add Double Angle Add Box/Tube Add Pipe Add Rectangular Add Circle Add BU I Cover Plate Add PC Conc I Girder Add General Add Cold Formed C Add Cold Formed Z Add Cold Formed Hat Add Steel Joist Add Auto select list Add SD Section Add Nonprismatic 添加工字形/宽翼缘截面 添加槽形截面 添加T形截面 添加角形截面 添加双角形截面 添加箱形截面 添加管形截面 添加矩形截面 添加圆形截面 添加带有盖板的组合工字形截面 添加预制混凝土工字形梁 添加一般截面 添加冷弯卷边槽钢 添加冷弯卷边Z形钢 添加冷弯向外卷边槽钢 添加桁架截面 添加自动截面选择列表 添加截面设计器设计截面 添加变截面 ? 点击 Add Property Add Copy of Property Modify/Show property Delete Property 弹出高亮显示截面类型属性对话创，用于添加截面 弹出高亮显示截面类型属性对话创，用于添加截面副本 弹出的截面属性对话框，用户可以进行修改 删除列表中高亮显示的截面 5.2.1导入截面

SAP2000中文版提供了包括中国规范在内的多国规范标准的型钢截面数据库文件。这些型钢截面数据库文件存在于SAP2000的安装目录下，以.pro为后缀名。目前已经做进数据库的型钢类型包括：翼缘型钢、槽钢、角钢、圆钢管。工程师在定义截面时可以直接将数据文件导入使用。例如导入中国规范宽翼缘型钢表，在框架属性对话框中，点击最初显示为Import I / Wide Flange的下拉框上点击鼠标左键，弹出下拉菜单选项，在菜单中选择Import I / Wide Flange（图5-9）。

图5-9 定义框架属性对话框

在SAP2000安装目录下可以看到所有程序自带的截面属性文件。下面表格列出各数据文件的含义。

AA6061-T6.pro AISC13.pro AISC13M.pro AISC3.pro AISC.pro AusNZV8 BSShapes.pro Chinese.pro CISC.pro Euro.pro Indian.pro Joists.pro Sections.pro Sections8.pro AA标准6061-T6压型铝材截面 美国钢结构协会型钢 V13 美国钢结构协会型钢 V13M 美国钢结构协会型钢 V3 美国钢结构协会型钢 澳大利亚及新西兰标准型钢 英国标准型钢 中国标准型钢 加拿大钢结构协会型钢 欧洲型钢 印度标准型钢 钢桁架梁协会型钢 美国钢结构协会型钢 V2 美国钢结构协会型钢 V3

打开Chinese .pro文件，弹出型钢列表对话框（图5-10）。

图5-10 型钢列表对话框

在对话框的列表区域中，列出Chinese.pro文件中所有截面类型为I / Wide Flange（工字钢/宽翼缘工字钢）的型钢截面。其中的截面根据行业标准分为国标(GB)、冶标(YB)和行业规范标准。具体标注格式可以参看相应规范标准。

在表格中可以导入一个或者一组型钢截面名称，例如选择GB-HM600X300X12X20，点击确定按钮，弹出I / Wide Flange截面对话框（图5-11）。

图5-11 I / Wide Flange截面对话框

? 截面名称 截面名称 显示型钢截面的名称 ? 从截面属性文件中提取数据 打开文件 导入 按钮后的显示框中显示打开文件的路径 点击则打开显示框中显示的截面数据文件，导入截面数据 ? 属性 截面属性 点击弹出属性数据对话框（图5-14），显示截面属性数据 ? 属性修正 设置修正 点击弹出分析属性修正系数对话框（图5-15），为截面属性指定修正系数 ? 材料 下拉框 列出材料名称，为截面指定材料 ? 尺寸 高度 顶翼缘宽度 顶翼缘厚度 腹板厚度 底翼缘宽度 底翼缘厚度 显示梁高度 显示顶部翼缘宽度 显示顶部翼缘厚度 显示腹板厚度 显示底部翼缘宽度 显示底部翼缘厚度 在此对话框中显示型钢的具体尺寸。在材料区域中选择该截面的材料。点击截面属性按钮查看型钢截面的几何特性。点击设置修正按钮可以设置分析属性的修正系数。关于修正系

数将在下一节介绍。

其它型钢的导入具体操作步骤基本相同，这里不再赘述。

5.2.2一般截面定义

一般截面定义是指在框架属性对话框添加列表中提供给用户的各种形状的等截面定义（图5-12）。

图5-12 框架属性对话框

用户在下拉列表中选择形状名称，进行自定义截面。例如添加混凝土矩形截面时，在下拉菜单中选择Add Rectangular，点击添加新属性按钮，弹出Rectangular Section对话框（图5-13）。

图5-13 Rectangular Section对话框

? 截面名称 截面名称 显示默认截面名称，用户可以修改 ? 属性 截面属性（按钮） 弹出属性数据对话框（图5-15） ? 属性修正 设置修正（按钮） 弹出分析属性修正系数对话框（图5-16） ? 材料 下拉框 列出所有已经定义过的材料名称，可以选择截面材料 ? 尺寸 高度 宽度 输入截面高度（即视图中2轴方向） 输入截面宽度（即视图中3轴方向） ? 混凝土（材料选择混凝土） 布筋（按钮） 弹出布筋数据对话框（图5-16） ? 显示颜色 显示颜色 点击色块弹出颜色编辑器，修改此截面构件的显示颜色

在定义截面时首先输入截面名称，然后在材料类型下拉框中指定材料。在下拉菜单中列出所有已定义的材料名称。在这里选择混凝土材料，例如CONC。在截面尺寸输入域键入构件的高度值和宽度值。而构件的类型（柱、梁）则通过对话框下面的布筋按钮指定。

当输入完截面尺寸之后，SAP自动计算各项截面特性。在Rectangular Section对话框中，点击截面属性按钮。弹出属性数据对话框（图5-14）。

图5-14 属性数据对话框

在对话框中显示截面面积、关于各局部坐标轴的惯性距等截面特性值。其中2轴、3轴是指构件的局部坐标轴（参见图5-13Rectangular Section对话框中的截面视图）。

系统允许对截面惯性矩、横截面面积和抗剪面积等特性值进行调整。如果需要调整时，则点击设置修正按钮，弹出属性/刚度修正系数对话框（图5-15）。

图5-15 属性/刚度修正系数对话框

在此对话框中，属性/刚度修正系数区域中的各项右侧显示的是修正系数，系统参与计算的截面特性值等于属性数据中显示的各截面特性值乘以这一对话框中显示的各对应项的系数。例如将惯性距指定为零，可以模拟弯矩释放；在横截面面积输入3，将截面积放大3倍，可以模拟提高杆件轴向刚度，但需要注意的是计算时构件的自重也会增大，如需要真实

模拟则需要对材料的密度进行折减调整。

此处的属性/刚度修正系数对话框与指定>框架/索/钢束>属性修正命令对话框完全相同。如果在截面定义属性/刚度修正系数对话框和指定>框架/索/钢束>属性修正命令对话框中的系数都进行了修改，这两个系数会相乘。两种属性系数修正方法的区别在于修正的对象不同。截面定义的属性修正应用于所有具有该种截面属性的构件；指定>框架/索/钢束>属性修正命令的属性修正针对于用户选择的个别构件。简言之，如果工程师选择在先前截面定义中作了属性修正的线对象，使用指定>框架/索/钢束>属性修正命令再一次进行属性修正，则该线对象在原截面修正的基础上再一次修正。

在Rectangular Section对话框中，如果材料区域选择了混凝土，则对话框中增加混凝土截面区域，点击布筋按钮，弹出布筋数据对话框（图5-16）。

（a）矩形布筋 （B）圆形布筋

图5-16 布筋数据对话框

? 设计类型 柱 梁 对话框为柱的布筋数据输入方式 对话框为梁的布筋数据输入方式

? 布筋配置 矩形 圆形 矩形截面布筋 圆形截面布筋 ? 横向布筋 绑扎 螺旋的 箍筋为绑扎钢筋形式 箍筋螺旋箍筋形式。选择圆形截面布筋时有效 ? 矩形布筋 到钢筋中心的保护层 输入柱边缘至钢筋中心的距离。默认值取柱截面深（高）度的十分之一。在圆形柱布置矩形配筋这种特殊情况下，保护层取为从柱的边缘到矩形配筋框的角部钢筋中心的最小距离 3轴方向的钢筋数 2轴方向的钢筋数 钢筋尺寸 柱的平行于截面局部3轴坐标的纵向配筋数量（包括角部钢筋） 柱的平行于截面局部2轴坐标的纵向配筋数量（包括角部钢筋） 输入截面上配筋的钢筋尺寸。中国规范钢筋为*d形式，例如20d（直径20㎜） ? 圆形布筋 到钢筋中心的保护层 输入柱边缘至钢筋中心的距离。在圆形柱布置矩形配筋这种特殊情况下，保护层取为从柱的边缘到矩形配筋框的角部钢筋中心的最小距离 3轴方向的钢筋数 2轴方向的钢筋数 柱的平行于截面局部3轴坐标的纵向配筋数量（包括角部钢筋） 柱的平行于截面局部2轴坐标的纵向配筋数量（包括角部钢筋） ? 检查/设计 配筋用于检查 配筋用于设计 定义的截面配筋用于计算校核 由程序进行配筋设计 在此对话框中指定截面布筋的形式。在设计类型区域中需要选择定义的截面是柱的截面

或是梁。选择柱时，布筋数据对话框如图5-16所示，纵向筋又分为矩形布筋（图5-16a）和圆形布筋方式（图5-16b）。纵向钢筋矩形布置时，横向钢筋只能为绑扎式；纵向钢筋圆形布置时，横向钢筋可为绑扎式或螺旋式。在矩形（圆形）布筋设置区中指定保护层厚度（至钢筋中心）、钢筋根数和钢筋尺寸。工程师可以指定构件配筋用于设计还是配筋用于检查。如果用于检查，则指定的钢筋总面积（尺寸和根数）将参与设计计算并进行校核；如果用于设计，除忽略钢筋尺寸外，使用在配筋数据对话框中的所有信息，并且计算全部所需的钢筋面积。

设计类型选择为梁时，布筋数据对话框变为如图5-17所示。

图5-17 布筋数据对话框

? 混凝土保护层到钢筋中心 Top Bottom 输入梁上层钢筋中心至梁上层边缘距离。默认值取梁截面高度的十分之一 输入梁下层钢筋中心至梁下层边缘距离。默认值取梁截面高度的十分之一 ? 延性梁的布筋覆盖项 Top Bottom 指定梁顶部左右两端纵向配筋的钢筋面积。若此处为零值时，由程序计算 指定梁底部左右两端纵向配筋的钢筋面积。若此处为零值时，由程序计算 在此对话框中，输入梁钢筋保护层厚度。

延性梁的布筋覆盖项指定梁的左端与右端处顶部和底部所配纵向配筋的截面面积。SAP中所使用的这些覆盖项作用如下：

1．混凝土框架设计后处理器中 ：

当在混凝土梁中设计抗剪是基于所提供的纵向配筋（即抗剪设计基于梁的抗弯承载力）时，SAP 将计算的所需钢筋与在配筋覆盖项中所定义的配筋进行比较，并取较大的值以确定

抗剪设计所依据的抗弯承载力。

当梁的跨中最小配筋是基于梁端部配筋的某个百分比时，SAP将计算的所需梁端配筋与在配筋覆盖项中所定义的配筋进行比较，并取较大的值以确定梁的跨中最小配筋

当柱的抗剪设计是基于梁传递给柱的最大弯矩值时，SAP将计算所需的梁端配筋与在配筋覆盖项中所定义的配筋进行比较，并取较大的值以确定梁的抗弯承载力。

2．框架非线性铰属性中作为默认值定义的任何自由度指定到一个混凝土构件时，SAP基于计算的在梁两端的配筋（假定使用混凝土框架设计后处理器完成设计）和指定的配筋覆盖项的较大值，计算力－变形属性。

5.2.3变截面定义

工程实际中经常遇到截面沿构件长度方向变化的构件。例如混凝土牛腿柱，钢结构中带端板的梁。SAP提供定义变断面构件的功能。

以定义牛腿柱为例(图5-18)介绍变截面定义的具体操作步骤。 -D -C

-B

-A

图5-18 牛腿柱

定义如图5-18所显示牛腿柱。牛腿柱在A、B、C、D四个断面处均为矩形截面，AB段截面为SEC1（截面尺寸500X300㎜）；BC段由SEC1线性变为SEC2（截面尺寸800X300㎜）；CD段为SEC2。下面介绍变截面的定义方法。

需要注意在定义变截面之前，先要按照之前介绍的一般截面定义方法定义2个控制截面SEC1、SEC2。确定层高定义的与柱高相同，本例层高3800㎜。

在框架属性对话框中，点击最初显示为Add I/ Wide Flange下拉框，弹出下拉菜单。点击下拉框右侧向下的箭头按钮，选择Add Nonprismatic（图5-19）。

图5-19 选择Add Nonprismatic

弹出变截面定义对话框（图5-20）。

图5-20 变截面定义对话框

变截面名称 开始截面（下拉框） 结束截面（下拉框） 长度 长度类型（下拉框） 输入变截面的名称 选择构件的起始截面 选择构件的起始截面 输入长度范围。分为比例值和绝对值。由下一参数长度类型决定 变量：输入的长度值为该截面段占构件总长度的比例 绝对：输入的长度值为该截面段的实际长度 EI33变量 局部坐标轴3-3方向EI值的变化规律。线性：截面间呈线性变化；抛物线：截面间呈平方关系变化；三次方：截面间呈3次方关系变化 EI22变量 局部坐标轴2-2方向EI值的变化规律。线性：截面间呈线性变化；抛物线：截面间呈平方关系变化；三次方：截面间呈3次方关系变化 ? 按钮 添加 插入 修改 删除 点击则将输入域中的数据添加到变截面列表 点击则将输入域中的数据安插在列表中高亮显示的截面位置 点击则将输入域中的数据覆盖至高亮显示的截面 点击则删除列表中高亮显示的变截面

在变截面定义对话框的变截面名称输入域中输入变截面名称。构件的两端分别为I和J。构件的局部坐标轴从I指向J。输入的顺序为从I到J，一段一段的输入。表格的每行代表构件各段的截面数据。如图5-20所示，输入顺序为AB、BC、CD段，共三行数据。首先在开始截面下拉框中选择SEC1；结束截面也为SEC1。其长度为一个固定值3000㎜，在长度编辑框中输入3000。长度类型选择绝对。此段SAP会自动判断开始截面和结束截面相同，EI33和EI22不变。可以在EI33变量和EI22变量不做任何选择。点击添加按钮，输入域中的数据自动列于下面的表格中。

然后再输入BC段的数据。在开始截面中选择SEC1；在结束截面出选择SEC2，长度输入400。长度类型为绝对。因为BC段截面沿2轴方向截面高度h线性变化，根据

hb3bh3EI22?E；EI33?E。因为b不变，h线性变化，所以EI22线性变化；EI33三次方

66关系变化。在EI33变量中选择三次方；在EI22变量中选择线性。点击添加按钮，将该段数

据列于表中下面一行。

最后，输入DC段的数据。开始截面选择SEC2；结束截面选择SEC2。长度输入400；

长度类型为绝对。EI33变量和EI22变量选择线性变化。点击添加按钮，将该段数据列于表中下面一行。

这里长度类型有两种选择，一个是绝对，表示绝对长度；一个是变量，表示相对长度。相对长度的定义可以使所定义的变截面类型可以适合于不同长度的构件。EI变化的设置针对截面的形状而定，例如一个矩形截面宽度的一个线性变化导致EI33一个线性变化。一个矩形截面高度的一个线性变化导致EI33一个三次方变化。最后，一个I型高度的一个线性变化导致EI33抛物线变化。除了EI33与EI22 之外其余的刚度属性，总被假定在每个分段两端之间线性变化。类似的，质量和重量密度总是假定在每个分段两端之间线性变化。

参数设置完成后，按确定键，变截面名称将添加进截面列表中。 定义变截面梁的方法与定义变截面柱的相同。

5.2.4自动截面选择列表定义

对于钢结构设计，SAP2000提供了优化设计功能。用户可以为框架构件指定一组截面，由程序自动优化选择截面。这一组截面便称为自动选自截面。

在框架属性对话框中，点击最初显示为Add I/ Wide Flange下拉框，弹出下拉菜单（图5-21）。点击下拉框右侧向下的箭头按钮，选择Add Auto Select List。

图5-21 定义框架属性对话框

弹出自动选择截面对话框（图5-22）。

图5-22 自动选择截面对话框

? 自动截面名称 自动截面名称 显示默认的自动截面名称，可以修改 ? 选择截面 截面列表 自动选择 显示所有程序默认的以及自定义的截面名称 显示该自动截面列表中所有构件截面名称 ? 开始截面 显示域 显示分析自动列表中起始设计截面名称或者位置。程序默认列表中的中间截面为起始截面 覆盖项按钮 弹出选择截面对话框（图5-23）

首先在自动截面名称的编辑栏中输入自动选择截面的名称。选择截面区域中左侧的截面列表中显示出所有定义的材料为钢材的截面名称，点击添加按钮，截面进入自动选择列表。自动选择列表中的截面就是定义的这组自动选择截面中的截面。如果选择不相邻的多个截面，在选择截面时按下Ctrl键；如果是连续排列的截面，按下鼠标左键拖拽选择截面。选择的截面全部是高亮显示，点击添加按钮后，这些截面将移动到右侧自动选择列表中。如果要从自动选择列表中移除不需要的截面，则选择截面名称，点击移除按钮。这些截面将移动到左侧的截面列表中。

系统默认从自动选择列表的中间的截面开始迭代计算。用户可以指定开始截面，点击开始截面区域中的覆盖项按钮，弹出选择截面对话框（图5-23）。

图5-23 选择截面对话框

在选择截面对话框的选择区域中，在指定为开始截面的截面名称上单击鼠标左键，高亮显示该截面，点击确定按钮。退回到自动选择截面对话框。可以看到，开始截面区域中显示出该截面的截面名称。

最后，在自动选择截面对话框中点击确定按钮，退回到定义框架属性对话框，定义的自动选择截面名称自动高亮显示在属性区域的列表中。我们在绘制构件时，就可以将自动选择截面属性指定给钢框架构件，在绘制构件的章节中我们会介绍自动选择截面的使用方法。

5.2.5截面设计器定义截面

SAP2000系统中提供了Section Designer截面编辑器，工程师可以定义任意形状的截面。通过截面编辑器定义的截面简称SD截面。SD截面可以由同一种材料构成，也可以是组合截面。

在框架属性对话框中点击最初显示为Import I / Wide Flange的下拉框上点击鼠标左键，弹出下拉菜单选项，在菜单中选择Add SD Section选项，点击添加新属性按钮（图5-24）。

图5-24 定义框架属性对话框

弹出SD截面数据对话框(图5-25)。

图5-25 SD截面数据对话框

? 截面名称 截面名称 显示/输入截面名称 ? 基本材料 基本材料 选择指定截面的基本材料 ? 设计类型 不检查/设计 常规钢截面 混凝土柱 不进行校核或设计 由钢框架设计后处理器按一般截面设计 由混凝土框架设计后处理器设计。 选择该项激活混凝土柱检查/设计选项 ? 混凝土柱检查/设计 配筋用于检查 配筋用于设计 用于校核计算 使用设计后处理器进行配筋设计 ? 定义/编辑/显示截面 截面设计器（按钮） 进入截面设计器界面（图5-26） 点击截面设计器按钮，运行截面设计器程序。弹出CSISD界面（图5-26）。

图5-26 CSISD界面

CSISD界面功能介绍 命令菜单： ? File(文件)

New（按钮）：新建立截面。如果绘图区已有截面，点击则覆盖绘图区已有的截面。 Print Setup：弹出Print Setup对话框，进行打印设置。在Print Setup对话框中，可以设置页边距、标题、打印机、用纸大小及方向等。这些设置仅在截面设计器中有效，对SAP的打印设置无效。

Print Graphics：打印当前显示的截面图形。

? Edit（编辑）

Undo（按钮）：撤销命令。 Redo（按钮）：恢复命令。

Delete：删除选择的对象。工程师也可以选择对象按键盘Delete键。

Align：对齐命令。对齐基准为第一个选择的对象。操作时，先点击选择第一个对象，其它对象可以点击或者窗选。 水平方向：

Left：选择的所有对象对齐到第一个选择对象的左边缘。

Center：选择的所有对象对齐到第一个选择对象的水平方向中心点。 Right：选择的所有对象对齐到第一个选择对象的右边缘。 垂直方向：

Top：选择的所有对象对齐到第一个选择对象的顶边缘。

Middle：选择的所有对象对齐到第一个选择对象的垂直方向中心点。 Bottom：选择的所有对象对齐到第一个选择对象的底边缘。

Change Shape To Poly：将选择的结构形状和实体形状转换为多边形。当结构形状和实体形状转换为多边形后，可将其角点进行任意托拽，改变形状。

Change Bar Shape To Single Bar：将线形、矩形、多边形及圆形样式附加的布筋，以及修改为一系列单根钢筋形。 Merge Areas：将两个有重叠的形状合并为一个形状。此命令在选择了两个形状时有效。

Get Area Inter Section：将两个有重叠的截面保留相交部分。此命令在选中两个截

面时有效。

Get Area DifferenCes：两个形状之间有重叠部分，保留重叠之外的部分。此命令在选中两个截面时有效。

Remove Overlapping Area：两种不同材料的形状搭接时，删除先绘制形状中搭接的部分。

Check Section：检查截面。提示警告信息。

? View（视图）

Rubber band （按钮）：窗选局部放大命令。放大显示窗选的范围。 Restore Full View（按钮）：恢复全视图命令。在截面设计器窗口中可以看到全部截面。

Previous Zoom（按钮）：恢复上一次缩放命令。恢复到上一次缩放的设置中。此命令只恢复一次缩放操作。 Zoom In One Step（按钮）：单步放大命令。SAP 默认自动缩放步长为10%，每点击一次，截面放大10%。缩放步长可以使用Options>Preferences命令进行修改。 Zoom Out One Step（按钮）：单步缩小命令。SAP 默认自动缩放步长为 10%，每点击一次，截面缩小10%。缩放步长可以使用Options>Preferences命令进行修改。

Pan（）：平移视图命令。在视图中单击并且按下鼠标左键，拖动平移视图。在视图边界以外的距离可以使用Options>Preferences命令进行修改。每点击此命令一次只执行一次操作。

Show Guide Lines：轴网线显示开关。

Show Axes：截面局部坐标轴和设计器坐标轴显示开关。 Refresh Window（按钮）：刷新窗口命令。

? Draw（绘图）

Select Mode（按钮）：选择对象命令。可以从绘图模式切换到选择模式。 Reshape Mode（按钮）：重定形对象命令。用于修改截面。 Draw Structural Shape：绘制结构形状 命令 I/Wide Flange Channel Tee Angle Double Angle Box/Tube Pipe Plate 按钮 命令 Rectangle Circle Segment Sector 按钮 矩形截面 圆形截面 弓形截面 扇形截面 绘制对象 工字形/宽翼缘截面 槽形截面 T形截面 角形截面 双角形截面 箱形截面 管形截面 板截面 Draw Solid Shape：绘制实体形状 绘制对象 Draw Poly Shape（按钮）：绘制多边形。 Draw Reinforcing Shape：绘制钢筋。

命令 Single Bar Line pattern Rectangular Bar Circular Bar 按钮 按钮 按钮 直线参考线 圆形参考线 单根布筋 线形布筋 矩形布筋 圆形布筋 绘制对象 Draw Reference Lines：绘制参考线 命令 Draw Reinforce Line Draw Reinforce Circle 绘制对象 Snap To：捕捉到??。设置捕捉各种特殊的点。 命令 Guideline Inter Sections and Point Line Ends and MidPoint Line interSections Perpendicular Projections Lines and Edges Fine Grids 形状边线的端点和中点 线的交点、或与形边线的交点 线段的垂足 轴网线、线和形状的边线 细分的轴网点，这些点的间距可由细分轴网间距项控制 捕捉对象 轴网线交点和角点、端点与形的中心点 Constrain Draw Line To：绘制线控制 命令 None Constant X Constant Y Constant Angle 按钮 无 恒定X轴分量 恒定Y轴分量 恒定角度 控制对象 ? Select （选择） Select：选择 命令 Point/window interSection line All 命令 Point/window interSection line All 按钮 按钮 选择方式 单击左键选择或窗选 相交线选择 选择全部对象 Deselect：取消选择 选择方式 单击左键选择或者窗选取消选择 相交线取消选择 取消全部选择 Get Previous Selection：获取前一次选择的所有对象。 Clear Selection（按钮）：取消全部选择。

? Display(显示)

Show Section Properties（按钮5-27）。

）：显示所选择单个截面的力学属性对话框（图

图5-27 力学属性对话框

Base material Axis angle 显示基本材料 角度定义中性轴的方位(方向),也就是承载弯矩的方向。截面逆时针旋转为正方向 A J I33 I22 I23 AS2 AS3 S33(+Face) S33(-Face) S22(+Face) S22(-Face) r33 r22 XCg YCg 截面面积，单位：长度 扭转惯性矩，长度 关于3轴的惯性矩，长度 关于2轴的惯性矩，长度 惯性矩，长度 平行于2轴的剪切面积，长度 平行于3轴的剪切面积，长度 在 2 轴正方向截面外缘上的 3 轴截面模数，长度 在 2 轴负方向截面外缘上的 3 轴截面模数，长度 在 3轴正方向截面外缘上的 2 轴截面模数，长度 在 3轴负方向截面外缘上的 2 轴截面模数，长度 围绕3轴的旋转半径 围绕2轴的旋转半径 在截面设计器坐标中截面重心的X值 在截面设计器坐标中截面重心的Y值 33332244442Show InteractIon surface(按钮)：显示相关曲线。

Show moment-Curvature Curve(按钮)：显示弯矩-变形曲线。 Show Stress(按钮)：显示应力。

? Options (选项)

Preference :显示截面设计器设置对话框（图5-28）。

图5-28 截面设计器设置对话框

? Dimensions(尺寸) Background Guideline Spacing Fine Grids Between Guideline Nudge Value 设置背景网格线间距 设置细分轴网格线数量 微调值。这是用户在键盘上单击相应键（Ctrl+方向键）后微小移动的距离。此项按长度单位输入。SAP 默认此项在英制单位中为 48 英寸，在公制单位中为 1 米 Screen Selection Tolerance 屏幕选择容差值。当在形状上单击以选择它时，用户鼠标光标必须在该选择容差值内才可以选择到它。此项按像素单位输入。屏幕选择容差值对窗选没有效果。截面设计器默认此项为 3 个像素 Screen Snap To Tolerance 屏幕捕捉容差值。当在 SAP 中使用捕捉功能时，用户鼠标光标必须在捕捉容差值内才可捕捉到它。此项按像素单位进行输入。截面设计器默认此项为 12 个像素 Screen Line Thickness 屏幕线宽。此参数控制屏幕全部的线宽。线宽是按像素单位输入。它对俯视图没有效果。截面设计器默认此项为 1 个像素 Printer Line Thickness 打印机线宽。此参数控制输出到打印机的线宽与字体。线宽是按像素单位输入。截面设计器默认此项为 4 个像素 Pan Margin 平移页边距。此为超出用户可以平移的视图边的距离。它是以窗口尺寸百分比的形式输入的。截面设计器默认此项为 50%。如果平移页边距设置为 0% 时，用户不能平移 Auto Zoom Step 自动缩放步长。此项按百分比输入。在视图中全部对象是按此百分比进行缩放的。该项的SAP默认值为10％ Max Mesh Size (Absolute) Max Mesh Size /Overall Dim 最大剖分尺寸。按绝对值输入 最大剖分尺寸。按百分比输入

? Colors：显示截面编辑器颜色管理设置对话框（图5-29）。

图5-29 截面编辑器颜色管理设置对话框

? Click to Change Color：在相应的颜色块单击鼠标左键，弹出颜色编辑器，可对输出

颜色进行设置。 Reinforcing XY Axes Guide lines Local axes Reference lines Background 设置钢筋显示颜色 设置截面编辑器X、Y轴颜色 设置背景网格线颜色 设置局部2轴、3轴颜色 设置布筋参考线颜色 设置截面设计器窗口的背景颜色。截面轮廓线总是显示为与背景色相反的颜色。背景项不控制相关曲面和弯矩曲率图显示窗口的背景色。这些背景色不能修改 ? Device type：用户指定颜色是用于屏幕显示、输出到非彩色打印机还是输出到彩色打印机。

? Reset default：SAP 中的默认颜色。

在SD截面数据对话框(图5-26)中，给截面指定了基本材料。当在CSISD界面中绘制截面过程中我们给截面指定了不同于基本材料的其他材料，也就是组合构件截面时，则在计算截面力学属性时，作等刚度代换计算，将不同的材料的刚度都转化为基本材料。当出现一种材料包含另一种材料的截面中（例如型钢组合柱）时，系统计算截面积时会自动减掉重叠部分的面积。

例如定义型钢混凝土组合柱截面,在CSISD界面左侧绘制工具条中点击绘制矩形截面按钮,光标变为绘制状态,在绘图区X、Y原点点击鼠标左键，生成矩形截面。在截面位置点击鼠标右键弹出Shape Properties-Solid对话框，如图（5-30）。

图5-30 Shape Properties-Solid对话框

在对话框中可以修改截面属性，包括类型（Type）、材料（Material）、中心点坐标（X、Y Center）、高度（Height）、宽度（Width）、角度（Rotation）、配筋（Reinforcing）等。在本例中将截面高度和宽度修改为0.8米, 配筋项选择“Yes”。点OK按钮。

点击左侧绘制工具条中绘制结构形状按钮，在矩形原心处点击鼠标左键，绘制出工字钢。修改工字钢的属性数据，需要从重叠截面中选择出工字钢。按住键盘Ctrl同时在工字钢位置点击鼠标右键，弹出选择列表对话框（图5-31）。

图5-31 组合截面

在列表中列出了所有重叠部位的截面名称，选择工字形截面（I-Section），则弹出该截面的属性对话框（图5-32）。

图5-32 截面属性对话框

在对话框中查看/修改工字型截面几何、材料数据。在这里可以直接选择已定义的截面属性，例如型钢库截面。点击OK按钮，完成截面绘制。点击界面右下角Done按钮退出截面编辑器，完成截面定义。

如果需要修改钢筋属性数据，则将光标在钢筋位置按下鼠标右键，弹出Edge Reinforcing对话框，显示某一侧钢筋数据，用户可以对钢筋直径、间距等属性进行修改。

当绘制SD截面时，截面的插入点一般为截面重心，构件拉伸显示如（图5-33）。

图5-33 组合截面构件

对于所有自定义（简称SD）截面可以点击显示截面属性按钮5-34）。

查看截面属性数据（图

图5-34 截面属性数据

对于一个标准混凝土截面（由混凝土和钢筋组成），点击显示相关面按钮截面PMM相关面曲线（图5-35）。

，可以查看

图5-35 PMM相关面曲线

对于一个标准混凝土截面（由混凝土和钢筋组成），点击弯矩-弯曲曲线按钮，可以

查看截面各种应力-应变关系曲线（图5-36），包括弯矩（Moment）曲线、混凝土应变（Strain）曲线、中性轴（Neutral Axis）曲线、钢筋应变（Steel Strain）曲线、混凝土抗压（Con Comp）曲线、钢筋抗压（Steel Comp）曲线、钢筋抗压(Steel Ten) 曲线。

图5-36 应力-应变关系曲线

对于一个标准混凝土截面（由混凝土和钢筋组成），点击显示应力按钮可以显示截面在各种力作用下的应力等值线图（图5-37）。用户可以在右侧力值输入框中输入各种方向力，视图会显示对应的截面应力等值线图，可以作为截面校核的参考。

图5-37 应力等值线图

5.3面截面定义

在SAP2000系统中， 提供的面对象包括壳（Shell）、平面(Plane)、轴对称实体(Asolid)。点击定义>面截面命令，弹出面截面对话框（图5-38）。

图5-38 面截面对话框

? 截面 截面 显示当前所有面截面名称

? 选择要加入的截面类型 选择要加入的截面类型 选择添加截面的类型，包括Shell（壳）、Plane（平面）、Asolid（轴对称实体）

? 点击 添加新截面 添加截面副本 修改/显示截面 删除截面 弹出高亮显示截面类型属性对话框，用于添加截面 弹出高亮显示截面类型属性对话框，用于添加截面副本 弹出的截面属性对话框，用户可以进行修改 删除列表中高亮显示的截面 壳单元用来在平面和三维结构中模拟壳、膜和板的性能，是模型中最常用的一种，例如结构中的楼板、墙、坡面等均以壳定义。壳单元是一个组合了膜和板弯曲行为的3 或4 节点单元（4 节点单元不必是平面）。根据对象的受力行为的特点将壳分为纯壳属性、膜属性、板属性。

膜行为使用一个等参数的公式，包括面内的平动刚度部分和一个垂直于单元平面的旋转刚度部分。

板弯曲行为包括双向、面外、板旋转刚度部分和一个垂直于单元平面的平动刚度。默认使用薄板（Kirchhoff）公式，忽略横向剪切变形。另外，用户可选择厚板（Mindlin /Reissner）公式，该单元包括横向剪切变形。

对壳单元在SAP2000中一般建议使用完全壳属性，除非整个结构是平面的且被充分约束的。

平面单元是一个三节点或四节点单元，用来模拟二维均匀厚度的实体平面应力和平面应变行为。它是基于包含4个非协调弯曲模式的等参数公式。单元应为平面的，若不是，则对该单元在计算得到的平均平面上的投影建立公式。该单元可以用于模拟平面处于平面应力状态的薄的平面结构或者处于平面应变状态的长的等截面结构。应力和应变假定在厚度方向没有变化。对于平面应力单元，没有面外刚度。对于平面应变单元，单元靠抵抗平面剪切刚度来承受荷载。

轴对称实体是一个三节点或四节点单元，它是基于包含4 个非协调弯曲模式的等参公式，用于模拟三维轴对称实体的有代表性的二维截面。是对三维实体单元的平面简化模型，例如取圆柱体半径方向的剖切面。对称轴可位于模型中的任意位置。每个单元应完全位于包含对称轴的平面。若不是，则对单元在包含对称轴和单元中心的平面的投影建立公式。轴对称实体假定在周边方向上几何属性、荷载、位移、应力和应变没有变化。在周边方向的任意位移被作为轴对称的扭曲处理。

5.3.1壳截面定义

在面截面对话框截面类型下拉表中选择Shell，点击添加新属性按钮，弹出壳截面数据对话框（图5-39）。

图5-39 壳截面数据对话框

? 截面名称 截面名称 显示颜色 显示默认截面名称，用户可以修改 点击色框，弹出颜色编辑器，设置截面显示颜色 ? 类型 壳-薄壳 壳-厚壳 板-薄板 板-厚板 壳-分层/非线性 选择面对象类型为壳属性，忽略横向剪切变形 选择面对象类型为壳属性，包括横向剪切变形 选择面对象类型为板属性，忽略横向剪切变形 选择面对象类型为板属性，包括横向剪切变形 选择激活Modify/Show Layer Definition按钮，点击则弹出Shell Section Layer Definition对话框 ? 材料 材料名称 材料角 在下拉菜单中指定截面材料属性 输入材料1轴与对象局部坐标1轴夹角 ? 厚度 膜 输入膜行为属性厚度。此厚度用于计算壳和膜自重和质量，以及壳和膜平面内刚度 弯曲 输入板行为属性厚度。此厚度用于计算壳和板平面外弯曲和横向剪切刚度 ? 混凝土壳设计参数 混凝土壳设计参数 点击弹出Concrete Shell Section Design Parameter 对话框（图5-40） ? 刚度修正 设置修正 点击弹出属性/ 刚度修正系数对话框（图5-42） ? 温度相关属性 热属性 未启用 1．壳类型

对于壳和板的类型选择，系统提供了两种厚度计算公式—厚板（Mindlin /Reissner）公式和薄板（Kirchhoff）公式，两种厚度公式的选择取决于在板或壳的板－弯曲行为中是否包括横向剪切变形。当厚度大于其跨度的1/10 或1/5 时，剪切变形趋向于重要。它们还在弯曲应力集中的附近十分显著，如在厚度突变处或支座处，以及靠近洞口或凹的角点处。虽然对薄板弯曲问题，剪切变形确实可以忽略，但厚板公式趋向于更准确，对较大的特征系数和网格扭曲，厚板公式的准确度比薄板公式更敏感。除非用户使用一个扭曲的网格且知道其剪切变形将会较小或者用户试图匹配一个理论薄板解，一般建议用户使用厚板公式。

2．材料角

被指定给单元的材料属性具有方向性，尤其对于各向异性材料，这种特性显得更加重要。材料的方向性体现为材料的局部坐标系。材料的局部3轴与面单元的局部3轴总是重合的（图5-40），但材料的局部1轴与单元的局部1轴是可以存在夹角的。材料角就是指材料的局部1轴与对象的局部1轴的夹角。此角度对各向同性材料没有影响。

图5-40 面单元材料角

3．混凝土壳设计参数

点击混凝土壳设计参数按钮，弹出Concrete Shell Section Design Parameter对话框（图5-41）

图5-41 Concrete Shell Section Design Parameter对话框

? 截面名称 截面名称 显示默认截面名称，用户可以修改 ? Rebar Layout Options Default One layer Two Layer 系统默认钢筋层数 设置单层钢筋 设置双层钢筋 ? Cover to Centroid of Steel Top Bar-Direction1 Top Bar-Direction2 Bottom- Direction1 Bottom- Direction2 1轴方向顶部筋至钢筋中心保护层厚度 2轴方向顶部筋至钢筋中心保护层厚度 1轴方向底部筋至钢筋中心保护层厚度 2轴方向底部筋至钢筋中心保护层厚度 SAP2000引入了混凝土壳配筋设计功能。该功能的技术原理基于以下两篇论文： ? 《钢筋混凝土壳和板优化设计》，由丹麦工业大学Troels Brondum-Nielsen于1974年发表。

? 《混凝土板横向剪力设计》，由Peter Marti 于ACI结构期刊1990年3-4月期发表。 通常，板单元得到8个应力结果。以SAP2000术语描述，这些结果分别为三个膜特性平面内力f11、f22、f12；两个弯矩m11、m22和扭矩m12；以及两个横向剪力V13、V23。为了设计的目的将混凝土板视为两层以钢筋为中心面的外层和一层无开裂混凝土核心层组成的板单元。依据Marti（1990）所采用的方法，假定由钢筋混凝土保护层（i.e.,外层）承担板弯矩和面内轴向力，由混凝土核心层承担横向剪力（图5-42）。

图5-42

SAP2000假定混凝土核心不产生斜裂缝，在这种纯剪切情况下，三明治模型中截面的

剪力不会对模特性平面内力产生影响。因此，模型不需要提供横向配筋，并且也不会增加面内钢筋筋分配的剪力。

SAP2000对混凝土板设计的过程概述如下：

1) 将混凝土板视为两层以钢筋为中心面的外层和一层无开裂混凝土核心层组成的板

单元，如图5-41。

2) 每层厚度取下列条件较小值：

? 至钢筋中心保护层厚度的两倍。 ? 板中心到钢筋中心距离的两倍。

3) 将板六种分析结果f11、f22、f12、m11、m22和m12倍转换为顶部、底部钢筋层中心

面独立的纯平面内力N11、N22、N12。为了使弯矩转换为力，将外钢筋层之间的距离作为力臂。

4) 各层的钢筋内力NDes1、NDes2，混凝土主压力Fc1、Fc2，以及混凝土主压应力Sc1、

Sc2的计算均依据Brondum Nielsen1974年发表的计算方法。

5) 钢筋内力利用钢筋应力和应力折减系数换算成单位宽度配筋面积Ast1、Ast2（i.e.,

配筋量）。

关于混凝土壳单元设计输出可以参见第13章（结果与输出）壳单元应力输出部分内容。

4．刚度修正

刚度修正是对面对象刚度的调整，点击刚度修正按钮，弹出属性/刚度修正系数对话框（图5-43）。

图5-43属性/刚度修正系数对话框

对话框中膜类型的修正指面内刚度的修正，以f表示。抗弯类型修正指面外刚度修正，以字母m表示。抗剪刚度以字母v表示，此外还有质量修正和重量修正。字母后面的数字表示面局部坐标轴方向。输入框中是修正系数，默认状态都是1。在分析过程中修正系数会与截面的刚度或自重相乘得出调整后的值。

修正系数只影响分析属性，不会影响任何设计属性。f11、f22和f12修改实质上等于壳单元厚度的修改系数，m11、m22和m12修改实质上等于壳单元厚度三次方上的修改系数，但不会影响对质量和自重的计算。

5.3.2平面截面定义

在面截面对话框选择要加入的截面类型下拉菜单中选择Plane项，点击添加新截面按钮，弹出Plane Section Data对话框（图5-44）。

图5-44 Plane Section Data对话框

? 截面名称 截面名称 显示颜色 显示默认截面名称，用户可以修改 点击色框，弹出颜色编辑器，设置截面显示颜色 ? 类型

平面-应力 平面-应变 不相容模式 选择平面单元为应力模型 选择平面单元为应变模型 勾选则启用非协调弯曲模式 ? 材料 材料名称 材料角 在下拉菜单中指定截面材料属性 输入材料1轴与单元局部坐标1轴夹角 ? 厚度 Thickness 输入平面单元厚度 ? 刚度修正 设置修正 点击弹出属性/刚度修正系数对话框（图5-42） ? 温度相关属性 热属性 未启用

1．类型

平面单元模拟具有均匀厚度且其应力和应变在厚度方向不变的结构的中间面。平面应力模型适用于相对平面尺寸较薄的结构。厚度法向应力被假定为零。由于泊松效应，厚度法向应变可能不是零。横向剪应力和剪切应变被假定为零。在厚度方向的位移对单元没有影响。

平面应变模型适用于相对平面尺寸较厚的结构。厚度法向应变被假定为零。由于泊松效应，厚度法向应力可能不是零。横向剪应力及剪切应变依赖于在厚度方向的位移。默认地，每个单元在其刚度公式中有4 个非协调弯曲模式。若单元为矩形，非协调弯曲模式显著的改善了单元性能，甚至对非矩形也会改善其性能。若一个单元形状是严重扭曲的，则不能使用非协调弯曲模式。单元使用标准的等参数公式。在弯曲不重要的情况，如一般的岩土问题，也不能使用非协调弯曲模式。 2．材料角

被指定给单元的材料属性具有方向性，尤其对于各向异性材料，这种特性显得更加重要。材料的方向性体现为材料的局部坐标系。材料的局部3轴与面单元的局部3轴总是重合的，但材料的局部1轴与单元的局部1轴是可以存在夹角的。材料角就是指材料的局部1轴与单元的局部1轴的夹角。此角度对各向同性材料没有影响。 3．厚度

平面截面的厚度是恒定的，对平面应力单可以是实际厚度，对无限厚的平面应变单元则可以是一个具有代表性的单位厚度。单元厚度用来计算单元刚度、质量和荷载。因此，从单元计算的节点力和此厚度成正比。 4．刚度修正

参见5.3.1节壳刚度修正部分说明。

5.3.3轴对称实体单元定义

在面截面对话框选择要加入的截面类型下拉菜单中选择Asolid项，点击添加新截面按钮，弹出Plane Section Data对话框（图5-45）。

图5-45 Plane Section Data对话框

? 截面名称 截面名称 显示颜色 显示默认截面名称，用户可以修改 点击色框，弹出颜色编辑器，设置截面显示颜色 ? 类型 不相容模式 勾选则启用非协调弯曲模式 ? 材料 材料名称 材料角 在下拉菜单中指定截面材料属性 输入材料1轴与单元局部坐标1轴夹角 ? 在坐标系中关于Z轴对称 坐标系 指定截面的对称轴坐标系 ? 厚度 Arc(degrees) 指定轴对称实体截面所截取的弧度 ? 刚度修正 设置修正 点击弹出属性/刚度修正系数对话框（图5-42） 1．类型

默认地，每个单元在其刚度公式中有4 个非协调弯曲模式。若单元为矩形，非协调弯曲模式显著的改善了单元性能，甚至对非矩形也会改善其性能。若一个单元形状是严重扭曲的，则不能使用非协调弯曲模式。单元使用标准的等参数公式。在弯曲不重要的情况，如一般的岩土问题，也不能使用非协调弯曲模式。 2．材料角

被指定给单元的材料属性具有方向性，尤其对于各向异性材料，这种特性显得更加重要。材料的方向性体现为材料的局部坐标系。材料的局部3轴与面单元的局部3轴总是重合的，但材料的局部1轴与单元的局部1轴是可以存在夹角的。材料角就是指材料的局部1轴与单元的局部1轴的夹角。此角度对各向同性材料没有影响。 3．对称轴

轴对称实体截面需要由用户指定一个对称轴，此轴都为Z轴方向。系统默认整体坐标系Z轴为对称轴。用户可以通过添加附加坐标系来为截面指定不同的对称轴，所有的对称轴都为

Z轴方向。一般一个轴对称实体只需要一个对称轴。用户也可以建立多个对称轴，但对应的轴对称实体结构均是相互独立的。 4．厚度

轴对称实体单元代表一个通过绕对称轴旋转单元的平面形状360°所建立的实体。然而，分析只考虑实体的有代表性的一段。用户使用参数arc（单位为度）指定节段的尺寸。例如，arc=360 模拟整个结构，arc=90 模拟1/4 的结构。系统默认arc=0，当取零时表示模拟一个1 弧度的节段。1 弧度为180°/π，大约57.3°。

单元厚度用来计算单元刚度、质量和荷载。因此，计算的单元节点力和arc 成正比(图4-46)。

图5-46 轴对称实体单元

5.4实体单元截面定义

实体单元是一个8节点单元，多体现为六面体，是基于包含9 个可选择的非协调弯曲模式的等参公式,用于模拟三维实体结构（图5-47），例如坝体等大型浇筑体的力学分析。对于实体的节点只具有平动自由度，没有转动自由度，因此以实体模拟的结构只传递力而不传递弯矩。

图5-47 三维实体

点击定义>实体属性命令，弹出实体属性对话框（图5-48）。

图5-48实体属性对话框

? 属性 属性 显示当前所有实体截面名称 ? 点击 添加新属性 修改/显示属性 删除属性 点击弹出实体属性数据对话框，添加新属性 点击弹出实体属性数据对话框，对列表高亮显示的截面属性修改 删除列表高亮显示的截面属性

点击添加新属性按钮，弹出实体属性数据对话框（图5-49）。

图5-49 实体属性数据对话框

? 截面名称 截面名称 显示默认截面名称，用户可以修改 ? 材料 材料名称 材料角A 材料角B 材料角C 在下拉菜单中指定截面材料属性 输入材料局部3轴与单元局部坐标3轴夹角 输入材料局部2轴与单元局部坐标2轴夹角 输入材料局部1轴与单元局部坐标1轴夹角 ? 类型 不相容模式 勾选则启用非协调弯曲模式 ? 颜色 显示颜色 点击色框，弹出颜色编辑器，设置截面显示颜色

1．材料角

由于实体是三维模型，因此可以定义材料方向属性与单元局部坐标的空间角度关系。在材料局部坐标系与对象局部坐标系对正前提下，材料角A对应材料坐标系与单元局部坐标3轴夹角；材料角B对应材料坐标系与单元局部坐标2轴夹角；材料角C对应材料坐标系与单元局部坐标1轴夹角（图5-50）。

图5-50 实体单元材料角

2．类型

默认地，每个单元在其刚度形式中有9 个非协调弯曲模式。若单元为矩形，非协调弯曲模式能够显著改善了单元性能，甚至对非矩形单元也会改善其行为。若单元形状是严重扭曲的，则不能使用非协调弯曲模式。单元使用标准的等参公式。在弯曲不重要的情况，如一般的岩土问题，也不能使用非协调弯曲模式。

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