SAP2000学习心得

以下是一个典型的新建模型中的钢框架设计步骤。

1.使用选项菜单 > 首选项 > 钢框架设计命令，选择钢框架设计规范及检查其它钢框架设计首选项，如有必要可作修改。

2.生成建筑模型。包括建模，加载，设定分析工况等等。 3.使用分析菜单 > 运行分析命令运行结构分析。

4.使用设计菜单 > 钢框架分析 > 查看/修改覆盖项命令指定钢框架覆盖项。注意：在使用该命令前必须先选好框架单元。

5.如有必要，可使用设计菜单 > 钢框架设计 > 选择设计组命令指定设计组。

6.在钢框架设计中，如果要用到 ETBAS 所提供的设计荷载组合默认值以外的数值时，则可单击设计菜单 ＞ 钢框架设计 ＞ 选择设计组合命令。

7.使用设计菜单 ＞ 钢框架设计 ＞ 设置侧向位移目标命令指定在各种荷载工况下的侧向位移目标。

8.单击设计菜单 ＞钢框架设计 ＞ 开始结构设计/检查 命令，可开始运行钢框架设计。 9.检查钢框架设计结果。可按下述之一进行：

单击设计菜单 ＞钢框架设计 ＞ 显示设计信息命令可在模型上显示设计信息。 当设计结果已显示时，在框架单元上右击，进入交互式设计模式，以便交互地设计框架单元。注意：当用户在此模式时，可修改覆盖项并立即看到新的设计结果。 如果当前没有显示出设计结果，则可单击设计菜单 > 钢框架设计 > 交互式钢框架设计命令，然后右击框架单元，进入此单元的交互式设计模式。

10.如有必要，再次使用设计菜单 > 钢框架设计 > 改变设计截面命令，修改所选框架单元的截面设计属性。

11.单击设计菜单 ＞ 钢框架设计 ＞ 开始结构设计/检查 命令，可重新运行带有新截面属性的钢框架设计。使用上述步骤说明的方法查看结果。

12.使用分析菜单 > 运行分析命令重新运行结构分析。注意：分析所使用的截面属性都是最新指定的设计截面属性。

13.将侧向位移值与侧向位移目标值进行比较。

14.单击设计菜单 ＞ 钢框架设计 ＞ 开始结构设计/检查 命令，重新运行带有新分析结果和新截面属性的钢框架设计。使用上述步骤说明的方法查看结果。

15.如有必要，再次使用设计菜单 > 钢框架设计 > 改变设计截面命令，修改所选框架单元的截面设计属性。

16.如有必要，可多次重复步骤 12、13、14 和 15。

17.选择所选框架单元，并单击设计菜单 > 钢框架设计 > 使自动选择截面为 空命令。该命令将从所选框架单元（如果它们已进行了钢框架设计步骤）中删除所有自动选择的截面指定。

18.使用分析菜单 > 运行分析命令重新运行结构分析。注意：分析所使用的截面属性都是最新指定的设计截面属性。

19.验证所得到的侧向位移值是否在允许范围值之内。

20.单击设计菜单 ＞ 钢框架设计 ＞ 开始结构设计/检查 命令，可重新运行带有新截面属性的钢框架设计。使用上述步骤说明的方法查看结果。

21.单击设计菜单 > 钢结构设计 > 校核分析与设计截面命令，可校核所有最终设计截面是否与最近一次的分析截面相符合。

设计是个反复的过程。开始运算分析的截面与设计完成时的截面往往是不一致的。必须确保使用最终的框架截面尺寸对建筑进行了分析计算，然后用这样得出的数据运行设计检查。单

击设计菜单 > 钢框架设计 > 校核分析与设计截面命令，确保此设计截面与分析截面相同。

非线性动力分析中结构某些单元的属性随时间的变化可能是非线性的，或结构某一方面效应随时间的变化是非线性的，但是对于每一时刻结构系统的经典力学平衡方程仍然是成立的，因此传统的非线性求解方法仍然是通过每一个时程积分时刻的平衡方程进行求解的。与线性相同，非线性时程分析对于每一时刻的平衡方程的积分方式仍然分为两大类——模态积分和直接积分。对于直接积分方式，非线性时程分析所常用的积分方式与线性分析是相同的，这在本书的第十三章线性动力分析中已经给出了，本章不在重复叙述。对于模态积分方法，SAP2000程序采用了一种新的求解方法——Fast Nonlinear Analysis Method（快速非线性分析法），本章下一节将对这种方法进行介绍。 非线性时程分析工况中对于不同的时程类型也需要进行相关的阻尼设置，这一点仍然与线性时程分析定义方式相同，相关内容可以参见第十三章。但是如果在结构中考虑非线性连接单元时，程序将允许单独定义非线性连接单元的阻尼属性，这些阻尼属性有时是随着时间发生非线性变化的，SAP2000程序将同时考虑结构非线性连接单元的阻尼属性和非线性时程工况阻尼属性，综合计算结构在动力分析中的阻尼效应。在非线性时程分析过程中，当选择时程类型为直接积分时，需要考虑并选择时程积分的方式。在非线性时程分析中时间积分方式可以选择的方式及其意义与线性时程分析相同，相关内容可以参见第十三章。值得一提的是，对于非常大的结构系统，把振型叠加和增量法结合起来对于具有少量非线性构件的系统是很有效的。SAP2000程序的新版本中已经加入了这种方法。

在使用SAP2000进行非线性时程分析之前还需要明确一个概念，即程序中可以考虑结构非线性属性的范围，目前SAP2000程序可以考虑的非线性属性可以根据性质分为四个类型：几何非线性、材料非线性、边界非线性和连接单元的非线性，这些类型也基本涵盖了结构分析所需要考虑的几种非线性类型。但是需要注意，并不是所有非线性时程分析类型都可以考虑这些非线性类型，不同的时程类型所能够考虑的非线性的类型是不一样的，这一点在后面的内容中会进一步说明。

几何非线性主要是指P-△效应、几何大变形分析等与结构几何性质相关的非线性。传统意义上的线性静力和动力分析都是以结构小变形假设为基础的，这对于一般结构体系是适用的，但是对于大跨度或柔性结构体系一般就不适用了。几何非线性主要任务是在这一假设与实际结构相差比较大的情况下，考虑真实大变形的情况。材料非线性主要是指构成建筑结构材料属性所带来的结构非线性，对于建筑结构常用的钢材和混凝土材料，其应力-应变在一定应力范围内表现基本是线性的，这是我们常规结构分析和设计的基础，而当应力超过这一范围后则会表现出很强的非线性属性，因此结构材料承载力特性总体上就会表现为非线性属性，结构材料的非线性还包括有些时候在结构分析中考虑的单拉或单压结构材料单元。边界非线性指的是边界接触问题，比如常见的缝隙问题和边界连接问题，可以使用SAP2000的缝隙单元或钩单元来实现。连接单元的非线性主要是指结构设计中考虑附加的阻尼器和隔振

器等装置的非线性属性，这类结构单元不仅表现为非线性的属性，而且还可以通过滞回曲线的定义考虑单元往复加载过程中的塑性发展和能量耗损特性。

需要说明的是，对于材料非线性的考虑和实现，SAP2000目前仅限于框架单元（梁、柱及支撑），并没有给出面单元（比如剪力墙）以及实体单元的塑性破坏模型。此外，对于框架单元的材料非线性是体现在塑性铰属性的，也就是当单元截面内力大于该截面的承载力极限时，该截面将会卸载直至表现为铰接的形式，这一内容将在后面相关的小节中进行讨论。对于单拉、单压，包括索单元的单拉属性，是需要在框架属性定义中进行相关定义并进行考虑的。

在一定的单元范围内，SAP2000对于这四个类型的非线性都能够考虑，而且均能够在非线时程分析中进行考虑。但是对于模态积分和直接积分两种积分方式的非线性分析所能够考虑的非线性属性是不一样的。当使用模态积分非线性时，只能考虑结构中边界及连接单元的非线性，包括缝、钩、弹簧非线性连接单元和阻尼器隔振器等非线性连接单元。而当使用直接积分非线性分析时，可以考虑全部四种类型非线性形式。

当选择模态积分类型非线性时程分析工况时，程序将默认选择考虑非线性连接单元的非线性，而且这一选择是不能够进行自定义修改的。当选择直接积分类型非线性时程分析时，程序将默认选择考虑所有材料非线性和连接单元非线性，并且也是不能够进行修改，但是对于P-△效应和几何大位移的几何非线性，工程师可以进行选择考虑或不考虑，程序默认是不进行考虑的。此外需要注意，在两种积分方式中，非线性属性列表中时间相关的材料属性始终不会被选中，由于这一内容涉及到施工阶段混凝土材料属性龄期相关的非线性变化，而这一点在时程分析中是没有意义的，因此非线性时程分析不考虑这一属性。这一属性在另一种非线性静力分析——施工顺序加载分析中进行考虑的，也仅在这一分析工况中才考虑。

2.FNA方法简介

快速非线性分析（FNA）方法是一种非线性分析的有效方法，在这种方法中，非线性被作为外部荷载处理，形成考虑非线性荷载并进行修正的模态方程。该模态方程与结构线性模态方程相似，因此可以对模态方程进行类似于线性振型分解处理。然后基于泰勒级数对解的近似表示，使用精确分段多项式积分对模态方程进行迭代求解。最后基于前面分析所得到的非线性单元的变形和速度历史计算非线性力向量，并形成模态力向量，形成下一步迭代新的模态方程并求解。以上就是SAP2000程序中FNA法的基本思路和步骤，由于本书篇幅所限，SAP2000所使用的FNA法的算法参见软件其它资料。

FNA方法是简单而又非常有效的方法，特别是FNA方法与LDR结合使用，可以产生一组LDR向量以精确捕捉这些力的效应。在FNA方法中，通过对于一个较小时间步长中力的线性变化处理，可以精确求解简化的模态方程组，并且没有引入数值阻尼和使用较大时间步长的积分误差。使用FNA方法时，计算模型必须在结构上是稳定的。因此，程序中，对于非线性连接单元，将同时被赋予非线性属性和使用有效刚度定义的线性属性，保证结构所有工况的稳定性（这一点在后面还会谈到）。在非线性迭代求解期间，这一有效刚度单元中的力将被移到平衡方程的右边并去除。这些虚拟或有效刚度单元不会把长周期引入基本模型中，因此会改进许多非线性结构求解的精度和收敛速度。

FNA方法可以用于非线性结构动力分析求解，同时还可以对静力荷载分析工况进行求解。这时，只是需要将荷载通过若干步缓慢地加到定值，并添加较大的模态阻尼值以抑制结构在该

静荷载作用下的震动。最终的收敛解将处于静力平衡，并且不含有惯性力。需要注意如果要使用此方法求解决静力问题，则有必要使用与非线性自由度有关的Ritz向量法分析，而不应使用精确特征向量法分析。

使用SAP2000可以计算带有隔振、阻尼等非线性连接单元结构的非线性分析。在这类结构中能量的耗损比例是衡量单元效用的重要指标，SAP2000程序通过把模态阻尼和非线性单元作为时间函数来计算并绘制总输入能量、应变能量、动能、和能量的损耗。除此之外，程序还能够计算出能量误差，用户可以评估适当的时间步长。这些功能对于此类非线性分析是非常有用和方便的。

1）动力弹塑性分析基本过程

动力弹塑性分析的首先需要定义框架单元的塑性铰，对于钢结构和混凝土结构程序提供了常用的默认铰属性，工程师根据需要可以对于塑性铰进行自定义，关于这一部分内容与静力Pushover分析完全相同，此处就不再做重复叙述了。定义塑性铰以后，需要将塑性铰指定给框架单元，指定方式与静力Pushover分析完全相同。其原则是对于轴向应力铰一般指定在单元中部，对于其他类型的铰指定于单元的两端。另外，需要指出的是，对于实际工程的弹塑性时程分析需要占用的计算资源比较大，因此建议工程师对于概念判断有可能为薄弱部位的单元指定相关塑性铰，而不要对于太多构件单元甚至全部构件指定塑性铰。指定框架单元的塑性铰后，就可以进行弹塑性时程分析工况的定义，这类时程工况的定义与一般时程工况定义相同。需要注意的是，如我们在前面对于程序所考虑非线性的讨论，模态积分的时程分析是不考虑结构材料非线性的，在这一类分析工况中不能够考虑框架单元的塑性铰。因此，如果需要进行弹塑性时程分析，在工况定义过程中必须选择直接积分的时程分析类型，这时程序会默认考虑框架塑性铰属性。在定义时程分析工况以后，就可以进行弹塑性时程分析，分析完成之后可以根据我们后面算例给出的结果查看方式进行结果查看和分析。静力弹塑性铰的属性中卸载方式可以选择卸载整个结构、应用局部重分配和使用正割刚度重新开始三种方法，但是在动力弹塑性分析中程序将默认使用第二种卸载方法，即应用局部重分配。只是含有铰的单元被卸载。当一个铰在应力应变曲线的负斜率部分上，而且应用荷载引起应变反转时，程序将使用暂时的、局部的、自平衡的内部荷载以卸载此单元。这将引起铰卸载。在铰卸载之后，暂时的荷载被反转，传递移除的荷载到附近的单元。这个方法模仿了局部惯性力稳定一个快速卸载单元的方式。 2）动力弹塑性分析需要说明的几个问题

在SAP2000中框架塑性铰是刚塑性的，也就是说塑性铰由刚性和塑性两个阶段组成，不存在弹性的阶段。由于没有弹性属性，因此与我们后面将谈到的非线性连接单元不同，添加到框架对象的塑性铰对于框架单元的弹性属性没有影响，因此对于结构线性分析，比如结构的模态分析和线性动力分析不会产生影响。由于塑性铰是刚塑性的，因此在塑性铰在屈服之前无论是卸载状态还是重新加载状态，铰内部都不会发生任何变形（体现在塑性铰发展曲线上，是沿着铰发展曲线中与Y轴线重合部分变化）。所有的弹性变形均发生在框架单元中。当塑性铰屈服以后，塑性铰内部将发生塑性变形，并且在卸载时沿着平行于Y轴的直线卸载。当进行动力弹塑性分析时，由于动力荷载一般体现了一定的周期性，因此塑性铰将出现加载

和卸载的往复作用，如果塑性铰在这些往复作用过程中没有达到屈服，则塑性铰不会发生任何变形，也不会产生能量的耗损作用。当作用的幅值足够大时，塑性铰将达到屈服，而进入塑性变形状态，此后的在往复加载过程中，将沿着类似如图

所示的滞回曲线轨迹发展，此时塑性将产生结构的能量耗损。为了能够判断该塑性铰所处于的塑性发展阶段，图

同时输出了铰曲线和塑性铰骨架曲线。

4.非线性连接单元需要明确的几个概念 1)线性有效刚度

在前面的非线性阻尼、隔震单元中我们也已经看到，对于这些单元并非所有的自由度都需要指定非线性属性，当某个自由度不需要指定非线性属性时，那么在所有线性和非线性分析中，这一自由度使用线性有效刚度。线性有效刚度代表用于所有从零初始条件开始的线性分析的连接/支座单元的总弹性刚度。

对于设置阻尼器和隔震器等非线性连接单元的结构，并非所有的分析工况都是非线性分析，比如说线性静力分析、模态分析等工况，这些线性分析工况中显然是不能够考虑单元中的非线性属性的，但是如果某些单元的非线性属性不能考虑时，可能就会带来结构的不稳定等一系列基本力学问题，因此这时也需要使用非线性单元的线性属性。也就是说，对于所有线性分析工况，非线性单元所表现的是线性属性，所使用的刚度是在线性属性中定义的有效刚度。

在非线性时程分析中，使用直接积分时，结构效应反应了实际的刚度和其他指定的非线性参数，对于结构中设置的非线性连接单元，所体现的属性是所定义的非线性属性。如果使用的是模态积分，模态积分本身是线性分析，所以模态分析考虑的非线性单元的属性是在线性属性中所定义的有效刚度。

在实际工程使用中，对于阻尼器单元，有效刚度一般应为零；对于橡胶隔震器和摩擦隔震器，有效刚度应在零和k之间（k是给定自由度的非线性刚度属性）。若用户对k选择了一个人为的大值，要确认使用一个很小的ke（有效刚度）值，来避免在非线性模态时程分析中的数值问题。 2) 线性有效阻尼

与线性有效刚度相对应，在非线单元中需要定义线性有效阻尼。线性有效阻尼的使用与线性有效刚度完全相同，主要用于非线性单元中线性自由度方向阻尼属性，以及所有自由度在线性分析工况的阻尼属性。

线性有效阻尼对于用作反应谱分析的单元，和对于线性和周期性时程分析，代表总粘滞阻尼。对于这些类型分析，忽略实际的非线性属性。有效阻尼可用来代表由于非线性阻尼、塑性或摩擦产生的能量消散。

在动力分析过程中，有效阻尼被转换为阻尼比、假定比例阻尼。这些有效振型－阻尼被加在任意其它工程师直接指定的振型阻尼。程序将不允许任意振型的总阻尼比超过99.995%。 振型交叉耦合阻尼项对结构是非常显著的。一个基于有效阻尼属性的线性分析可能高估了结构中存在的阻尼量。非线性时程分析不使用有效阻尼值，因为其直接考虑了单元能量消散，且正确的考虑了振型交叉耦合的效果。对于决定附加的能量消散装置的效果，强烈建议非线性时程分析。 3) 非线性变形荷载

一个非线性变形荷载是一组在结构上的力和/或弯矩，它们激发连接/支座单元的非线性内部变形。非线性变形是一个已被指定非线性属性的连接/支座的内部变形。非线性变形荷载用来对Ritz向量分析初始荷载向量。它们的目的是，当进行非线性振型时程分析时，产生充足的代表非线性行为的振型。对每一连接/支座单元非线性内部变形，可使用分别的非线性变形荷载。

当要求Ritz向量分析时，用户可指定程序使用内部的非线性变形荷载，或用户可定义其自己的荷载工况。对于后者，模型中的每一连接/支座单元，用户可能需要最多6个此类的荷载工况。对于单个两节点连接/支座单元，内部的非线性变形荷载图示于

每一组力和弯矩是自平衡的。这趋向于将荷载效果局部化，一般产生一组较好的Ritz向量。对于单个节点单元，只需要作用于节点j的力和/或弯矩。对于每一个作用有从非线性变形荷载产生的力或弯矩的自由度，强烈建议有质量或质量弯矩惯性矩存在。产生适当的Ritz向量时需要这些。

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