sap2000钢结构设计手册
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SAP2000钢结构设计手册
（中文资料）
2003年4月
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目 录
第一章 绪论
1.1概述
1.2本书的组织
第二章 设计方法
2.1设计荷载组合
2.2设计和校核位置
2.3 P-△效应
2.4单元无支撑长度
2.5有效长度系数
2.6 可选的单位制
第三章 AISD-ASD89规范
3.1设计荷载组合
3.2截面分类
3.3应力计算
容许应力计算
受拉容许应力
受压容许应力
受弯屈曲
弯扭屈曲
受弯容许应力
I型截面
槽型截面
T型和双角钢截面
箱型截面和矩形管截面
扁钢
单角钢
一般截面
容许剪切应力
3.4应力比计算
轴向和受弯应力
剪切应力
第四章 AISC-LRFD93规范
4.1设计荷载组合
4.2截面分类
4.3计算荷载系数
4.4名义强度计算
受压抗力
受弯屈曲
弯扭屈曲
扭转和弯扭屈曲 3 受拉抗力
受弯抗力
屈服
侧向扭转屈曲
翼缘局部屈曲
腹板局部屈曲
受剪抗力
4.5应力比计算
轴向和受弯应力
剪切应力 4
第一章 绪论
1.1概述
SAP2000功能强大，完全整合了钢结构和混凝土结构建模和设计。程序提供了一体化
集成的结构模型建立、修改、分析、设计用户界面。程序不仅可以设置初始构件尺寸，还能
在同样的界面下对其进行优化。
在程序提供的交互环境下，用户能查看结构的受力状况，对设计作适当的调整，比如修
改单元属性及重新验算结果而无须重新启动结构分析。只要在单元上点击鼠标就可以查看到
详细的设计信息。图形和表格形式的结果的在屏幕输出的同时可随即打印输出。
程序广泛支持最新的国内外设计规范，用来进行钢结构和混凝土结构构件自动设计和校
核。当前版本支持以下钢结构设计规范：
z U.S.AISC/ASD(1989),
z U.S.AISC/LRFD(1994),
z U.S.AASHTO LRFD(1997),
z Canadian CAN/CSA-S16.1-94(1994),
z British BS 5950(1990), and
z Eurocode 3 (ENV 1993-1-1).
设计基于用户指定的荷载组合，但是，程序提供了所支持的各种规范所对应的缺省的荷
载组合。如果用户认为设计可以采用缺省的荷载组合，就不需要在另行定义。
设计过程中，程序从一组用户定义的截面中选择满足强度条件下重量最轻的截面作为构
件设计结果。可以为不同的单元组指定不同的可选截面，同样单元也可以成组的设置成同样
的截面。
设计校核过程中，程序计算构件受轴向力、双向弯矩、和剪力作用下的承载能力比（荷
载作用/构件抗力）。承载能力比采用按照极限状态设计方法，由单元应力、设计容许应力、
荷载系数以及抗力等系数得到。
设计校核是在程序缺省或用户指定的荷载工况组合的基础上进行的，承载能力比的最
大，最小的值用来进行构件截面的优化设计。
程序自动计算构件受轴向力、双向弯矩、和剪力作用下的容许应力。计算框架柱有效长
度系数的繁重的工作也由程序自动完成。 5
结果的输出简洁明了。输出的信息能够让设计人员在应力超限时作适当的调整。程序提
供的设计信息的备份同样提供了结果验证。
抗震设计所特别提出的要求没有包括在SAP2000当前的版本中。
国际标准单位制SI，MKS单位制以及英制单位都可以选用。
1.2本书的组织
第二章讲述了SAP2000进行钢结构设计的方方面面以及一些SAP2000钢结构设计方面
的专用术语。
接下来的章节详细的介绍了SAP2000所支持的规范的应用。各章都描述所考虑的设计
荷载组合，如何计算构件受轴向力、双向弯矩、和剪力作用下的容许应力和抗力以及如何计
算承载能力比。
其它内容如下：
z 第三章介绍了AISC ASD （1989） 规范
z 第四章介绍了AISC LRFD （1994） 规范
最后介绍了SAP2000钢结构设计方面的图形和表格输出。
第二章 设计方法
本章介绍了SAP2000采用的钢结构设计和校核的过程。钢结构设计和校核的过程以下
列规范的应用为依据：
z 美国钢结构协会的“建筑钢结构容许应力设计和塑性设计规范”AISC-ASD(AISC
1989)
z 美国钢结构协会的“建筑钢结构荷载与抗力设计规范”AISC-LRFD（AISC 1994）
SAP2000采用的这些规范的详细的计算方法将在以下章节介绍，本章介绍所有规范一
些常规的背景知识。
假定读者有过一般钢结构设计方面的工程背景，并且至少熟悉上面提到的一种规范。 6
2.1荷载组合
设计荷载组合用于结构的设计和校核。荷载系数用于区别所采用的不同规范的系数值，
荷载组合系数用于得到设计荷载组合下放大的轴力、弯矩和剪力值。
对于所组合的多种荷载，包括响应谱分析、时程分析、移动荷载，以及多种组合方式，
如包络、平方和开方或者绝对值，各种参与组合的荷载之间的相互作用的影响被忽略了，程
序自动使用最大最小排列的方法计算多个子组合。对于响应谱分析，程序认为最小为负值中
的最大值为最小值，所以不需要使用负数对响应谱分析单独进行组合。
对于设计组合只包括单个的时程分析或者移动荷载的情况使用其它的方法，程序能实现
整个时程分析中每一时间步的子组合，同时也能在移动荷载的情况下使用最大最小的方法进
行子组合，但是这样忽略了荷载之间的相互作用的影响。
对于通常的荷载组合，如静力荷载、活荷载、风荷载和地震荷载，或者地震荷载的响应
谱，程序提供了所支持的各种规范对应的默认的荷载组合。这些组合在后面的章节中介绍。
对于其它荷载情况，包括移动荷载，时程分析，屋顶单独考虑的活荷载，雪荷载等，用
户必须根据设计需要自定义荷载组合。
缺省的荷载组合对于所有定义为恒载(dead load)的静力荷载（static load cases）在组合中
是可加荷载。同样，所有定义为活载(live load) 的荷载在组合中也是可加荷载。但是，风荷
载和地震静力荷载以及响应谱分析结果之间是不可相加的，从而形成多个侧向荷载组合。风
荷载和地震静力荷载对荷载反号的工况都单独进行组合。如果这些组合不符合设计要求，用
户可以自定义合适的荷载组合。
如果有所需要或者没有其它自定义的荷载组合，缺省的荷载组合包括在设计中。如果缺
省的荷载组合包括在设计中，那么随着用户选择相应的规范或者修改静力和响应谱分析结
果，程序会自动更新缺省的荷载组合。
活荷载折减系数用于缩小构件内力，减少活荷载对荷载组合的贡献。
提醒用户：对于部分或者全部构件，在计算中移动荷载和时程分析的结果如果不需要恢
复，那么所有在所有包含这些荷载的荷载组合中这些荷载的效应为0。
2.2校核位置
各荷载组合下，程序在沿杆件轴向的一定位置进行设计校核。设计校核的位置根据单元
净长度所等分的数目计算得到。用于杆件校核位置所需要的等分数目由用户在分析前设置。
用户可以通过加大等分数目得到更精确的设计校核。 7
各荷载组合下，受轴力和弯矩的应力比和剪应力比都在沿轴向的等分位置计算。通过实
际的单元应力和相应的容许应力得到各种规范下的应力比。受拉或压的杆剪的应力比大小与
计算位置、荷载组合以及规范要求。应力比大于1.0表明超过了极限状态。
2.3 P-△效应
SAP2000的结构分析考虑构件的P-△效应。无侧移（有支撑）和有侧移（无支撑）框
架结构的P-△效应加以区分考虑。无侧移框架结构的P-△效应只限于单个构件的稳定；对
于有侧移框架结构，除了单个构件的稳定外，侧移效应也得到考虑。在SAP2000中，假定
无侧移框架结构计算模式仅在恒载和活载起作用，而有侧移框架结构计算模式则在任何其它
荷载作用下都起作用。
对单个构件的稳定，弯矩通过AISC-LRFD定义的弯矩放大系数加以放大。AISC-ASD
规范不考虑弯矩放大系数。
对于有侧移框架结构的侧移效应，SAP2000假定放大系数已经包括在计算结果中，因
为除AISC-ASD规范外P-△效应都加以考虑了。
SAP2000的用户应该注意，缺省的分析设置没有打开P-△效应开关。缺省的P-△计算
迭代次数为1。用户可以设置打开P-△效应开关并且设置最大的P-△计算迭代次数。
AISC-ASD规范不考虑P-△效应的影响。
SAP2000的用户还应该注意，当前的程序仅考虑了框架单元的轴力的P-△效应。其它
类型的单元对P-△效应没有贡献。如果这些类型单元中受力很大，如受很大轴力的剪力墙
建模采用壳单元，那么SAP2000的P-△效应所得到的结果将不准确。
2.4单元无支撑长度
无支撑长度为了考虑柱的长度系数，两个支撑长度l
22和l
33，如图II-1所示。支撑长度
是单元在相应方向的支撑点间的距离，l
33为3-3轴方向（主轴）的无支撑长度，l
22用于计
算2-2轴（弱轴）单元侧向扭转屈曲。
一般地，无支撑长度等于单元长度，但是，程序容许用户指定一些单元作为单个构件来
设计。这样作与受主轴受弯和弱轴受弯不同。因此，对于影响无支撑长度计算的外部点，如
图II-3所示，程序会自动考虑。
