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SAP2000高级应用：非线性动力分析结构软件—sap200 2010-12-30 11:40:39 阅读142 评论0 字号：大中小订阅1.非线性时程分析工况的定义及相关概念1) 时程函数的定义与线性时程分析相同，非线性时程分析首先需要定义时程函数曲线，定义方式与线性时程分析是相同的。
如果需要进行罕遇地震作用下结构的非线性分析，需要选择地震波曲线，可以使用程序联机带有的常用地震波形式以及我国规范常用的几种场地状态下地震波曲线，可以通过峰值控制来得到罕遇地震的地震时程曲线。
除了罕遇地震作用以外，作用于结构更复杂的动力荷载一般需要提供该作用的数据形式，或工程师根据荷载特征构建荷载作用的数据形式，比如一定的冲击荷载作用或爆炸荷载作用。
对于这类荷载数据形式的形成和使用方式与线性时程分析中所描述的时程曲线形成的方式相同，对于几种典型动力作用的时程曲线我们在本章后面相关专题将会再次涉及到。
2)时程工况的定义与线性时程分析相同，完成时程函数曲线定义之后，需要定义非线性时程分析工况。
当选择添加新工况并在分析工况类型下拉菜单中选择Time History，可以弹出时程分析工况定义对话框。
非线性分析工况定义对话框与线性时程分析对话框是相同的:如果需要定义的是非线性时程分析，首先需要在分析类型选项中选择非线性分析类型。
与线性时程分析相同，需要选择时程分析的类型，关于时程类型在线性时程分析已经进行了全面的阐述，其意义与线性时程分析相同，因此本章就不再进行赘述了。
当选择为直接积分时，可以为该工况定义初始条件，初始条件的意义在线性时程分析中已经阐述，并且该节中也描述了在初始条件的定义中需要注意的问题。
3）积分方式和阻尼设置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。
SAP2000程序中提供了强大的分析功能，不仅囊括了土木工程领域几乎所有的分析类型：静力分析、动力分析、模态分析、反应谱分析等，最近还发展了在机械行业常用的频域分析，如稳态分析及PSD 分析。
工程师需要做的是将实际结构简化为合理的计算模型。
对于非线性分析，选择不同的求解器、控制方法或者分析参数，计算结果会明显不同，因此工程师需要对非线性分析过程有一定的了解，并应具备一定的数值计算知识。
下面主要剖析土木工程行业常用的分析工况，并针对工程师遇到的常见问题做必要的解释说明。
1 线性分析与非线性分析在SAP2000中，静力分析与时程分析工况均可根据需要设定为线性或者是非线性分析。
两者的区别见表1。
线性分析与非线性分析的区别表1非线性可能有以下几种情况：1）P-Δ（大应力）效应：当结构中有较大应力（或内力）时，即使变形很小，以初始的和变形后的几何形态写的平衡方程的差别可能很大；2）大变形效应：当结构经历大变形时，变形前后的平衡方程差别很大，即使应力较小时也是如此；3）材料非线性：材料的应力-应变关系不是完全的线性，或者是塑性材料；4）人为指定：如指定了拉压限制，结构中包含粘滞阻尼单元或者其他非线性单元等情况。
在定义分析工况时，如果要考虑第1，2种非线性，可在工况定义时设定。
材料非线性在目前SAP2000版本中主要体现为各种形式的塑性铰，如轴力铰、剪力铰、PMM铰等。
铰的力学属性为刚塑性，出现铰意味着框架进入塑性阶段。
带有铰的框架对象的弹性属性来自于框架单元本身的弹性。
SAP2000更高版本将会融入Perfor m系列程序，届时用户可以更加灵活地定义材料非线性。
2 Pushover分析Pushover分析是一种静力非线性分析，用户定义侧向荷载来模拟地震水平作用，且通过不断增大侧向作用，追踪荷载-位移曲线，将这条曲线（能力曲线）与弹塑性反应谱曲线相结合，进行图解，得到一种对结构抗震性能的快速评估的方法，称为Pushover方法。
SAP2000 V14 中文版增强特性列表北京金土木软件技术有限公司正式推出SAP2000 V14 中文版。
此版本中的创新性增强特性归纳如下所示：非线性与Pushover•新增加非线性分层壳单元（Layered Shell Element），应用材料方向模型来进行剪力墙结构或相似应用的pushover分析。
程序提供一个快速开始选项来方便地模拟钢筋混凝土截面。
剪力墙特性演示•壳层应力的绘制功能。
•截面设计器可以根据设计的钢筋用量来确定框架的塑性铰（设置截面为“To be Designed”）。
•截面设计器改进了对纤维模型PMM表面的显示。
•更新了混凝土的默认材料属性，以提高收敛性能。
•对于纤维铰和多段线性连接的迭代过程，使用切线刚度以提高收敛性能。
动力分析• 对于线性和非线性的直接积分时程分析，可以使用基于材料的阻尼。
• 对于稳态分析和功率谱密度分析，可以使用基于材料的阻尼。
• 刚度比例阻尼可以使用初始刚度代替切线刚度，以提高结果的一致性和收敛性能。
• 反应谱分析中的刚性响应计算针对NRC（美国原子能管理协会）和一般应用进行了改进。
• 改进了反应谱分析和模态时程分析中的底部反力，对于弹簧和接地连接支座可以更好地捕捉质量缺失效应。
• 为统一起见，底部反力不再包含支座约束处的束缚力（constraint forces）。
桥梁建模和设计• 完成AASHTO LRFD 2007上部结构预制混凝土组合截面设计，校核包括：应力、挠度和抗剪（使用MCFT）。
自动化的桥梁抗震设计演示• 针对AASHTO Guide Specifications for LRFD的完全自动化的桥梁设计校核。
实现了Seismic Bridge Design 2009，包括需要时的pushover分析。
• 对于上部结构预应力混凝土箱梁的抗弯设计校核，按照AASHTO LRFD 2007自动处理二阶预应力。
• 增加了AASTHO/USGS 2007的反应谱函数。
SAP2000 V14非线性分层壳单元高层及超高层建筑中剪力墙是常见的抗侧力构件，也是某些结构中的主要抗侧力构件。
在SAP2000 V14之前的版本中仅能对面单元进行弹性分析，一旦涉及到弹塑性分析，在SAP2000中，广大工程师只能通过等刚度代换或添加连接单元等近似的方法间接地模拟剪力墙的非线性，在某种程度上给工程师带来了不便，因此SAP2000 V14中增加了新的单元——非线性分层壳单元，可以更加真实、合理、方便地模拟剪力墙在非线性分析中的受力情况，而无需用其他构件等代。
1、非线性分层壳单元的原理分层壳单元[1-4]基于复合材料力学原理，将一个壳单元分成很多层（如图1所示），每层根据需要设置不同的厚度和材料，材料一般包括钢筋或者混凝土等。
在有限元计算时，首先得到壳单元中心层的应变和曲率，然后根据壳单元各层材料在厚度方向满足平截面假定，由中心层应变和曲率得到各钢筋和混凝土层的应变，进而由材料本构方程可以得到相应的应力，积分得到整个壳单元的内力。
分层壳单元考虑了面内弯曲-面内剪切-面外弯曲之间的耦合作用，比较全面地反映了壳体结构的空间力学性能。
文献[2-4]中，分层壳模型计算和实际结构试验进行了大量对比，表明了分层壳模型在分析剪力墙结构时具有很高的精度和实用性。
另外壳的平面外性能由分层壳的层数影响，层数越多，计算结果越精确，文献[3]对其精度与层数的关系进行了详细研究。
图1 分层壳单元2、分层壳单元在SAP2000 V14中的定义分层壳单元直接使用混凝土、钢筋的本构行为模拟墙单元的非线性行为，材料的非线性属性的定义因此非常关键。
首先是定义材料的本构关系，程序通过点击材料定义中的“切换到高级属性显示”进入非线性数据对话框，混凝土及钢筋的本构关系如图2和图3所示。
图2 混凝土的应力-应变图图3 钢筋材料的应力-应变图对于混凝土的本构模型可以选择Simple或者Mander 模型，如果选择Simple模型将不能考虑箍筋对混凝土本构关系的影响，当选择Mander[5]模型时，Sap2000 V14中可以根据所配箍筋的不同对模型进行修改，如图4所示。
sap2000钢筋混凝土非线性计算在建筑结构的设计和分析中，准确评估钢筋混凝土结构在各种荷载作用下的性能至关重要。
SAP2000 作为一款功能强大的结构分析软件，为钢筋混凝土非线性计算提供了有效的工具和方法。
钢筋混凝土结构的非线性行为主要源于混凝土材料的非线性特性、钢筋的屈服和强化，以及钢筋与混凝土之间的粘结滑移等因素。
这些非线性特性使得结构在受力过程中的响应变得复杂，传统的线性分析方法往往无法准确预测结构的实际性能。
在 SAP2000 中进行钢筋混凝土非线性计算，首先需要对混凝土和钢筋的材料模型进行合理的定义。
对于混凝土，常见的模型有弥散裂缝模型和塑性损伤模型。
弥散裂缝模型将混凝土视为各向同性的连续材料，通过引入裂缝张开和闭合的准则来模拟混凝土的开裂行为。
塑性损伤模型则考虑了混凝土在受压和受拉时的损伤演化，能够更准确地反映混凝土在反复荷载作用下的性能劣化。
钢筋的模拟通常采用理想弹塑性模型或考虑强化阶段的双折线模型。
理想弹塑性模型简单直观，适用于对钢筋性能要求不高的情况。
双折线模型则能够更好地反映钢筋在屈服后的强化行为，提高计算结果的准确性。
除了材料模型，构件的截面定义也是关键的一步。
在 SAP2000 中，可以通过自定义截面或使用软件提供的标准截面类型来模拟钢筋混凝土构件的截面形状和配筋情况。
对于复杂的截面，如异形柱或配有多排钢筋的梁，自定义截面能够更精确地反映实际的配筋分布。
在建模过程中，还需要合理地设置边界条件和荷载工况。
边界条件的正确定义能够反映结构与基础或相邻构件之间的连接方式和约束情况。
荷载工况则应根据实际的设计要求，包括恒载、活载、风载、地震作用等，进行准确的施加。
完成建模和参数设置后，就可以进行非线性计算分析。
计算过程中，SAP2000 会自动迭代求解结构的平衡方程，逐步更新结构的内力和变形。
通过查看计算结果，可以得到结构在不同荷载阶段的应力分布、裂缝开展情况、构件的变形和内力等重要信息。
sap2000时程分析（Time-history Analysis）学习小结一、什么时程分析？1.1地震作用是建筑结构可能遭遇的最主要灾害作用之一。
几十年来，人们积累了大量的实测地震资料，这些资料多以位移、速度或者加速度时程的形式体现。
与此相对应，时程分析方法也被认为是最直接的一种计算建筑结构地震响应的方法。
但是，由于地震作用随机性导致计算结果的不确定性，弹性时程分析方法只是结构设计的一种辅助计算方法；虽然如此，抗震规范为了增强重要结构的抗震安全性，还是将弹性时程分析方法规定为常遇地震作用下振型分解反应谱法的一种补充计算方法；尤其是考虑了结构的弹塑性性能后，弹塑性时程分析方法更是被普遍认为是一种仿真的罕遇地震作用响应计算方法。
1.2时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。
由时程分析可得到各个质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，进而计算构件内力和变形的时程变化。
时程分析法是世纪60年代逐步发展起来的抗震分析方法。
用以进行超高层建筑的抗震分析和工程抗震研究等。
至80年代，已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。
时程分析法在数学上称步步积分法,抗震设计中也称为“动态设计”。
由结构基本运动方程输入地面加速度记录进行积分求解，以求得整个时间历程的地震反应的方法。
此法输入与结构所在场地相应的地震波作为地震作用,由初始状态开始,一步一步地逐步积分,直至地震作用终了。
是对工程的基本运动方程，输入对应于工程场地的若干条地震加速度记录或人工加速度时程曲线，通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态随时间变化的全过程，并以此进行结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算。
1.3振型分解法仅限于计算结构在地震作用下的弹性地震反应。
时程分析法是用数值积分求解运动微分方程的一种方法，在数学上称为逐步积分法。
这种方法是从t=0时刻开始，一个时段接着一个时段地逐步计算，每一时段均利用前一时段的结果，而最初时段应根据系统的初始条件来确定初始值。
目录一、问题描述 (3)二、模型建立 (4)2.1快速建立初步模型 (4)2.2定义轴网 (5)2.3定义材料 (5)2.4 框架截面的定义、指定、剖分 (6)2.6楼板的定义、绘制、剖分 (9)2.7指定节点束缚 (11)2.8指定线单元插入点 (11)2.9指定线对象的刚域 (13)2.10 定义荷载模式 (13)2.11对结构施加荷载 (14)2.12定义质量源 (15)2.13定义时程分析函数 (15)2.14定义荷载工况 (16)2.15定义广义位移 (20)2.16定义组 (20)三、有关铰的相关计算 (21)3.1 梁铰计算 (21)3.1.1计算不同情况下的屈服弯矩和极限弯矩 (21)13.2.2计算不同情况下的屈服曲率和极限曲率 (21)3.2柱铰的计算 (22)3.2.1轴力计算 (22)3.2.2计算柱的屈服弯矩和极限弯矩 (23)3.2.4计算屈服面上的特殊点 (24)3.2.5柱的弯矩曲率关系的定义以及梁的弯矩曲率定义 (26)3.3向模型中添加梁铰和柱铰 (28)4分析运行及结果查看 (29)4.1运行分析工况 (29)4.2小震下的运行结果 (30)4.2.1层位移 (30)4.2.2层间位移 (30)4.2.3层间位移角 (31)4.2.4层剪力 (31)4.2.5小震下的出铰情况和破坏机制 (32)4.2.6小震下的滞回曲线 (32)4.3大震的运行结果 (34)4.3.1层位移 (34)4.3.2层间位移 (34)4.3.3层间位移角 (35)10 ） (35)由层间位移除以对应的层高，就可以得到层间位移角，如下表：（单位：34.3.4层剪力 (35)4.3.5出铰情况和破坏机制 (36)4.3.6大震下的滞回曲线 (37)2一、问题描述已知结构为一栋七层框架结构。
结构尺寸如下图所示，混凝土强度等级为：1～5层采用C40；6、7层采用C30，恒载按实际梁、板、柱实际重量计算，不考虑装饰荷载，活荷载按2KN/m2考虑，不考虑风荷载。
第16卷第4期2007年12月计算机辅助工程CO MP UTER A I D ED ENG I N EER I N GVo.l 16No .4Dec .2007文章编号:1006-0871(2007)0420031205S AP 2000在桥梁抗震性能分析中的应用朱 宇, 康仕彬(同济大学土木工程学院,上海 200092)摘 要:为研究结构静动力有限元分析软件S AP 2000在桥梁抗震分析中的应用,对利用S AP 2000进行桥梁抗震模型建构的方法、特殊单元应用、分析计算方法、结果处理等进行介绍和总结,并给出某工程的桥梁抗震性能分析.研究表明,S AP 2000提供大量特殊单元,地震动输入简洁方便,计算方法合理多样,利用S AP 2000分析桥梁抗震性能的优势较大.关键词:S AP 2000;桥梁;抗震分析;有限元中图分类号:U 442.55;TB115;TP391.9 文献标志码:AApplication of SAP 2000in seis m ic analysis on br idgesZ HU Yu , KANG Shi b i n(School of C i vil Eng .,TongjiUn i v .,Shanghai 200092,China)Abstr act :To st u dy the se is m ic analysis on bri d ges usi n g the structura l static /dyna m ic fi n ite ele men t analysis soft w are S AP 2000,t h e mode ling method,choice of special ele men,t calcu lation method and re 2su lt treat m ent are intr oduced and summariz ed .The se i s m ic ana l y sis on a pr oject is presented .The study sho ws tha t S AP 2000has better advantages i n seis m i c analysi s of bridges f or its lar ge nu mber of spec i a l ele ments ,convenient earthquake i n pu,t and many types of rati o na l ca lculati o n methods .So t h e seis m ic analysis on bri d ges usi n g S AP 2000has better advantages .K ey w ord s :S AP 2000;bridge ;se is m ic analysis ;fi n ite ele ment收稿日期:2007205213 修回日期:2007206229作者简介:朱 宇(19832),男,安徽合肥人,硕士研究生,研究方向为桥梁抗震,(E 2m ail)z huyu_600@163.co m0 引 言S AP 2000是美国CSI 公司开发研制的结构静动力分析有限元软件,具有用户界面直观、易操作、结构动力分析功能强大、非线性单元种类多等特点,因此S AP 2000尤其适用于土建结构的动力分析,在桥梁抗震性能分析领域内也占据重要地位.本文简单介绍S AP 2000在桥梁结构抗震性能分析中的应用,包括桥梁抗震分析中的具体建模方法,一些特殊非线性单元的应用,以及在桥梁结构抗震分析中的优势等内容.利用S AP 2000对桥梁结构进行抗震分析的步骤主要包括前处理、计算分析和后处理等3方面,其程序架构见图1.图1 SAP 2000桥梁抗震分析程序架构1仿真模型建构方法与其他大型有限元程序一样,S AP2000几何物理模型的建立也由2条线构成:1条是由/节点)单元)结构0组成的几何模型;另1条是由/材料)截面)单元0组成的物理模型.S AP2000提供多种土建常用材料的属性,例如混凝土材料、钢材、铝等,也可根据用户需要自定义相应的材料特性.S AP2000同时还提供多种截面形式,如框架截面、索截面、面截面等,在框架截面中不仅有各类标准化的钢结构构件,也提供各种规则截面形式包括圆形、矩形、圆环等,还可以根据用户需要自定义截面特性,即直接给出截面面积、惯性矩、抗扭惯矩等常数.在建模的具体手段上,S AP2000提供多种方式供设计者选择,可以选用最直观的图形用户界面操作.该方法适合初学者,较容易学习,且思路清晰明了,缺点是重复操作步骤过多,不易批量处理建模中的类似工作,容易造成某些步骤的遗漏.S AP2000与Au to CAD也有较好的接口,可通过CAD的.dxf文件直接导入生成S AP几何模型,再对其进行赋予单元属性的工作.这里推荐S AP2000的另一种建模方式,即利用常用的O ffice办公软件之一Excel电子表格进行建模.这种方法将所有的信息,包括节点坐标、单元连接、材料属性、截面属性、单元属性等信息按照S AP2000规定的格式全部输入到Excel相应的工作表中,一次性导入至S AP2000程序.该方法既方便建模时的总体规划,使得模型的单元节点编号有规律可循;又可以使大量重复性及有规律性的赋值工作1次完成,节省建模时间;同时S AP2000的纠错功能也可避免此种方法建模的错误发生,提高工作效率.此外,S AP2000还提供基于电子表格的交互式编辑模式,方便模型建成后可能出现的批量修改.2特殊单元应用S AP2000除了提供常用的梁单元、索单元、面单元等,还为抗震分析特别设置多种多样的非线性单元用以模拟各类支座、阻尼器、梁体碰撞、防落梁挡块的特性,这是其他许多有限元软件难以做到的,因此也是S AP2000在桥梁抗震分析中的一大优势.此类非线性单元多用Link型单元模拟,而L ink 单元又分为多种类型.例如,滑板橡胶支座、摩擦摆支座可根据不同的要求采用P lastic(W en)或Fric2 ti o n模拟;黏滞性阻尼器采用Da mper模拟;梁体碰撞及防落梁挡块则采用Gap模拟;弹塑性软钢阻尼器由于其滞回曲线与摩擦支座相类似,也采用P las2 tic(W en)模拟.此外,Link型单元还提供如H ook,多线性弹性,多线性塑性等多种不同类型的非线性单元.通过这些L i n k型单元或者单元间的串并联组合,桥梁当中各种类型的连接构件均可在S AP2000中得到很好的模拟.L i n k型单元中Plastic(Wen)用以模拟摩擦板式橡胶支座受力性能,需要设置刚度、屈服力、屈后刚度比、屈服指数等参数.其中屈服力(即支座发生滑移时的受力)为恒载作用下支座反力和动摩擦因数(通常取0.02)的乘积,刚度一般根据支座在发生滑移时产生2mm的位移量计算得出,屈后刚度比通常取2@10-4等较小值,屈服指数反映曲线在屈服点光滑过渡段的范围,指数越大光滑过渡段范围越小,通常取5到10之间,最大一般不超过20.Plastic (W en)单元模型的力)位移曲线示意图见图2.图2P l a stic(W en)模型力)位移曲线示意图L i n k型单元中的D a mper用以模拟黏滞性阻尼器受力性能,需要设置刚度、阻尼系数、阻尼指数等参数.S AP2000的黏滞阻尼器单元采用Max well模型,即阻尼器与弹簧串联的形式,见图3.其中阻尼系数和阻尼指数是阻尼器的基本工程参数,由阻尼器规格决定,通常工程中使用的阻尼器阻尼指数介于0.1和1.0之间;刚度参数则是Maxwell模型中弹簧部分的刚度,用以模拟阻尼器构件连接等的弹性变形能力.[1]图3SAP中Dam per单元M axwe ll模型L i n k型单元中的G ap用以模拟梁体碰撞受力性能,需要设置open和刚度等参数.S AP2000的Gap单元采用线性弹簧模型,即弹簧与间隙单元串联的形式,见图4.其中open为间隙单元参数,反映碰撞体间的间隙距离,必须为0或正值;刚度参数是线性弹簧模型中弹簧部分的刚度,用以模拟碰撞时的碰撞刚度.[1]Gap单元模型的力)位移曲线示意32计算机辅助工程2007年图见图5.图4 SAP 中G ap单元线性弹簧模型图5 Ga p 模型力)位移曲线示意图在桥梁结构抗震性能分析中,往往需要考虑结构中的延性耗能构件(如桥墩)影响,S AP 2000对此也给予充分考虑,并提供铰这个特殊属性,很方便地解决桥梁抗震分析中的桥墩屈服的非线性问题.铰属性有很多种类型,例如M3铰、P M M 铰和V 2铰等,每种铰属性对应不同的屈服方式,如M3铰是以单向弯矩屈服为控制的,而P M M 铰则是以与轴力P 相关的弯矩屈服面为控制的.所有的铰属性都可以具体设置其控制参数,以确定其屈服条件.3 分析计算方法动力特性分析是桥梁结构抗震性能分析的最基本内容之一.S AP 2000在分析结构动力特性时有特征值法和利兹向量法两种.在计算时利兹向量法分析效率较高,一般的桥梁结构进行前500阶振型分析约需数分钟.S AP 2000在动力特性分析上比其他有限元软件效率高.桥梁地震响应分析方法由最初的静力法到20世纪普遍采用的反应谱方法,始终都处在线性分析阶段,而随着S AP 2000一类大型有限元分析程序和计算机水平的飞速发展,非线性动态时程分析法[2]已经越来越多地被应用到当前的桥梁抗震性能分析领域中.S AP 2000提供专为动力分析使用的函数定义,包括反应谱函数、时程函数及功率谱密度函数等,因此无论是对桥梁结构进行反应谱方法和时程法分析都非常易于操作,而其他各种大型有限元程序大多没有动力分析函数模块,这是S AP 2000在桥梁抗震分析中的又一大优势.反应谱方法建立在结构动力特性分析基础之上,采用振型组合方法进行,其本质还是拟动力分析.S AP 2000对反应谱的组合分析给出多种振型组合方式,如C QC 法、SRSS 法、ABS 法等,在方向组合上也给出S RSS 法及ABS 法等组合方法.设计者可以根据需要选择适宜的方法进行反应谱分析.时程分析法是结构真实的动力分析,而且随着当前计算机性能的提高和存储容量的增大,时程分析的计算时间问题已经基本被解决.S AP 2000提供线性和非线性、模态积分和直接积分4种不同组合的时程分析方法.对于没有非线性因素的桥梁结构,可以采用线性时程分析法,分析高效,结果也很可靠.当桥梁结构中有摩擦支座、阻尼器等非线性因素时,就需要使用非线性时程分析来获得较精确的结果.通常采用非线性直接积分的方法,该方法可以考虑几何非线性、材料非线性、边界非线性、连接单元非线性等几乎所有可能的非线性因素,但是对计算机的运算性能和存储空间的要求都比较高,计算时间相对较长,数据结果的提取也比较慢.当结构的非线性因素不是很多时,为了节省计算时间,同时保证结果不丧失其有效性,可以考虑使用非线性模态积分方法,这将大大提高计算效率.但是需要注意的是非线性模态积分方法无法考虑结构的材料非线性和边界非线性,因此模型中若建立包含铰属性的单元,只有采用直接积分法才能得出较为精确的结果.4 结果处理S AP 2000对于结果的处理与输出主要有两条途径:一是采用GU I 方式直接显示于程序中;一是交互式的屏幕表格输出.第1种方式相对便捷且直观,可以从总体上了解结构的动力特性及响应,但是具体的数据查询则显得不方便.第2种方式可以轻易将屏幕表格中的数据转换至Excel 电子表格,以便于后期的数据筛选处理和编辑工作.S AP 2000可输出的数据十分全面,各载荷工况下的变形图、动力振型图、构件的内力或应力图、节点位移)时程图,耗能构件的滞回曲线等,均可以十分方便地输出显示.在屏幕表格输出时,S AP 2000还提供表格格式和过滤器选项,设计者可以根据对结果的需求选择所要显示的项目,并以选定的格式显示于屏幕表格,若需要多次重复使用同种格式,可以把用户自定义的格式保存以便下次调用.过滤器可以使某个项目值在用户定义的范围内才予以显示,否则将其过滤出显示结果,大大减少用户的手工筛选工作.S AP 2000还提供视频动画的输出,包括多步动画视频及循环动画视频,其中多步动画视频是在运行时程分析之后显示结构随时间变化的动态变形情况,这也是在桥梁抗震分析中非常有用的功能之一.33第4期朱 宇:S AP 2000在桥梁抗震性能分析中的应用5 工程实例现以某跨径为83m+260m+83m 的双塔空间双索面自锚式钢箱梁悬索桥为例,对S AP 2000在桥梁抗震性能分析中的应用作一简单介绍.图6为该自锚式悬索桥的总体布置图.该桥主梁为分幅式闭合钢箱梁断面,两幅梁之间采用横梁联接;主缆为空间缆系,跨中部分两条主缆通过空间斜向吊索与主梁两侧分别相连,边主缆采用直线布缆,并通过散索鞍锚固于主梁梁端;主塔为独柱式空心塔,截面为变截面薄壁箱形截面;主塔基础采用18根直径为2.3m 的钻孔灌注桩基础.图6 某自锚式悬索桥总体布置图7给出利用S AP 2000建立的该自锚式悬索桥的模型.图7 某自锚式悬索桥SAP 2000模型建模时,根据自锚式悬索桥的结构特点建立三维有限元动力分析模型.主梁、主塔、边墩和桩基均采用空间梁单元,其中主梁采用双主梁式模型,2期恒载与边跨压重采用分布质量模拟.主缆和吊索模拟为空间桁架单元,在S AP 2000中采用对主缆和索单元的两端释放弯矩来实现,以保证缆索单元仅受轴力.主塔、主梁、主缆和吊索等均考虑恒载几何刚度的影响,在S AP 2000中采用在上述单元上施加P -$力来实现.承台模拟为质点,并将承台质量以集中质量的形式加在该质点上,同时将模拟承台的质点与墩底桩顶节点采用B ODY 的主从关系加以限制.为了模拟桩土共同作用,在高桩位承台的群桩基础桩基冲刷线以下加6@6的土弹簧模拟单桩子结构刚度.[3]图7的自锚式悬索桥模型共建立节点836个,框架单元686个,L i n k 型单元12个,6@6土弹簧60个.为改善结构在地震作用下的受力和位移响应,本自锚式悬索桥在塔梁连接处设置黏滞性阻尼器;同时在非线性时程分析中要考虑支座摩擦的影响.图8和9为本自锚式悬索桥建模当中用以模拟上述两种特殊单元的属性设置,其单位为kN #m.图8为Plastic(W en)单元参数设置,各项数值按照前文介绍的方法计算确定;图9为D a mper 单元参数设置,其中阻尼系数和阻尼指数根据阻尼器参数分析结果并综合考虑阻尼器制作工艺水平确定.图8摩擦型支座非线性属性设置图9 黏滞性阻尼器非线性属性设置 模型采用利兹向量法进行动力特性分析,分析34计 算 机 辅 助 工 程 2007年振型阶数取前400阶;根据设防要求按100年10%(P 1)和100年3%(P 2)的地震超越概率进行线性反应谱地震分析,计算结果取前400阶振型的地震反应进行组合,组合方式为CQC 组合;按上述地震超越概率进行非线性时程分析,考虑阻尼器和支座摩擦的影响[4].部分计算结果如下:表1为本自锚式悬索桥的动力特性表;表2为地震动输入在纵向+竖向时悬索桥部分关键截面的内力(弯矩)响应;表3为地震动输入为纵向+竖向时悬索桥部分关键点的位移(纵向)响应.表1 本自锚式悬索桥动力特性振型顺序周期/s 振型描述16.214悬索桥主梁纵飘22.478悬索桥主塔正对称侧弯32.209悬索桥主塔反对称侧弯42.018悬索桥主梁1阶竖向振动51.765悬索桥主梁2阶竖向振动表2 自锚式悬索桥关键截面内力(弯矩)响应截面概率反应谱/kN #m 非线性时程/kN #m左塔底P 1379906.906146104.100P 2665169.563311771.673右塔底P 1376047.719158426.217P 2658107.250332773.874左塔桩基P 19732.3924749.868P 217064.7918920.725右塔桩基P 110269.7354766.190P 218008.2589294.880表3 自锚式悬索桥关键点位移(纵向)响应关键点概率反应谱/m 非线性时程/m梁端P 10.2510.044P 20.4400.133跨中P 10.2510.044P 20.4400.133左塔顶P 10.2210.040P 20.3890.126右塔顶P 10.2230.046P 20.3910.128根据列表结果可以看出,考虑塔梁间纵向阻尼器和滑动支座摩擦等非线性因素的影响以后,自锚式悬索桥在纵向+竖向地震作用下的塔柱及其基础受力、各关键点位移均得到明显改善,塔柱底及其桩基的最大弯矩减小约50%,主梁最大位移响应降低至?13c m.6 结束语S AP 2000作为有着40年发展历史的结构静动力分析设计软件,凭借其直观简洁的用户界面、高效精确的分析引擎和全面完善的结果处理,已经成为结构工程中尤其是桥梁抗震分析领域不可或缺的结构分析有限元软件.参考文献:[1] W I LS ON E L .结构静力与动力分析[M ].北京金土木软件技术有限公司,译.北京:中国建筑工业出版社,2006:1112216.[2] 范立础.桥梁抗震[M ].上海:同济大学出版社,1997:222105.[3] 秦浦雄,王书庆.桥梁结构的三维建模技术[J].计算机辅助工程,2000,9(2):46252.[4] 魏勇,钱稼茹.应用S AP 2000程序进行剪力墙非线性时程分析[J].清华大学学报:自然科学版,2005,45(6):7402744.(编辑 廖粤新)35第4期朱 宇:S AP 2000在桥梁抗震性能分析中的应用。
