建模分析步骤.docx
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建模分析步骤
1•轴网:
a:
文件---新模型---轴网。
笛卡尔坐标可以定义立方体矩形,柱面坐标可以定义立方体弧形。
添加局部坐标系:
单击鼠标右键---编辑轴网数据---添加新系统(原点位置:
0、0、0;在快速绘制,第一个网格位置中可以输入局部坐标相对于总坐标的位置;不可以在一个视窗中同时显示整体坐标、局部坐标,可以通过屏幕右下方的选择区切换。
b:
文件---导入:
CAD文件、EXCEL等。
注:
cad中定义不能使用0图层定义新的图层;在导入时,cad的铅垂方向和世界坐标wcs中X、Y、Z、轴的哪一个轴对应,相应的选择对应的轴(全局上方向),也可以在cad中进行旋转操作,也可以通过施加重力方向的荷载校核;结
构导入模型时偏离整体坐标原点太远,可以在cad中将模型移到通用坐标系WCS原点,或在sap2000中进行模型整体移动;cad中采用的是浮动坐标,导入sap2000后会出现极少的位差,可在“交互数据编辑功能”里修改;cad中的曲线杆件不
能导入sap2000中,可以利用cad的二次开发技术将圆弧、椭圆等线段修改成直线线段;由cad导入的线段必须为直线,不能为多段线。
c:
程序自带的已定义属性的三维“框架”
1.1:
修改轴网:
转化为一般轴线:
即可完成对整体坐标与局部坐标中轴线的编辑、修改。
编辑数据---修改显示系统----粘合到轴网线:
某楼层层高不一样时,可在-修改显示系统修改z轴坐标,构件会随着轴网一起移动。
2.定义材料:
定义---材料(有快速添加材料和添加新材料)。
快速添加材料是程序已经定义好了的,可以定义钢和混凝土,当“快速添加材料”中没有要定义的材料
时,则需要自己手动在“添加新材料”中定义。
3•定义截面:
框架单元:
用来模拟梁、柱、斜撑、桁架、网架等。
面截面:
Shell(壳)、plane(平面)、Asolid(轴对称实体)
Shell:
膜(仅具有平面内刚度,一般用于定义楼板单元,起传递荷载的作用);
壳(具有平面内以及平面外刚度,一般用于定义墙单元,当h/L<1/10时为薄壳,忽
略剪切变形)
板(仅具有平面外刚度,仅存在平面外变形,一般用来模拟薄梁或地基梁)
4:
绘制模型:
一般是定义好某种截面后再绘制该截面。
绘图---绘制框架/索/刚束、快速绘制框架/索/刚束、快速绘制支撑、快速绘制次梁、绘制矩形面单元、快速绘制面单元…或者点击sap2000左边的快捷键
可以切换不同立面,不同平面,再执行带属性复制命令:
框选要复制的构件---编辑---带属性复制。
注:
绘制xxx可以自己指点杆件的长度、板的大小而快速绘制xxx只绘制形
成节点的杆件和板面。
改节点标高:
编辑---编辑点---对齐点。
布置梁、柱时,continuous为固结,pinned为铰接。
绘制一榀框架后,可以利用“拉伸点成框架/索”来完成其它榀框架的绘制:
框选---编辑---拉伸---“拉伸点成框架/索”。
绘制板时,选择none则不计板重但可以传递荷载。
柱、梁偏心:
框选要偏心对象---指定---框架---插入点,选择偏心方向及偏心长度。
墙偏心---框选面对象---指定---面---面厚度覆盖项,选择“自定义节点偏移由对象指定”(先
要显示“局部坐标轴”)。
开洞:
框选要分割的面---编辑---编辑面---分割面。
Satwe梁刚度放大:
将需要放大刚度的楼面梁选中,并设置为一个组
带属性复制:
有时导入dxf也会出现这样的问题。
坐标的精度太高,sap计算会出问题。
解决办法:
1,在sap中复制全部。
2,在excel中打开空表并粘帖。
3,在excel中统一调整各列的精度。
然后全选并复制。
4,在sap中粘帖。
改变框架单元的截面属性:
框选构件---指定---框架---框架截面
4.1:
楼板、剪力墙剖分单元
把楼板、剪力墙布置完后,框选要剖分的楼板、剪力墙---指定---指定---面---自动面网格剖分,以最大尺寸自动剖分面为单元。
(对于膜属性的单元可以自动根据梁、墙位置进行剖分。
对于壳和板,需要人工设定剖分)
圆板进行网格划分:
如果采用柱坐标,板中心处会有不合理的三角形单元;在sap中要建立圆板模型,最好使用模板中的圆板模型,那个是已经划分好的模型,能够保证足够的计算精度。
4.2:
特殊定义:
端部弯矩、扭矩释放(指定---框架---释放/部分固定);刚域(指定---框架---端部
偏移,弹出框架端部长度偏移对话框---刚域系数);
节点限制(指定---节点---束缚):
body(刚体限制):
所有被限制节点作为一个三维刚体一起移动,模拟刚性连接。
Diaphragm(刚性隔板限制):
刚性楼板与整体坐标系X-Y平面为刚性平面,位于X-Y平面各节点无相对位移,但不影响平外面变形。
一般用来模拟楼板,每一层加一个diaphragm,否则计算出来的周期相差很大。
Plate(刚性板限制):
可以抵抗平面外变形,但不影响平面内变形。
Rod(刚性杆限制)、
Beam(刚性梁限制)、
Equal(相等限制)。
定义刚性楼板:
选中一层所有节点,通常constraintZ轴,注意这样定义的楼板在垂直Z轴平面内刚度无限大。
自动线束缚:
sap中自动线束缚是针对面与面间剖分不一致,而去施加边界
强制协调的。
自动线束缚就是把两个独立绘制的面合二为一一样。
如果本身就是
一块整的板单元,人为剖分后再施加线束缚那是没什么意义。
sap2000按三维框架模板建模后不需要定义板自动边束缚,模型建好后,壳单元和框架单元自动耦
合。
5:
施加支座约束:
切换到最顶层----框选要定义支座的节点----指定---节点---约束(固接、铰接、滑动…)
6:
定义荷载工况:
定义---荷载模式;类型有:
DEAD(恒载)、SUPERDEAD(附加恒载)、LIVE(活载)、ROOFLIVE(屋顶活载)、WIND(风载)、QUAKE(地震)、SNOW(雪载)…
注:
自重乘数,般都填写0,
地震、风荷载定义时都要选择规范,可以单击右侧的“修改侧向荷载模式”,选择x或y方向底部剪力法、基本地震和风信息等。
底部剪力法:
即荷载为倒三角形分布。
ROOFLIVE(屋顶活载):
质量源组合中不能组合屋面活荷载。
7:
施加荷载:
面荷载:
框选面---指定---面荷载---均匀(壳)
线荷载:
框选杆件---指定---框架荷载---分布
点荷载---框选节点---指定---节点荷载---力
温度荷载---框选杆件---指定---框架荷载---温度
风荷载:
自动计算风荷载不能随便用,根本不知道自动计算的荷载准不准确,只能手动加面荷载。
----选择风力作用来自于面对象,之后定义体型系数。
风荷载一种是通过刚性隔板,通过点束缚,假定平面内无限刚,通过刚性隔板宽度、高度,把风荷载施加在隔板的质心上,属于简化计算;另一种是通过虚面none
(有剪力墙时就直接通过剪力墙面对象),来传力,通过四个角点传力。
此种方法需要指定给风荷载体形系数。
面荷载:
如果采用均匀壳”方式加荷载,计算时采用的是有限元那一套理论,壳的刚度会参与了整体受力,并影响面荷载分配,楼板剖分愈精细,愈精确;均匀导
荷到框架”应该是按照塑性铰线概念,将每一块壳上的荷载按塑性铰区范围加载到相应的梁上(注意采用此种方法时,同一区格”内的楼板不要剖分,否则导荷结果是
错误的),壳的刚度不会影响荷载的分配。
对于通常结构,建议同一区格”内的楼
板不要剖分,面荷载采用均匀导荷到框架”的方法施加,楼板的面外刚度贡献可以通过修正梁的刚度实现,楼板的面内刚度贡献可以通过施加隔板约束实现。
但这样会导致楼板自重通过膜节点直接传到支座(柱子)上了。
均匀分布到框架只针对于施加荷载使用。
想要楼板传力到梁,可以对楼板剖分。
或者用none楼板,自重手
动做荷载施加时指定分布到框架。
节点荷载:
建筑物而言,外加荷载如隔墙和楼面活荷载等,在做静力分析时,可以通过荷载方式计算其效应,但当做动力分析时,必须将它们的质量考虑进去,因为质量会影响结构周期的,这就是要人为施加点质量或线质量的原因。
恒载输入:
一般情况下是按照楼面(不计构件自重)荷载指定给构件。
然后在定义荷载模式时,DL自重系数取1,代表自动计算并加入构件自重。
然后定义质量源的时候采用来自荷载”定义为"1DL+0.5LL"。
8•定义质量源:
定义---质量源---来自荷载(一般都选择来自荷载);质量源组合时有一个“乘数”即荷载组合系数。
sap2000时程分析时框架结构填充墙:
地震力只与每层质量有关,时程分析时所加荷载根本不影响结构的周期振型等一些特性,模态分析和时程分析都是基于结构的质量信息。
在中国规范中,重力荷载代表值就定义了求解地震作用时结构质量的计算方法。
所以,质量源的定义是很重要的,将自重、附加恒载定义为deadload,在质量源定义中选择来自荷载,按规范考虑恒活组合,结构质量就等于组合后求得的荷载除以重力加速度。
9•荷载工况
定义---荷载工况---可以定义不同的分析类型,如下所示:
静力分析(static):
不考虑惯性力的影响,内力、位移不是时间的函数。
模态分析(modal):
计算结构振动的模态,有特征值法和Ritz向量法。
反应谱分析(ResponseSpectrum:
静力方法计算由加速度荷载引起。
求出
各阶振型的结构反应,再进行组合,以确定结构地震内力和变形。
时程分析(timehistory):
荷载随加载时间变化,需要时程函数,求解方法是振型叠加或直接积分,要输入地震波或人工振动。
弹性屈曲分析(Buckling):
在荷载作用下屈曲形态的计算。
首先要定义“时程分析函数”、“反应谱分析分析函数”----定义----函数---
选择需要的函数、填写相关参数。
其次再定义“荷载工况”:
其中时程分析与反应谱分析都选择从Modal中得到分析工况的振型,都要选择已定义的相关函数;反应谱分析中有些参数的含义:
CQC(耦联)、SRSS非耦联),方向组合:
修正后的SRSS
注:
定义荷载工况“时程分析”、“反应谱分析分析”时要填写:
加速度(Accel)比例系数。
比例系数即规范中规定的加速度/人工波的加速度;结构质量转换成重力荷载代表值要乘以加速度g,因此规范中规定的加速度和人工波的加速度都转换成以g为单位的加速度后再相比,再乘以系数9.8(sap的单位为N/m/s)或者9800(sap的单位用的是N/mm/s)。
规范中的加速度单位g为gal,单位为cm/s2,比如规程中的8度罕遇要求是400g,即400gal=0.4g。
时程分析“输出时段大小”一般为0.01或0.02,根据总持续时间为10s左右填写“时间段”,对于同一个工程,地震波作用的总时间t可以不同,但输出时段大小应该一致。
时程分析首先应在“定义---函数”中定义几组地震波函数,可以选择从文件中读取地震波函数,再在“施加的荷载”中填写对应地震波函数,一般都是线性“弹性时程分析”,也可以进行非线性分析。
“显示荷载高级参数”中可以填写
其它参数,一般横波要晚于纵波到达结构,可以通过“到达时间“来定义实现。
pushover(静力非线性分析)过程:
选择要添加塑性较的梁---指定---框架---
铰一添加;定义---分析工况---静力非线性工况(采用荷载控制),再次定义一个静力非线性工况(pushover),荷载类型为Modal(采用位移控制);先运行其它工况,查看没有超筋等后(必须要运行),再修改push工况(刚度来自重力非线性工况)---运行这2个静力非线性工况---显示---显示静力pushover曲线---查看(视图---设置三维视图,选择push工况)。
在sap输入与X或丫轴成一定角度的反应谱:
点击分析工况中修改反应谱工况,在分析工况数据中选中显示高级荷载参数后可输入反应谱的角度。
sap中材料阻尼、反应谱阻尼和反应谱工况阻尼:
反应谱曲线中阻尼对计算结果影响比较大,而反应谱工况中的阻尼对计算结果影响不大,甚至可以认为影响可以忽略不计。
10•荷载组合:
定义---荷载组合---添加新组合;ADD:
相加;Absolute:
组合中的分析结果绝对值相加;SRSS;、分析结果平方和相加再开平方根;Envelope:
组合中的结果得到最大和最小包络值。
(也可以在运行完后,要查看结果时定义荷载组合)
11:
运行:
可以选择一种或几种分析工况运行。
12:
查看运行结果:
12.1:
内力:
显示---显示力/应力---框架/索:
可以查看不同荷载模式下构件的弯矩、剪力、轴力图。
层间剪力输出:
先将各层的柱子及其上部的点定义为一个组,模型分析完成之后在
定义菜单中的“截面切割”定义成各个组,这样就可以在时程分析的结果中查看截面切割的
力,即各层的层间剪力。
12.2:
挠度
显示---显示变形形状(不同工况下的变形形状)。
挠度限值:
首先sap2000只能生成一些基于强度校核的默认组合,生成基于挠度校核的组合需要你先自行定义-》荷载组合;然后设计-》钢框架设计/混凝土框架设计-》选择设计组合,在荷载组合类型中下拉菜单中选择挠度”,将下部左侧荷载
组合列表中先前自行定义的挠度荷载组合选中,添加到右侧设计组合列表中然后在首选项中选择考虑挠度,进行设计以后就可以显示挠度了。
12.3:
钢框架设计:
设计---钢框架设计---查看/修改首选项
设计---钢框架设计---开始结构设计/检查----修改荷载组合--设计---钢框架设计---开始结构设计/检查-。
钢结构中应力比:
设计--->钢框架设计--->显示设计信息:
设计输出:
P-MRatioColors&Values——屏幕上显示的是强度稳定应力比小于1,而红色是表示挠度的应力比超了。
查看挠度的应力比。
sap2000配筋:
SAP/ETABS配筋结果只给出四角和内部配筋,但没有分别给出两
个方向的配筋,建截面时输入两个方向的钢筋,但钢筋根数和直径都可以变。
13淇它:
局部坐标:
框架单元:
1轴沿杆方向,2、3轴在垂直于杆轴平面内。
1-2平面竖直;除非杆件竖直(2轴沿+X方向),否则2轴一般为+Z方向;3轴水平,即处于X-Y平面内。
截面特性中1轴沿单元轴线,一般2轴为弱轴、3轴为强轴,但并非必须如此。
壳单元:
3轴为壳单元平面的法向。
3-2平面竖直;除非单元水平(2轴沿+丫方向),否则2轴一般为+Z方向;1轴水平,即处于X-Y平面内。
节点与自由度:
局部坐标轴用于定义节点自由度、约束、特性、节点荷载和表达输出,1、2、3
轴默认与X、丫Z轴相同。
刚片约束:
3轴为平面法向轴,1、2轴程序自动任意在平面内选择,因为平面轴的实际方向并不重要,只有法向方向影响约束方程。
点击视图〉设置建筑视图选项,在对话框中勾选框架/索/钢束前面的局部坐标轴选项,可以显示红、白、蓝三个颜色的箭头,代表1,2,3轴。
参考美国国旗的
颜色来记住这个是有效的方法,红色对应1轴;白色对应2轴;蓝色对应3轴。
请注意这个视图菜单>设置建筑视图选项命令,设置局部坐标轴的显示不仅适用于框架对象,也适用于节点、壳面及连接对象。
14.理论、程序操作延伸;
14.1:
sap对桁架结构进行稳定性分析:
bucking分析相当于我们理解中的第一类稳定,这在实际应用中可以作为参考。
真正的极值点失稳在sap中可以考虑的,根据沈教授写的网壳稳定分析中的一句话:
结构的稳定性可以从荷载-位移全过
程曲线中得到完整的概念。
那么我们也可以这么理解,只要sap能做出这条曲线那么就可以解决问题,于是就利用到了sap基于位移控制的非线性分析。
------当用户知道所期望的结构位移,但不知道施加多少荷载时,选择位移控制。
这对于在分析过程中可能失去承载力而失稳的结构,是十分有用的。
但是问题:
一个
是sap极值点分析的初始条件(即初始缺陷的处理)不好弄,比如网架规范要求考虑第一模态。
但是sap无法象ansys那样将考虑的模态位移做为初始缺陷。
另一个是无法准确的考虑材料非线性,目前常用的是采用非线性link单元和塑性
铰来模拟,当然在某些情况下,比如只考虑几何非线性的稳定分析,这也足够了。
14.2:
在sap里模拟预应力索的周期:
将施加索力的那个工况作为非线性工况。
然后在模态分析中,初始刚度源自添加索力的那个工况。
否则通过在sap里施加负温度来给索施加预应力的!
温度只是以荷载的形式加上去的,并不能影响计算出的索的周期!
但是实际上,索由于施加了预应力,自身的刚度增加,周期减小了。
14.3:
时程分析方法:
时程分析法中的振型叠加法和直接积分法的结果应该是差
不多的。
算出差很远可能是一些参数:
例如阻尼比、scale、直接积分的各种方
法如willon—theta的theta值取的不恰当。
振型叠加法计算必须算出足够多的振型,使各方向的质量参与系数达到90沖上。
否则计算结果不正确。
理论上,
只要算的振型足够多,两者的差别不应该很大。
SAP2OO0隹荐使用振型叠加法,
其计算效率和结果都要好于直接积分法。
直接积分会出现迭代误差。
14.4:
时程分析方法:
时程分析法中的振型叠加法和直接积分法的结果应该是差不多的。
算出差很远可能是一些参数:
例如阻尼比、scale、直接积分的各种方
法如willon—theta的theta值取的不恰当。
振型叠加法计算必须算出足够多的振型,使各方向的质量参与系数达到90%^上。
否则计算结果不正确。
理论上,只要算的振型足够多,两者的差别不应该很大。
SAP2000推荐使用振型叠加法,
其计算效率和结果都要好于直接积分法。
直接积分会出现迭代误差。
14.5非线性:
pushover中是定义塑性铰;动力分析有中有材料非线性和几何非线性两种,考虑材料的本构关系为一。
考虑结构的大变形大位移小转角为结构p-d效应即可。
动力分析可以用link单元或hinge来考虑材料非线性,link可以用于振型叠加和直接积分两种情况,不能考虑下降段,计算效率高。
hinge
可以只能用于直接积分,能考虑下降段,经常处出现不收敛的情况。
14.6:
。
在sap2000中进行时程分析时,结构构件否屈服:
塑性铰(hinge)一
般不用来作时程分析,而只用来作静力分析。
针对钢框架结构,进行弹塑性时程分析,在SAP2K中可以采用塑性铰来考虑塑性问题,SAP2K中的塑性铰,是根
据FEMA-273和ATC-40的规范的规定定义的。
目前在SAP2K中主要针对frame单元的塑性铰,还没有shell单元的塑性铰类型。
14.7:
RITZ向量法和特征向量法求解结构周期:
用RITZ向量法和子空间叠代法都是近似的数值计算方法,振型阶数越高,误差越大。
两者高阶振型应该是有差别的。
一般来说,高阶振型地震响应很小,不必过分追求高阶振型的精确度。
当选取的里兹向量数目和结构的自有度数目相等时,里兹方法得到的结果和
特征值的结果相同,因为此时里兹向量的基向量数目和结构的自有度数目相等,其空间和特征向量的空间相等,而对应于结构的满自有度空间对应只有一种空间展开形式,因此二者相同。
用里兹向量方法进行地震响应分析时,其荷载空间分布模式为和结构质量相关量,其缺陷是当高阶模态对结构贡献较大时,其无法考
虑。
14.8:
时程分析:
进行结构非线性分析时,重力荷载是必须要加的,因为结构首先是承受重力荷载,再在地震作用下反应。
重力荷载的施加可以通过静力非线性分析工况,设置为时程分析的初始状态。
考虑重力的非线性地震分析,先进行重力荷载的静力非线性分析,再进行时程分析。
14.9:
型钢混凝土柱:
采用自定义截面的两种材料组合,塑性铰可以自定义;默认PMM铰是不考虑压弯失稳的。
可以添加一个新铰不采用默认参数,可以改里面的屈服模型,有ASCI模型和FEMA模型,也有自定义模型-----是梁端铰,用RESPONSE算出截面的弯矩曲率曲线,输入SAP中;若需要的是柱端PMM铰,用RESPONSE算出截面的弯矩一轴力曲线以及弯矩一曲率曲线,输入SAP中,均用用户自定义。
14.10:
框架柱所承担的底部倾覆力矩:
框架承担的弯矩可以从截面切割中得到,楼层总弯矩可以在storyshear中输出!
----定义组--然后选中柱子和柱子底部节点,再进行截面切割。
14.11:
框-剪:
剪力墙用壳单元模拟,直接输入面单元分析;剪力墙里面的配筋在内力分析的时候是不需要建到模型里面的。
这个是目前结构计算所默认的基本原则。
有限元分析可以得到shell单元的应变和应力,在指定位置(比如某个截面)积分可以得到该截面的内力。
有了内力可以根据规范给出墙肢配筋。
14.13:
pushover(静力非线性分析)分析,后如何得到顶点的最大位移,如何得到层间位移角?
----点菜单File>DisplayTables在Table对话框File>PrintTabletoFile.然后将文件导入Excel或者Origin进行数据处理,并绘制图线可以从图形
判断顶点位移,但是无法判断层间位移。
在能力谱的下方,有一个PerformancePoint(V,D),那个V就是对应性能点的底部剪力,D就是顶点位移。
层间位移的求法,
是通过这个性能点,找对应的pushover的step,然后把那个step下的各层位移导出,用excel表格处理。
还有一个方法,就是事先定义广义位移(每个广义位移对
应一个层间位移),最后通过SAP的显示>绘图函数,绘制相应的图示。
但是此法不推荐,个人感觉sap数据处理功能太差,拿它绘图太烦琐,也不好看。
pushover(静力非线性分析):
荷载施加控制Pushover分析一般需要多个分析工况。
一个典型的Pushover分析可能由3个工况构成:
第一个将施加重力荷载给结构,第二个和第三个可施加不同的横向荷载。
Pushover工况可以从零初始
条件开始,或从前一个Pushover工况结束处的结果开始。
例如,重力工况从零初始条件开始,而两个横向工况的每一个从重力工况的结束处开始。
因为Pushover分析是非线性的,所以将其分析结果和其它线性或非线性分析叠加是不合理的。
当按规范要求比较Pushover的结果时,需要在Pushover工况内施加所有适当的设计荷载组合。
这可能需要多种不同的Pushover工况来考虑所有规
范规定的设计规范荷载组合。
当进行Pushover分析时,必须在结构上施加代表惯性力的分布静荷载。
一般地,将荷载定义为下面一个或多个的比例组合:
1)
自定义的静荷载工况或组合。
2)作用于任意的整体X、Y、Z方向的均匀加速度。
在每一节点的力和分配给节点的质量成比例,且作用在指定的方向。
3)从指定
特征类型或RITZ类型振型的振型荷载。
在每一节点的力和振型位移,振型角频率平方,及分配给节点的质量成比例。
力作用于振型位移方向。
对其他类型的分布形式,可以定义OTHERS型的静力荷载工况,分布为侧向分布的均匀或倒三角形分布,然后使用此静力荷载工况作为侧向荷载的分布。
比例系数在位移控制情
况下只表示相对比例,不代表荷载的绝对数值。
在Pushover分析中,荷载与指定的荷载样式成比例的施加给结构。
指定荷载样式的初始乘数为零。
随着Pushover分析的进行,此乘数逐步增加,直至到达指定的Pushover结尾,或在某些情况直至结构不能承受附加的荷载。
可