06第05章材料与截面沈万湘报告.docx

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06第05章材料与截面沈万湘报告

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

显示已经定义的材料属性名称

点击

添加新材料（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/显示材料（按钮）

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

显示材料名称，用户可以修改

显示颜色

颜色

点击色块，弹出颜色编辑器，修改材料显示颜色

材料类型

各向同性

定义各向同性材料

正交各向异性

定义正交各向异性材料

各向异性

未启用

Uniaxial

定义单轴属性材料

设计类型（下拉框）

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

输入/显示材料的密度

重度

输入/显示材料的重度

弹性模量

输入/显示材料的弹性模量

泊松比

输入/显示材料的泊松比

热膨胀系数

输入/显示材料的热膨胀系数

剪切模量

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

输入/显示材料的密度

每单位体积重量

输入/显示材料的重度

弹性模量方向1

方向2

方向3

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

泊松比平面12

平面13

平面23

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

热膨胀系数方向1

方向2

方向3

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

剪切模量平面12

平面13

平面23

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

输入混凝土立方体抗压强度标准值

受弯钢筋屈服应力fYk

输入用于抗弯和轴向荷载计算的钢筋强度标准值

受剪钢筋屈服应力fYk

输入用于抗剪计算的钢筋强度标准值

轻质混凝土

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

抗剪强度折减系数

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

输入钢材屈服强度标准值

最小拉应力Fu

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）

弹出基于时间属性对话框，详见图5-4

材料阻尼属性（按钮）

附加材料阻尼，详见图5-6

应力-应变曲线定义

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：

（5.1）

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：

（5.2）

其中

、

、

为杨氏弹性模量，

、

、

、

、

、

为泊松比，

、

、

为剪切模量，

、

、

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forsteel对话框（图5-4）。

图5-4基于时间属性forsteel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forconcrete对话框（图5-5）。

图5-5基于时间属性forconcrete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

CEB-FIP参数

徐变

勾选后相对湿度和名义尺寸项被激活

收缩

勾选后收缩系数和收缩开始时间项被激活

相对湿度%

周围环境的相对湿度RH

名义尺寸h

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

徐变分析类型

完全积分

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》（JTGD-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：

（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：

（5.4）

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

MaterialPropertyName

显示截面名称

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

选择滞回曲线类型：

Kinematic、Taketa、Pivot曲线

应力-应变曲线数据

Strain

应变数据，用户可以修改

Stress

应力数据，用户可以修改

PointID

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FrameProperties对话框（图5-8）。

图5-8FrameProperties对话框

属性

寻找这一属性（输入域）

输入需要查找的截面名称

列表

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）

ImportI/WideFlange

导入工字形/宽翼缘截面

ImportChannel

导入槽形截面

ImportTee

导入T形截面

ImportAngle

导入角形截面

ImportDouBleAngle

导入双角形截面

ImportBoX/TuBe

导入箱形截面

ImportPipe

导入管形截面

ImportRectangular

导入矩形截面

ImportCircle

导入圆形截面

ImportGeneral

导入一般截面

ImportSteelJoIst

导入桁架截面

Add（添加）

AddI/WideFlange

添加工字形/宽翼缘截面

AddChannel

添加槽形截面

AddTee

添加T形截面

AddAngle

添加角形截面

AddDoubleAngle

添加双角形截面

AddBox/Tube

添加箱形截面

AddPipe

添加管形截面

AddRectangular

添加矩形截面

AddCircle

添加圆形截面

AddBUICoverPlate

添加带有盖板的组合工字形截面

AddPCConcIGirder

添加预制混凝土工字形梁

AddGeneral

添加一般截面

AddColdFormedC

添加冷弯卷边槽钢

AddColdFormedZ

添加冷弯卷边Z形钢

AddColdFormedHat

添加冷弯向外卷边槽钢

AddSteelJoist

添加桁架截面

AddAutoselectlist

添加自动截面选择列表

AddSDSection

添加截面设计器设计截面

AddNonprismatic

添加变截面

⏹点击

AddProperty

弹出高亮显示截面类型属性对话创，用于添加截面

AddCopyofProperty

弹出高亮显示截面类型属性对话创，用于添加截面副本

Modify/Showproperty

弹出的截面属性对话框，用户可以进行修改

DeleteProperty

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ImportI/WideFlange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ImportI/WideFlange（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

AA标准6061-T6压型铝材截面

AISC13.pro

美国钢结构协会型钢V13

AISC13M.pro

美国钢结构协会型钢V13M

AISC3.pro

美国钢结构协会型钢V3

AISC.pro

美国钢结构协会型钢

AusNZV8

澳大利亚及新西兰标准型钢

BSShapes.pro

英国标准型钢

Chinese.pro

中国标准型钢

CISC.pro

加拿大钢结构协会型钢

Euro.pro

欧洲型钢

Indian.pro

印度标准型钢

Joists.pro

钢桁架梁协会型钢

Sections.pro

美国钢结构协会型钢V2

Sections8.pro

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/WideFlange（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/WideFlange截面对话框（图5-11）。

图5-11I/WideFlange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

按钮后的显示框中显示打开文件的路径

导入

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

显示梁高度

顶翼缘宽度

显示顶部翼缘宽度

顶翼缘厚度

显示顶部翼缘厚度

腹板厚度

显示腹板厚度

底翼缘宽度

显示底部翼缘宽度

底翼缘厚度

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AddRectangular，点击添加新属性按钮，弹出RectangularSection对话框（图5-13）。

图5-13RectangularSection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

输入截面高度（即视图中2轴方向）

宽度

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RectangularSection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5-13RectangularSection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RectangularSection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

对话框为柱的布筋数据输入方式

梁

对话框为梁的布筋数据输入方式

⏹布筋配置

矩形

矩形截面布筋

圆形

圆形截面布筋

⏹横向布筋

绑扎

箍筋为绑扎钢筋形式

螺旋的

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

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）

2轴方向的钢筋数

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）

钢筋尺寸

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