SAP建模和分析过程.docx
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SAP建模和分析过程
LELEwasfinallyrevisedonthemorningofDecember16,2020
SAP建模和分析过程
SAP2000建模和分析过程
在家一边做论文，一边把SAP2000建模和分析过程整理了下
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”。
：
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
：
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。
：
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+"。
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（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＝。
时程分析“输出时段大小”一般为或，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—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Y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：
：
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。
：
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。
：
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.其它：
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+Y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、Y、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;
:
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。
：
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。
：
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%以上。
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。
：
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%以上。
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。
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。
：
。
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。
：
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。
：
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。
：
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－轴力曲线以及弯矩－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。
：
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。
：
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OTHER类型的静力荷载工况，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。
可使用两种不同的方法来控制Pushover分析中施加在结构上的荷载：
荷载控制和位移控制。
每一个Pushover工况可使用力控制或位移控制。
选择一般依赖于荷载的物理性质和期望的结构行为。
在力控制时，需施加一定的荷载样式。
使用此种荷载控制方法可以简单地将当前力的增量施加给结构。
例如，假定当前施加给结构的力为150kN。
在力控制时，SAP2000可简单的施加此荷载的50kN的增量于结构。
在已知期望的荷载水平（如重力荷载），且结构可以
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