最新sap钢结构设计手册.docx

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最新sap钢结构设计手册

sap2000钢结构设计

手册

SAP2000钢结构设计手册

（中文资料）

2003年4月

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

2.3P-△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AlSD-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

—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AlSC-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

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

第一章绪论

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：

•U.S.AISC/ASD（1989）,

•U.S.AISC/LRFD（1994）,

•U.S.AASHTOLRFD（1997）,

•CanadianCAN/CSA-S16.1-94（1994）,

•BritiShBS5950（1990）,and

•EUroCode3（ENV1993-1-1）.

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。

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：

•第三章介绍了AlSCASD（1989）规范

•第四章介绍了AlSCLRFD（1994）规范

最后介绍了SAP2∞0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SAP2∞O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：

•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"AISG

ASD（AISC1989）

•美国钢结构协会的“建筑钢结构荷载与抗力设计规范-AISC-LRFd

（AISC1994）

SAP2O∞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—种规范。

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（deadIoad）的静力荷载（StatiCIOad

CaSeS）在组合中是可加荷载。

同样，所有定义为活载（IiVeIoad）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θo

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。

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。

2.3P-∆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SAP2000Φ,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-Δ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IO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-Δ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/22和/33,如图"I所示。

支撑长度是单元在相应方向的支撑点间的距离，山为3-3轴方向（主轴）的无支撑长度，/22用于计算2-2轴（弱轴）单元侧向扭转屈曲。

—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。

受弯的主轴和弱轴

AXiS1

3

SAP2000

yy

yy

X

BS5950

Z

Z

EUROCODE3

ASD89,LRFD95&AASHTOCISC95

E⅛ιιreII-2

规范和SAP2000中受弯的主轴和弱轴对照

FigUre11-3

受中间点影响的无支撑长度

2.5有效长度系数（K）

柱子的有效长度系数（K）用于建筑结构分析，柱子竖直梁水平，表现为弯矩承载行为的柱子的有效长度系数（K）的计算十分复杂。

为了计算K,单元分为梁、柱和支撑。

所有与Z平行的单元为柱，位于X-Y平面内的单元为梁，其它为支撑。

梁和支撑的K值都被指定为统一的值。

在计算柱单元的K值时，程序计算每个节点的下列4个刚度值：

其中下标Ky为整体坐标X,Y方向，下标c,b指柱和梁单元，局部坐标下的弘刃22和EZM刃已旋转到整体坐标系下（EM）%,（EZ∕∕）yo将每个柱子端节点累加值旋转回到局部坐标系下：

如果柱子端节点处的转动自由度被释放，相应的值设为Ioo如果节点的所有自由度都被删除，所有连接该节点的单元的该节点处的G值为1.0,如果指定方向的Gl和GJ已知，那么在指定方向的K通过求解以下α的关系式：

（X二G9-36_α

6（GL+Gj）^tana

其中K=π/a,该式为弯矩承载型有侧移框架计算柱子的有效长度系数的公式。

对于其它框架结构、桁架结构和输电塔架，所有单元的K值通常由用户统一设为某值。

以下是有关K值计算方面的重要的几点：

•在节点处有餃的单元在该节点处在上面的公式中不计入刚度，离餃很远的单元另一端节点处考虑的刚度贡献为0.5ElO同样，梁单元如果远端没有柱，如悬臂梁，也不计入刚度贡献。

•如果柱子在特定的方向没有梁单元，相应的G值为无穷大。

如果柱子任何

—端的G值为无穷大，相应的K值设为定值。

•如果单元在特定的方向释放转动自由度，那么程序将相应的K值设为定值。

•程序自动得到的K值可能偏大，尤其在下列情况：

有斜梁、固定支座以及其它程序难以识别单元受到支撑的情况，此时程序将相应的K值设为定值。

用户可以修改所有程序自动得到的K值。

用户应该检查程序自动计算的K值，如果这些值不合理，就必须得到修改。

2.6输入数据的单位选择

输入数据的单位可以采用英制、国际标准单位制或者MKS单位制。

但是，各规范都采用独自特有的单位制，例如AISC-ASD规范采用英制单位制，第三章中所有的方程和系数采用千磅一英尺一秒单位制。

但是SAP2000软件容许使用任何单位来定义和设计结构。

第三草AISC-ASD89规范

这一章介绍SAP2000支持的AISC-ASD89钢结构设计规范，本章的专业术语列在表IlI-IO

设计基于用户自定义的荷载组合，但是程序提供了一些缺省的荷载组合，这些缺省的荷载组合能够满足大多数建筑结构设计的的需要。

计算沿杆件各处的轴力、弯矩承载比之前，先计算实际的力（力矩）和相应的承载能力，然后计算荷载组合下沿杆件各处的轴力、弯矩承载比。

应力比大于l∙0表明超过了极限状态。

剪切承载比按照同样的过程单独计算。

ASC-ASD规范术语表Ill-I

截面面积，平方英寸细长截面的有效截面面积，平

翼缘面积，平方英寸毛截面面积，平方英寸主轴和次轴剪切面积，平方英寸

腹板剪切面积，平方英寸

抗弯系数

弯矩系数

扭转常量，英寸6管截面外径，英尺弹性模量轴向容许应力容许弯曲应力

容许主轴和次轴弯曲应力

受压应力特征值

S33.S22Seff^Seff22量，立方英尺SC英尺v2,v?

b

bebfdfa

23（Aj店y

A.二127E

C2∙%λ⅛Hy

容许剪切应力，千磅/英尺2

材料屈服应力，千磅/英尺2有效长度系数

主轴和次轴的有效长度系数主轴和次轴的弯矩分量，千磅X英尺单角钢的侧向扭矩，千磅X英尺单元轴力，千磅

欧拉屈曲荷载，千磅

细长截面缩减系数

设加劲板的细长截面缩减系数

不设加劲板的细长截面缩减系数截面模量，立方英尺主轴和次轴的截面模量，立方英尺

细长截面主轴和次轴的有效截面模

受压的单角钢截面模量，立方

主轴和次轴的剪力，千磅

截面中板的名义尺寸，英尺。

热扎角钢的长肢为bp2tw9冷弯箱型截面为bf3tw

翼缘有效宽度，英尺

翼缘宽度，英尺直径，英尺

受拉压的轴向应力，千磅/英尺

回转半径，英尺

门3“22

主轴和次轴方向的回转半径，英尺

rz

角钢的最小回转半径，英尺

t

I型，箱型，槽型，角钢和T型

截面的板厚度，英尺

If

翼缘厚度，英尺

tw

腹板厚度，英尺

βw

角钢独有的截面特性，英尺

3.1设计荷载组合

在AISC-ASD89规范中，如果受到恒载（DL）I活荷载（LL）,风荷载（WL）I地震荷载（EL）设计荷载组合.考虑到风荷载和地震荷载是不可逆的，定义了设计荷载组合ASDA4

DL

DL4-LL（ASDA41）

DL±WL

DL÷LL±∖VL（ASDA41）

DL±EL

DL+LL±EL（ASDA4.1）

这些也是选用AISC-ASD89规范时SAP2000采用的缺省的荷载组合，用户应该使用其它适当的荷载组合，用来考虑屋顶活荷载作用或者其它类型的荷载。

设计荷载组合包括风荷载和地震荷载时，容许应力比通常的容许应力值放大4/3。

活荷载折减系数用于减少活荷载产生的内力对设计荷载组合值的贡献。

3.2截面分类

轴向受压或者受弯的容许应力依赖于截面类型：

紧凑型、非紧凑型、细长型、超细长型。

SAP2000对截面的分类标准为构件的宽厚比限值，如表III-29ASDB5.1,F3.1F5,Gl,1-B5-2）所示。

如果截面尺寸定义满足表中的相应的宽厚比限值，截面就相应被分成紧凑

的校核超出了SAP2000软件的范围。

AlSC-Aδ∙D89:

AXeSCOnVentiOnS

3-3istheCrOSS-SectiOnaxisParaIIeltotheflangesOrtheSmaIIerIeginangleSeCtlOnS・

2-2isthecros-s-sectionaxisPerpenαicula∣∙totheHnngesOrtheSnIaIIerIeginangleSeCtiOns.

FigUreIlI-I

AISC-ASD截面特性定义

SectionDcsciiption

RatiOCheCkC<1

（∖>nιpactSection

NOnCOnl

Section

NonCoIIIIHiCt（

GENERAL

—

AssumedNoncoinpaci

RECTANGLE

—

ASSUInCdCOnllKlCt

I-SIlAPE

≤6#応

5人［可

£叱疗

（VVCldCd）

M65/岳

≤95∕Jλ"

S

forχι∕Fli≤0.16;

S257/疗for,

—

≤253/拓

S

—

≤760

—

BOX

W

≤190∕Jλ7（rolled）

≤238/疗

≤253/疗

d八

ASforI-shapes

—

—

Λ∕⅛

—

ASforI-ShaPCS

≤绞/疔

CHANniEL

bj∕tj

A⅛forI-SCCIion.Ic>rP≤0NOtapplicable,forP=0INOl叩卩IkilblC

S95/応

ASIOrI-ShaPcS

"/疗

T-SllAPE

邈

NOtapplicableNotapplicable

W95/松

M⑵疋

≤95/疗M⑵W

ANGLE

NOtapplicable

M76∕√G

ROlJNDBAR

—

AssumedCQnIIXICt

PIPE

",

≤3300“

—

≤3300∕ξl

DOlJBLE

ANGLES

NQlapplics∣blc

M

M76∕JξΓ

TableIl1-2

AISC-ASD截面分类的宽厚比限值

3.3应力计算

在事前定义的杆件截面位置计算截面应力。

一般地，对于非细长型的截

面，各工况组合下应力计算基于全截面：

Λ=P3

.Λ∙Λ1=Ml3〃工Λ==.V=‰

Λ≡=兀忑

Λι=5如

对于加肋板的细长型截面，如I中细长型的翼缘，槽钢，方钢，应力计算

采用有效截面，有效截面通过缩减腹板、翼缘的计算尺寸得到。

（ASDA-D5.2d）

（ASDA-B5.2d）

（ASDA-B5.2d）

（AsDA-B5.2d）

（ASDA-B5.2d）

3.3.1容许应力计算

对于紧凑型、非紧凑型、细长型以外的截面在拉压、弯剪的容许应力计算根据下列规定：

所有受弯截面的容许应力基于截面受弯主轴。

对于方钢、槽钢、圆管、T型钢、双角钢和矩形截面，主轴就是截面几何形心轴。

对角钢而言，所有弯曲应力根据主轴求得。

受拉容许应力计算

容许轴向受拉应力值Fil为0.60Fy.

Fa=0.6Fv.（ASDDI）

应该注意没有进行净截面校核。

对于受拉构件，如果1/r大于300,程序输出相应的信息。

对于单角钢，计算1/r时采用的r为最小的回转半径rz而不是畑获Γ33o

受压容许应力计算

容许轴向受压拉应力值为弯曲屈曲或弯扭屈曲的最小应力。

对于受压构件，如果力大于200,程序输岀警告信息。

对于单角钢，计算

/力•时采用的r为最小的回转半径rz而不是比2获门3。

弯曲屈曲

容许轴向受压应力值Fa依靠基于全截面计算的长细比Kl∕r值和相应的关键值CC

其中

G=J（2kE）∕F,

对于单角钢，计算l/r时采用的r为最小的回转半径匚而不是⑵获皿。

对于紧凑型和非紧凑型截面Fa按照下式计算:

对于紧凑型和非紧凑型截面，如果计算的Kl/r大于200,采用不大于ASD

E2∙2计算所得的几值。

（ASDE1,B7）

对于细长型截面，管截面除外，Fa按照下式计算：

∖vh*erc,

（ASDA-BS.2c.ASDSAM4）

对于细长型截面，如果计算的K力大于200,采用不大于ASDE2-2计算所

得的几值。

（ASDA∙B5∙12）

对于细长型管截面，Fa按照下式计算：

Fa—-t0.40Γr（ASDA-B5-9）

Dll7

紧凑型和非紧凑型截面的缩减系数0=10对于细长型管截面，0按照下式计算：

Q^QtQa,WhCrC（ASDA-B5.2aSAM4）

O1=redιιetioπfoclorforIlnSllffenedsiCnderelements,and（ASDA-B5.2.a）

C）^=inductionfactorforStiffCnedSlCn（ICrCICmUnts.（ASDA-B5.2.c）

细长型截面的Q值按照表III-3（ASDA-B5.2,ASDSAM4）Qa系数为有效截面面积和总面积的比值。

A

Oa=—（ASDAalO）

At

有效截面面积由有效宽度计算得到：

A-"aλ-∑（λ-^）z

没有加肋板的单元be为/?

加肋板的单元6小于等于/?

（表III-4ASDA-

B5.2b）,对于I型截面的腹板，方型截面和槽钢，儿为以,力为九

弯扭屈曲

容许轴向受压应力值几基于极限状态的弯扭屈曲由下式子确定：

ASD注解（ASDC-E3）引用1986年AISC-LRFD规范计算Fe,1993年

AISC-LRFD规范公式也一样，SAP2000按照如下公式计算Fe

•矩形，I字型，箱型和管截面

•不等肢单角钢截面的Fe计算按照下面三次方程的最小的实根（ASD

SAMC-C4-2,LRFDA-E3-7）

其中xθ,yθ为剪切中心相对形心的坐标值。

双角钢和T型钢单元（y轴对

称）xθ=Oo

（⅛⅛j7

ic£

（LRFDA-E3-9）（LRFDA-E3-10）（LRFDA-E3-11）

（LRFDA-EM2）

心,心3为主轴和次轴的有效长度系数

K=为扭转屈曲有效长度系数，在SAP2OOO中Kz=K22

/22,3为主轴和次轴的有效长度

L为扭转有效长度，在SAP2000中Iz=I22

对于角钢，主惯矩和回转半径用于计算Fe（ASDSAM4）O同样，最大的

KI=mjχ（K22∣22,K.皿3）用于取代心滋或心心来计算F型和F叫

受弯容许应力计算

容许受弯应力由以下值计算得到：

截面的几何形状，受弯的轴，截面的紧

凑性及构件的长度参数等。

I型截面

I型截面的长度参数通过比较侧向无支撑长度122和关键长度得到，关键长

度按如下定义：

主轴受弯

对于紧凑型和非紧凑型截面，如果122小于Ic,那么主轴受弯容许应力取决

于截面属于扎⅛'J（rolled咸者焊⅛（welded）:

紧凑型截面

非紧凑型截面

如果122大于ICl那么紧凑型和非紧凑型I型截面的主轴受弯容许应力取决

于h2∕ΓTo

其中rr为比较受压翼缘的回转半径和1/3受压腹板的回转半径，

for⅛>5l0^f∖

FrU

（ASDFl-7）

如果Fb33取不小于下式计算的值：

（ASDFl-8）

对于C型截面只用ASDF1-8式计算。

Md和M〃是构件无支撑的端弯矩，且Md数值上小于双向受弯时

MMMb为正、单向受弯时M/Mb为负，如果某段中弯矩大于M几G取IQ悬臂梁和框架节点受支撑作用情况下Cb也取1.0,如果用户重定义了无支撑长度&和，SAP2000默认的G取1・0。

用户可以自行输入G取值。

细长截面主轴受弯的容许的弯曲应力的计算和非紧凑型截面的计算方法相同，但考虑了以下附加的公式。

如果腹板