SAP2000软件试用报告
土木0812 季林坤 0820104214
摘要：道桥工作中的大量计算经常需要一些软件的辅助，这里就浅谈众多实用软件中一款经常使用，也是道桥课上讲过的SAP2000软件。着重介绍SAP2000的软件背景以及它强大的功能，在日常工作中的应用。并且用一个实例看下它的强大之处。
一、软件背景
从简单的二维框架静力分析到复杂的三维非线性动力分析，SAP2000能为所有结构分析和设计提供了解决方案。
集成化的通用结构分析与设计软件自从三十前SAP诞生以来，它已经成为最新分析方法的代名词。SAP2000保持了原有产品的传统，具有完善、直观和灵活的界面，为在交通运输、工业、公共事业、运动和其它领域工作的工程师提供无出其右的分析引擎和设计工具。在SAP2000三维图形环境中提供了多种建模、分析和设计选项，且完全在一个集成的图形界面内实现。在今天的市场上SAP2000已经被证实是最具集成化、高效率和实用的通用结构软件。先进的分析技术提供了：逐步大变形分析、多重P-Delta效应、特征向量和Ritz向量分析、索分析、单拉和单压分析、Buckling屈曲分析、爆炸分析、针对阻尼器、基础隔震和支承塑性的快速非线性分析、用能量方法进行侧移控制和分段施工分析等。
桥梁设计者可以用SAP2000的桥梁模板建立桥梁模型，自动进行桥梁活荷载的分析和设计，进行桥梁基础隔震和桥梁施工顺序分析，进行大变形悬索桥分析和Pushover推倒分析。
SAP200还具有以下的特点：
三维结构整体性能分析，空间建模方便，荷载计算功能完善，可从CAD等软件导入，文本输入输出功能完善。结构弹性静力及时程分析功能相当不错，效果高，后处理方便。
而他的不足之处在于弹塑性分析方面功能较弱，有塑性铰属性，非线性计算收敛性较差。
二、功能
SAP2000具有极强的功能，如建模功能(二维模型、三维模型等)、编辑功能(增加模型、增减单元、复制删除等)、分析功能(时程分析、动力反应分析等)、荷载功能(节点荷载、杆件荷载、板荷载、温度荷载等)、自定义功能、以及设计功能等等。
2.1建模功能
SAP2000作为有限元结构分析程序，它的模板中提供了工程中常见的结构形式模型以及许多普通程序无法实现的复杂模型，如桥梁、拱坝、水箱和高层建构筑物等。它的建模界面非常友好，是基于视窗的图形化界面，在这个可视化界面中可以利用这些预设的模块库快速建立模型。一般在选定模型后，只需要将对应的一些数据改变一下，就可以在瞬间内建立用户所要的建筑模型，非常快捷方便。
在SAP2000中建模，实际结构单元用对象来体现，先定义出所使用的材料性质，如钢材(steel)、混凝土(concrete)和铝材(aluminum)，再在图形界面中画出对象的几何分布，然后指定荷载和属性到对象上建立实际构件模型。程序包含下列对象类型:点对象、线对象、面对象、实体对象。
在目前使用的各个SAP2000版本中，由于面向对象技术的出现，建模时无需像以前那样，把模型划分为足够细的单元进行分析，而只要给出结构的基本框架即可。因为当运行SAP2000进行分析时，程序自动将建立的面对象的模型转换成基于有限元的模型。这种基于有限元的模型称为分析模型，它由传统的有限元单元和节点构成。在分析结束后把分析的结果又传回面向对象模型。用户可以控制网格划分，如细分的程度，以及如何处理相交单元的连接等。用户可以手工对模型进行网格划分来做到对象和单元的一一对应。
从以上可知，在SAP2000中建模的一般原则是，对象的几何特性应与实际构件相对应，这样可以简化模型并有利于设计过程。同时，图形界面中亦提供多种有效工具去建立模板中未给出的其它结构模型，甚至可利用内定基本模型及最佳设计去修正模型。
2.2分析功能
SAP2000程序有别于其它一般结构有限元程序的最大特点就在于它的强大的分析功能。SAP2000中使用许多不同类型的分析，它基本上集成了现有结构分析中经常遇到方法，如时程分析、地震动输入、动力分析以及Push-over分析等等。另外还包括:静力分析、用特征向量或Ritz向量进行振动模式的模态分析、对地震反应的反应谱分析等等。这些不同类型的分析可在程序的同一次运行中进行，并把结果综合起来输出。
2.2.1.荷载工况及组合
荷载代表了对结构的作用，如外力、压力、支座位移、温度应力、地面加速度及其它。用户可以对对象定义包括多种荷载的荷载工况，程序自动计算出地面加速度荷载。为计算在荷载工况下结构的响应，用户必须定义荷载工况施加的方式(如:静力的、动力的等)以及结构的分析方式(如:线性的、非线性的等)。同一个荷载工况可以在不同的分析中以不同方式施加。用户可以任意的定义荷载工况。一般情况下，常定义的荷载工况有静荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、温度荷载等。需要变化的工况，不管是用于分析或是因为施加方式，应该定义为的荷载工况。对定义的每个荷载工况，程序自动生成荷载向量r和静力位移u的解，每个荷载工况包括:①框架和(或)壳单元的自重荷载;②框架单元的集中或分布荷载:③壳单元上的均布荷载:④节点上的力和(或)地面位移荷载[69-70]。进行每一个不同的分析称为分析组合，作为分析组合的一部分，对每个分析组合分配一个量，这些标号可用于产生另外的组合和控制输出。分析组合的基本类型有:
·荷载组合或荷载(Load Case or Load)--荷载基本的空间分布，静力分析的对应结果; ·振型(Mode)--特征向量或Ritz-Vector，相应的频率，振动模态分析的结果; ·反应谱(Spec)--反应谱分析的基本结果。 2.2.2. 静力线性分析 2.2.3.模态分析
用户可以任意多的定义模态分析工况，尽管大多数情况下一个工况已经足够。对于每一个模态分析工况，用户可以自行选择进行特征向量分析还是Ritz向量分析。
2.2.4.反应谱分析
SAP2000对于反应谱分析振型组合，给出了CQC法、SRSS法、ABS法、GMC法、10Pct法和Dbl Sum法等组合方法。我国2002新规范规定考虑结构藕联效应的情况，可采用CQC和SRSS两种结合方法。
2.2.5.线性时程分析 在SAP2000程序中，时程分析可以使用的积分方式为模态积分和直接积分。模态积分方式是以结构的模态分析结构为基础，通过结构不同模态的积分求解来得到结构总的响应值，在程序中如果选择使用模态积分求解，需要选择积分求解所基于的模态分析工况。如果结构需要考虑高阶振型的影响，就应该在模态分析工况中考虑更多的振型数目。直接积分方法本质是在一系列时间间隔范围内求解平衡方程。在SAP2000中时间积分方法的选择是通过其它参数区域时间积分参数的定义来完成的，提供了Newmark法、Wilson法、排列法、Hiber-Huges-Taytor法、和Chung and Hulbert法等方法可供选择。
6.高级分析功能
SAP2000在结构分析实践中可能会使用的较为深入的分析功能，这些功能包括结构的屈曲分析、静力非线性分析、动力非线性分析等。
三、下面可以用两个实例进行演示：
算例一 计算如图所示的连续梁，截面有两种，成线性变化且梁为对称的。混凝土的容重为23KN/m3。弹性模量E=3.5×10Kg/cm2,G=0.43×E 51221 截面2截面1
建模：
选择量纲为KN,m,C
在file菜单中选择New Model,→点击Beam, →跨数输入4，跨长输入100。 选中左边端点点右键修改x坐标，改为-160，同理 ,最右边端点改为160。 从定义菜单define中完成下列工作：
定义材料，define→ material ,选conc混凝土→点击modify/show material可修改
810混凝土的弹性模量改为E=3.5× pa，容重改为23KN/㎡→OK→OK。
点击菜单define→frame /Cable section→在出现对话框Frame properties中的Add
i/Wide Flange下选SD section→点Add new property →点section designer→在CSISD界面中把上面那两个截面画出来，定义为FSE!,FSE2。
点击菜单define→frame /Cable section→在出现对话框Frame properties中的Add i/Wide Flange下选Add Nonprismatic→点ADD New Property→采用默认名 VAR1,在Start Section下选择FSE1在End Section 下选FSE2,在Length下输入1，在Length type 中输入Absolute,在EI33Variation中选Parabolic, 在EI22Variation中选Parabolic。→Add
→OK。继续定义VAR2，在Start Section下选择FSE2在End Section 下选FSE1,在Length下输入1→Add→OK。
从赋值菜单中Assign中完成以下工作
给各杆赋予截面特性。选择要赋值的杆件→点Assign→frame /Cable/Tendon →frame sections出现Frame Properties对话框，选要赋给杆件的截面→OK。
选中工具栏中的(clr)清除选择。由Assign→clear Display of Assigns清除字符。 分析运行：
设置结构类型。由Anlyze→Set Analysis Options出现图窗口，选择平面结构，OK. 运行程序。Analyze→Run Analysis→Run Now。 显示分析结果：
Display→Show Force/stress→Frames/Cables 分别显示弯矩和剪力如图：
弯矩图
算例二
预应力应力混凝土
混凝土：E=4400 ksi, 泊松比=0.2 fc=6 ksi 索扭矩=200 kips
求 解：确定承担 DL+LL+PRESTRESS 荷载组合的抗弯楼板。对比剖分为4块与剖分为20块的计算结果。
一、 建模模型：
1、 设置计算量纲为Kip,ft,F。
2、 点击文件菜单→新模型,出现新模型对话框→点击梁，在梁对话框中：将跨数改为1，
将跨度改为30→点击 确定 键→叉掉三维显示窗口。 二、从定义菜单中完成以下工作：
（1） 定义材料：定义→ 材料,选混凝土CONC→点击MOdify/Show Material可查看
有 关混凝土的弹性模量及泊松比，修改重量密度为0.15→点确定。 （2） 点击 在状态栏的下拉列，来设置量纲为Kip,in,f.
（3） 定义→ 材料,选混凝土CONC→点击MOdify/Show Material。在弹性模量编辑
格内输入4400，在泊松比编辑格内输入0.2在S指定混凝土受压强度编辑格内输入6， 在抗弯钢筋屈服强度输入60，在抗剪钢筋屈服强度输入60。
（4） 点击定义菜单→框架截面命令来显示框架属性 对话框→点击显示 Add I/Wide Flanget下拉列，然后点击 Add Rectangular →点击添加新属性→在材料下拉菜单中选 CONC,在高度编辑格内输入30，在宽度编辑格内输入18→点确定。 （5） 在定义菜单→荷载工况来显示定义荷载对话框。在此对话框：在荷载名编辑格
内输入LIVE，从类型下拉菜单选LIVE,点击添加新荷载，在荷载名编辑格内输入PRESTRES，从类型下拉菜单选OTHER,点击添加新荷载，点确定。 （6） 点击定义菜单→组合命令来显示定义反应组合对话框在此对话框：在工况名下
拉列选DEAD点击添加按钮，此外，在工况名下拉格选LIVE,PRESTRES点击添加。然后点确定，来关闭所有的对话框。
三、在绘制菜单中完成以下工作
（1） 点击 绘制菜单→框架/索/筋 命令，显示 对象属性对话框→点击 线对象类型
下拉列表并选择 筋 选项→点击梁一端的点，然后在梁的另一端点击以绘制该筋。当松开鼠标时，将显示 线对象筋数据2。
（2） 点击 抛物线计算器 按钮→显示 定义限定线对象抛物线筋布局2 对话框→点
击左下角的快速开始下拉列表中选择1→点击 快速开始 按钮以更新 筋布置数据 表格。将在数据中增加一行数据→在第一行数据的 坐标2 单元格中输入 8→确认在第二行数据的 坐标2 单元格中的数据为-12→在第三行数据的 坐标2 单元格中输入 3→点击 刷新 按钮，将数据表和图形显示区域的数据更新→确认勾选了 对该筋使用计算结果 复选栏→点击 完成 按钮→回到 线对象筋数据2 对话框。
（3） 在该对话框的筋荷载区域点击 添加 按钮，显示 筋荷载 对话框→从荷载工况名下拉列表中选择 PRESTRES 荷载工况→在 从这个位置增加 区域 选择 两端同时地→在力编辑栏中输入 200→确认所有的摩擦和锚固损失及其他损失参数为零。→点击 筋荷载 对话框和线对象2筋数据对话框 点击 确定 按钮，关闭这些对话框。
四、在指定菜单下完成下列工作：
（1） 通过点击选择线（框架）对象→点击 指定菜单→框架/索/筋→框架截面 命令，
显示 框架属性 对话框→在属性列表中点击 CONBEAM ，高亮显示它→点击 确定 按钮。
（2） 在状态栏上点击下拉栏，将单位改为Kip,ft,F
（3） 选择线（框架）对象→指定菜单→框架荷载→分布 显示 框架分别荷载 对话框
→确认 荷载工况名为 DEAD→在 荷载类型 和 方向 域，确认选择了 力 项，和Gravity 方向→在 均布荷载 域，输入 2.2→点击 确定 键。
（4） 选择线（框架）对象→指定菜单→框架荷载→分布 显示 框架分布荷载 对话框
→选择 荷载工况名为 LIVE→在 荷载类型 和 方向 域，确认选择了 力 项，和Gravity 方向→在 均布荷载 域，输入 1.6，点击 确定 键。
（5） 选择线（框架）对象→指定菜单→框架/索→输出站显示 指定输出站间距 对话
框→在 最小测站数 编辑格内输入 4→点击 确定 键。
（6） 点击 显示未变形形状 按钮 移除对框架输出站指定的显示 五、运行分析：
（1） 点击 分析菜单→设置分析选项显示分析选项 对话框→点击 平面框架XZ平面
按钮→点击 确定 按钮。
（2） 点击运行分析键显示 设置要运行的分析工况 对话框→在 工况名 列的高亮显
示（选择）MODAL， 点击运行/不运行工况 键→点击现在运行键 运行分析。
六、显示分析结果
（1） 点击显示菜单→力/应力>框架/索显示 对象内力图 对话框→从 工况/组合名
下拉格选择 COMB1→在 分量 域选择弯矩3-3 选项→不勾选 填充图形 格→勾选在图形上显示数值 格→点击 确定 键来显示弯矩图。
（2） 点击显示菜单→力/应力>框架/索显示 对象内力图 对话框→在 分量 域选择
弯矩2-2选项→点击 确定 键来显示剪力图。
显示4个输出站分析结构如下图所示：
变形图
弯矩图
剪力图
20个输出站操作步骤如下：
1. 点击 锁定/解锁模型键→当被问是否删除时，点击确定 键。
2. 选择线（框架）单元→点击 指定菜单→框架/索→输出站命令来显示 指定输出站间
距 对话框→在 最小测站数 编辑个内输入 20→点击 确定 。
3. 点击显示未变形形状键来去除显示的框架站指定。 4. 运行分析→现在运行。 显示20出站分析结构如下图所示
弯矩图
四、结语
通过SAP2000软件的学习，我了解这款软件是道桥工作的计算辅助工具。这款软件的特点是：三维结构整体性能分析，空间建模方便，荷载计算功能完善，可从CAD等软件导入，文本输入输出功能完善。结构弹性静力及时程分析功能相当不错，效果高，后处理方便。
SAP2000程序有别于其它一般结构有限元程序的最大特点就在于它的强大的分析功能，如建模功能(二维模型、三维模型等)、编辑功能(增加模型、增减单元、复制删除等)、分析功能(时程分析、动力反应分析等)、荷载功能(节点荷载、杆件荷载、板荷载、温度荷载等)、自定义功能、以及设计功能等。因为SAP2000中使用许多不同类型的分析，它基本上集成了现有结构分析中经常遇到方法，如时程分析、地震动输入、动力分析以及Push-over分析等等。另外还包括:静力分析、用特征向量或Ritz向量进行振动模式的模态分析、对地震反应的反应谱分析等等。这些不同类型的分析可在程序的同一次运行中进行，并把结果综合起来输出。
但是他仍有不足之处：弹塑性分析方面功能较弱，有塑性铰属性，非线性计算收敛性较差。这些不足的地方需要我们努力的学习相关知识并结合实际去弥补它。