有限元分析软件操作手册样本.doc

《地下结构专业工作手册》系列之一
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有限元分析软件sap84
使 用 手 册

城交分院地下结构所
二零零五年五月
目录（SAP84）

1 软件介绍 1
1.1 软件概述 1
1.2 软件安装 2
1.3 取得帮助 2
2 工程算例 3
2.1 问题描述 3
2.2 计算步骤 4
3 注意事项 12
3.1 建立计算模型 12
3.2 选择单位制 12
3.3 相关自重 13
3.4 相关材料参数 13
3.5 荷载工况及组合 14
3.6 弹簧刚度 15
3.7 梁柱弯矩放松 15
4 常见参数表 16
4.1 地基土基床系数 16
5 计算单内容 17

1 软件介绍
1.1 软件概述
SAP84是以有限元法为基础结构分析软件，由北京大学力学系袁明武教授主持开发。自1982年开发以来至今已经有近二十多年历史，现在SAP84版本6.5已经推出。为了考证有限元程序正确性，SAP84对美国CSI企业产品SAP大部分算例全部进行了计算和对比。SAP84软件是一个高度模块化系统，它包含下列模块：
a 平面模型图形输入系统PlanIn。PlanIn能够处理平面框架、桁架、钢架、平面应力和平面应变问题，用荷载结构模型进行地下结构分析通常采取此模块。
b 结构设计图形后处理软件GPOST。
c 和现行规范配套混凝土配筋模块REIN和钢结构校核模块SS88（）。
d 功效强大图形交互系统GIS。GIS能够处理空间框架、桁架、网架、钢架、壳体和地下结构问题，对于空间效应显著地下结构通常采取此模块分析。
e 桩基承载力分析模块GPILE。
f 独特施工模拟分析模块XCONSTR。
g 二维有限元网格自动生成及建模程序AutoMESH 2D（其功效同时集成在GIS中）
h 三维实体单元网格自动生成及建模程序AutoMESH 3D。
i 高层建筑专用前处理程序SAGS和后处理程序SAGSOUT。
SAP84各模块之间关系图1.1所表示。

图1.1 模块关系图
1.2 软件安装
用户在购置SAP84后即得到：一张软盘（含同加密狗配套授权文件SAP84V60.INI）；一张光盘（含安装文件SETUP.EXE）； 一个加密插头。
用户能够开启光盘上SETUP.EXE进行安装，然后根据SETUP提醒进行。假如安装是正式版，安装过程中需要把授权文件SAP84V60.INI文件拷入SAP84安装目录。假如用户系统为Windows NT或Windows ，而且是第一次安装SAP84，安装程序会要求安装并口驱动程序。安装完成以后请将加密插头插到并行口LPT1上，然后就能够经过SAP84程序组开启SAP84集成环境系统SAPGUIDE。
1.3 取得帮助
在学习或应用软件过程中，假如碰到困难能够经过多个路径来处理：
a 软件配有一套纸质说明书，以供阅读；
b 在软件开启后，按F1键出现在线帮助；
c “开始”→“程序”→“SAP84”可找到帮助系统文件夹和演示程序。
2 工程算例
PlanIn是地下结构专业最常见模块，这里关键介绍PlanIn使用方法。假如欲掌握建立空间模型基础方法，可学习GIS帮助中建立半球壳例子。
2.1 问题描述
某地铁车站结构横断面图2.1所表示，构件所用材料为C30钢筋混凝土。地基土水平、竖直基床系数为40MPa/m。结构所受永久荷载图2.2所表示，所受可变荷载图2.3所表示。

图2.1 结构横断面图

图2.2 永久荷载图

图2.3 可变荷载图
2.2 计算步骤
依据已知条件，建立模型，计算该结构内力和位移。计算步骤以下：
（1）开启软件，选择单位制，进行选项设置。
点击桌面图标开启SAP84，进入后点击，点击“文件”“新建”“保留”，文件名只能够英文字母命名。
点击“参数”“选择单位制”，选择“kN、m”，点击确定。
点击“参数”“选项设置”，确定选择了“考虑材料引发自重”一项。
（2）生成节点和单元，建立几何模型。
点击“几何”“绝对坐标生成节点”，在界面底部输入表2.1中节点坐标，生成6个节点。点击“显示”“显示选项”，选中“节点号”一项，屏幕显示出节点编号，图2.4所表示。
表2.1 节点坐标值
节点号
y
z
1
0.000
0.000
2
14.800
0.000
3
14.800
6.800
4
14.800
11.600
5
0.000
11.600
6
0.000
6.800

图2.4
点击“几何”“梁柱生成”，在“常见工具和按钮”中选择“直线生成”，用鼠标连续选择节点1和节点2，在屏幕出现对话框中输入要生成单元数目，生成车站结构底板。如此方法生成侧墙、顶板和中板，完整车站结构图2.5所表示。

图2.5
（3）设置构件材料和截面。
点击“参数”“管理材料库”“添加材料”，输入“C30”，“混凝土强度等级”中显示“30”，其它参数不需输入，软件将自动赋值。
点击“参数”“管理一般截面库”“添加截面”，输入“底板”，在“截面参数”中输入截面高（1.3）和截面宽（1.0）数值，屏幕图2.6所表示。如此方法生成顶板（截面高1.2和截面宽1.0）、中板（截面高0.6和截面宽1.0）和侧墙（截面高0.8和截面宽1.0）截面尺寸。

图2.6
点击“属性”“梁柱材料”，选择全部梁柱单元，选中单元会改变颜色。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，全部单元被给予了材料属性。
点击“属性”“梁柱截面”，确定截面参数显示为“底板”，选中全部底板单元。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，全部底板单元被给予了截面属性。如此方法将截面属性分别给予给顶板、中板和侧墙单元。此时屏幕图2.7所表示。

图2.7
（4）施加结构荷载，建立荷载工况，设置荷载组合。
点击“荷载”“梁柱荷载”“改变荷载参数”，选中“以插值方法确定梁柱荷载”。输入插值点1（-66）和插值点2（-66）“荷载线密度值”，点击“退出然后捕捉2个插值点”，选择节点5和节点4，再选择顶板梁柱单元。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，选中单元被施加了对应荷载。如此方法施加中板荷载（-8）。
点击“改变荷载参数”，选中“以插值方法确定梁柱荷载”。选择“荷载作用方向”为整体坐标Y方向，输入插值点1（17.82）和插值点2（87.21）“荷载线密度值”，点击“退出然后捕捉2个插值点”，选择节点5和节点1，再选择左侧侧墙梁柱单元。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，选中单元被施加了对应荷载。如此方法施加右侧侧墙荷载（-17.82，-87.21）。此时屏幕图2.8所表示。

图2.8
点击“常见工具和按钮”，“工况1”，输入“2”，进入工况2，施加结构承受活荷载。方法如上所述，顶板施加荷载（-20，-20），左侧侧墙施加荷载（5.4， 5.4），右侧侧墙施加荷载（-5.4，-5.4）。此时屏幕图2.9所表示。

图2.9
点击“荷载”，“荷载组合”，“添加”，“+”，“工况号”中输入“1”，“荷载系数”中输入“1.485”。“+”，“工况号”中输入“2”，“荷载系数”中输入“1.54”，点击“确定”。“添加”，“+”，“工况号”中输入“1”，“荷载系数”中输入“1.0”。“+”，“工况号”中输入“2”，“荷载系数”中输入“1.0”，点击“确定”。点击“确定”。
点击“荷载”，“位移组合”，“添加”，“+”，“工况号”中输入“1”，“荷载系数”中输入“1.0”。“+”，“工况号”中输入“2”，“荷载系数”中输入“1.0”，点击“确定”。点击“确定”。
（5）施加结构约束条件。
点击“节点”，“接地弹簧刚度”，在“Dz”中输入“-1”，在“弹簧刚度”中输入“37000”，选择“只能受压”，用鼠标选择节点1和节点2，点击右键，选择“应用选择对象”，节点1和节点2处显示设置了受压弹簧。如此方法设置表2.2所列节点处弹簧，结果图2.10所表示。
表2.2 弹簧刚度值
节点号
Kz
节点号
节点号
Ky
1
37000
5
4
24000
7
74000
27
19
48000
8
74000
28
18
48000
9
74000
29
17
48000
10
74000
6
3
58000
11
74000
30
16
68000
12
74000
31
15
68000
13
74000
32
14
68000
2
37000
1
2
34000

图2.10
（6）检验数据和删除无用数据。
点击“文件”，“数据检验”，软件警告“结构在UY UZ方向自由度没有约束”，因为设置了弹簧，结构是静定，点击“确定”，忽略软件警告。点击“文件”，“删除无用数据”，软件显示“完成无用信息删除”。
（7）计算和结果查看。
点击“其它模块”，“计算和分析”，出现“SAP84分析选项对话框”，选择“确定”，软件开始计算。计算完成后，点击“其它模块”，“后处理SAPOUT”，进入SAP84后处理模块。将“目前公共参数”中荷载组合选择为“1”，点击“内力和应力”，“一维单元内力图”，选择“1-2平面内弯矩”，点击“确定”，屏幕显示结构在荷载组合1作用下1-2平面内弯矩图，图2.11所表示。如此方法，能够得到荷载组合1作用下结构轴力图和剪力图和荷载组合2作用下结构内力图。得到结构内力图即可对结构截面进行验算和配筋。

图2.11
将“目前公共参数”中位移组合选择为“1”，点击“位移”，“节点位移数值显示”，选择“目前位移组合位移”，和“Z方向平动位移”，点击“确定”，屏幕显示结构在位移组合1作用下竖直方向位移图，图2.12所表示。如此方法，能够得到荷载组合1作用下结构在其它方向位移。

图2.12
3 注意事项
3.1 建立计算模型
计算模型是对实际结构抽象和简化，计算模型应该能够正确、正确地反应关键构件关键特征。
SAP84提供了很多单元类型用于模拟不一样构件，单元类型选择关键取决于构件受力特点。通常说来，承受轴力和弯矩而且一个方向尺度比另外两个方向要大得多构件能够用梁柱单元来模拟，而一个方向尺度比另外两个方向要小得多构件能够用板壳单元或墙单元来模拟。假如板壳关键承受面内轴力，面外弯矩能够忽略话能够采取板壳单元中膜模式，假如板壳关键承受面外弯矩，面内轴力能够忽略话则能够采取板壳单元中板模式，其它情况则能够用壳模式来模拟。假如三个方向尺度相近，则需要用三维实体单元来模拟。
一样一根梁单元，假如把它放在整个结构中考虑，能够用梁柱单元模拟，不过有时候假如需要单独考虑这根梁单元具体受力情况，这时能够用三维实体单元来模拟，然后把整体计算中内力结果施加到三维实体单元上。有时假如需要考虑构件衔接部位受力情况，能够优异行整体计算（忽略衔接处影响），然后采取三维实体元计算该衔接部位，同时把整体计算中内力结果加上。
3.2 选择单位制
GIS和PlanIn不限制使用何种单位制，用户能够依据习惯自己选择。现在，软件提供给用户单位制选项见图3.1。依据工程习惯，提议选择kN和m单位制。需要注意是：重量和质量是两个不一样概念，二者有一定换算关系。

图3.1
3.3 相关自重
“选项设置”提供了部分常见选项输入和控制，部分选项对于计算结果很关键。假如在填写各单元材料参数时输入了材料重度（包含由混凝土强度等级得到查询值），而且选中了此选项，SAP84分析程序将自动考虑由材料重度产生自重，而且把它放在工况1下。不过，假如没有选中此项，SAP84在计算时将不会考虑由材料重度产生自重。缺省情况下该项是被选中。
3.4 相关材料参数
在输入材料参数时，假如只输入混凝土强度等级，而其它材料参数保持为零，SAP84分析程序将自动查询该混凝土强度等级对应弹性模量E、剪切模量G、泊松比v、密度、重度和热膨胀系数。材料数据对话框图3.2所表示。通常弹性模量、剪切模量和泊松比之间转换公式为：G＝E/2(1+v)。假如没有输入混凝土强度等级，而输入了其它材料参数，则材料由这些输入参数决定。假如同时输入了混凝土强度等级和其它材料参数，输入材料参数将覆盖混凝土强度等级对应参数。比如：输入混凝土强度等级为40、弹性模量为2.06E8千牛/平方米，其它参数均为零，则这种材料弹性模量为2.06E8千牛/平立米（40号混凝土对应弹性模量为3.25E7千牛/平方米），剪切模量为1.25E7千牛/平方米（查询值），密度为2.5吨/立方米（查询值），比重为24.5千牛/立方米（查询值），热膨胀系数为1.0E－5（查询值）。

图3.2
3.5 荷载工况(荷载种类)及组合
    这里所说工况实际上就是荷载种类，在输入过程中通常不限制哪些荷载放置在哪个工况下，但应尽可能把组合系数相同荷载放在同一工况下。程序现在对部分特殊荷载所在工况有部分特殊约定：梁柱、板壳、墙、三维元单元材料属性中假如输入了单位体积自重（包含输入了混凝土标号或钢截面和材料），前处理系统将把这部分自重强制放置在工况1下，除非取消了“选项设置”对话框中“考虑材料引发自重”一项； 其它荷载所放工况没有任何特殊要求。
SAP84中荷载工况系数和建筑结构荷载规范中分项（组合）系数有一定区分，某荷载组合作用下产生内力指是以下荷载组合：工况1荷载×工况1荷载系数＋工况2荷载×工况2荷载系数＋工况3荷载×工况3荷载系数＋……＋工况n荷载×工况n荷载系数。荷载组合对话框图3.3所表示。各工况荷载值并不要求是设计值还是标准值，完全由您所输入荷载值决定。这里所谓荷载工况系数是综合了规范中组合系数和分项系数以后综合系数。

图3.3
  SAP84在进行分析时，位移组合和荷载组合能够不相同。位移组合系数输入方法和荷载组合完全相同。SAP84荷载组合可了解为承载能力极限状态对应荷载组合，位移组合可了解为正常使用极限状态对应荷载组合。
3.6 弹簧刚度
接地弹簧刚度和围岩基床系数和弹簧所覆围岩面积相关，计算公式为

—接地弹簧刚度
—围岩基床系数
—弹簧所覆围岩面积
、—和弹簧相连单元面积
、—和弹簧相连单元长度
3.7 梁柱弯矩放松
PlanIn生成梁柱单元在缺省情况下两端采取刚接，假如用户想把构件一端或两端作为铰接处理，能够经过弯矩放松功效实现。梁端放松对话框图3.4所表示。100表示完全放松，0表示刚接，弯矩放松项能够是0—100中任何一个数据（半刚接，介于完全刚接和完全铰接之间）。

图3.4
4 常见参数表
4.1 地基土基床系数
图4.1基床系数经验值（MPa/m）
岩土类别
状态
值
软土、淤泥质土、有机土

1~8
粘性土
软塑
8~15
可塑
15~35
硬塑
35~70
坚塑
70~90
砂土
松散
5~10
稍密
10~15
中密
15~25
密实
25~40
圆砾、角砾
中密
25~40
密实
40~95
黄土、黄土质土

30~50
注：本表系垂直基床系数，摘自《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》
基床系数应依据工程地质勘察汇报进行取值。中国外经过大量荷载板试验已积累了很多垂直基床系数经验参考值，而水平基床系数和垂直基床系数关系，以后还需深入研究。
5 计算单内容
（1）工程概况
a 工程名称、设计阶段等工程基础情况。
b 各结构构件采取材料、截面、结构断面图。
（2）地质条件
包含地层物理力学参数和地下水情况。
（3）结构模型
a 基础假定
b 结构模型图，约束条件。
c 弹簧刚度列表
（4）荷载计算
a 荷载计算
b 荷载组合
c 荷载图
（5）计算结果
a 结构内力图：基础组合、标准组合等各荷载组合弯矩图、轴力图和剪力图。
b 结构位移图：Y方向位移图和Z方向位移图。