SAP2000在桥梁抗震性能分析中的应用.ppt

SAP￿2000在桥梁抗震性能分析中的应用主讲：程东亚主讲：程东亚 学号：学号：073412106目录123456引言仿真模型建构方法特殊单元应用分析计算方法结果处理工程实例1.￿引言mSAP 2000是美国CSI公司开发研制的结构静动力分析有限元软件,具有用户界面直观、易操作、结构动力分析功能强大、非线性单元种类多等特点,因此SAP 2000尤其适用于土建结构的动力分析,在桥梁抗震性能分析领域内也占据重要地位利用利用SAP 2000SAP 2000对桥梁结构进行抗震分析的步骤主要包括前处对桥梁结构进行抗震分析的步骤主要包括前处理、计算分析和后处理等理、计算分析和后处理等3 3方面方面, ,其程序架构见其程序架构见下下图图. .图图 1 SAP20001 SAP2000桥梁抗震分析程序架构桥梁抗震分析程序架构1￿仿真模型建构方法m与与其其他他大大型型有有限限元元程程序序一一样样，，SAP SAP 20002000几几何何物物理理模模型型的的建建立立也也由由2 2条条线线构构成成: : 1 1条条是是由由““节节点点——单单元元——结结构构””组组成成的的几几何何模模型型；；另另1 1条条是是由由““材料材料——截面截面——单元单元””组成的物理模型组成的物理模型。

mSAP SAP 20002000提提供供多多种种土土建建常常用用材材料料的的属属性性, ,例例如如混混凝凝土土材材料料、、钢钢材材、、铝铝等等, ,也也可可根根据据用用户户需需要要自自定定义义相相应应的的材材料料特特性性. . SAP SAP 20002000同同时时还还提提供供多多种种截截面面形形式式, ,如如框框架架截截面面、、索索截截面面、、面面截截面面等等, ,在在框框架架截截面面中中不不仅仅有有各各类类标标准准化化的的钢钢结结构构构构件件, ,也也提提供供各各种种规规则则截截面面形形式式包包括括圆圆形形、、矩矩形形、、圆圆环环等等, ,还还可可以以根根据据用用户户需需要要自自定定义义截截面面特特性性, ,即即直直接接给给出出截截面面面面积积、、惯性矩、抗扭惯矩等常数惯性矩、抗扭惯矩等常数2￿特殊单元应用mSAP SAP 20002000除除了了提提供供常常用用的的梁梁单单元元、、索索单单元元、、面面单单元元等等, ,还还为为抗抗震震分分析析特特别别设设置置多多种种多多样样的的非非线线性性单单元元用用以以模模拟拟各各类类支支座座、、阻阻尼尼器器、、梁梁体体碰碰撞撞、、防防落落梁梁挡挡块块的的特特性性, ,这这是是其其他他许许多多有有限限元元软软件件难难以以做做到到的的, ,因因此此也也是是SAP SAP 20002000在桥梁抗震分析中的一大优势在桥梁抗震分析中的一大优势. .m此此类类非非线线性性单单元元多多用用LinkLink型型单单元元模模拟拟, ,而而LinkLink单单元元又又分分为为多多种种类类型型.Link.Link型型单单元元中中Plastic(Wen)Plastic(Wen)用用以以模模拟拟摩摩擦擦板板式式橡橡胶胶支支座座受受力力性性能能, ,需需要要设设置置刚刚度度、、屈屈服服力力、、屈屈后后刚刚度度比比、、屈屈服服指指数数等等参参数数. .其其中中屈屈服服力力( (即即支支座座发发生生滑滑移移时时的的受受力力) )为为恒恒载载作作用用下下支支座座反反力力和和动动摩摩擦擦因因数数( (通通常常取取0. 0. 02)02)的的乘乘积积, ,刚刚度度一一般般根根据据支支座座在在发发生生滑滑移移时时产产生生2 2 mmmm的的位位移移量量计计算算得得出出, ,屈屈后后刚刚度度比比通通常常取取2@10-42@10-4等等较较小小值值, ,屈屈服服指指数数反反映映曲曲线线在在屈屈服服点点光光滑滑过过渡渡段段的的范范围围, ,指指数数越越大大光光滑滑过过渡渡段段范范围围越越小小, ,通通常常取取5 5到到1010之之间间, ,最大一般不超过最大一般不超过2 20.0. 图图 2 2 Plastic(Wen)Plastic(Wen)单元模型的力单元模型的力- -位移曲线示意图位移曲线示意图mLink型单元中的Damper用以模拟黏滞性阻尼器受力性能,需要设置刚度、阻尼系数、阻尼指数等参数. SAP 2000的黏滞阻尼器单元采用Maxwell模型,即阻尼器与弹簧串联的形式,见右图.其中阻尼系数和阻尼指数是阻尼器的基本工程参数,由阻尼器规格决定,通常工程中使用的阻尼器阻尼指数介于0. 1和 1. 0之 间 ;刚 度 参 数 则 是Maxwell模型中弹簧部分的刚度,用以模拟阻尼器构件连接等的弹性变形能力.[1]图图 3 SAP中中Damper单元单元M axwell模型模型mLink型单元中的Gap用以模拟梁体碰撞受力性能,需要设置open和刚度等参数. SAP 2000的Gap单元采用线性弹簧模型,即弹簧与间隙单元串联的形式,见图4.其中open为间隙单元参数,反映碰撞体间的间隙距离,必须为0或正值;刚度参数是线性弹簧模型中弹簧部分的刚度,用以模拟碰撞时的碰撞刚度.图图 4 4 SAPSAP中中GapGap单元线性弹簧模型单元线性弹簧模型图图 5 5 GapGap单元模型的力单元模型的力) )位移曲线示意位移曲线示意意图意图3￿分析计算方法m动力特性分析是桥梁结构抗震性能分析的最基本内容之一. SAP 2000在分析结构动力特性时有特征值法和利兹向量法两种.在计算时利兹向量法分析效率较高,一般的桥梁结构进行前500阶振型分析约需数分钟. SAP 2000在动力特性分析上比其他有限元软件效率高.4￿结果处理mSAP 2000对于结果的处理与输出主要有两条途径:一是采用GUI（图形用户界面）方式直接显示于程序中;一是交互式的屏幕表格输出.第1种方式相对便捷且直观,可以从总体上了解结构的动力特性及响应,但是具体的数据查询则显得不方便.第2种方式可以轻易将屏幕表格中的数据转换至Excel电子表格,以便于后期的数据筛选处理和编辑工作.mSAP 2000可输出的数据十分全面,各载荷工况下的变形图、动力振型图、构件的内力或应力图、节点位移-时程图,耗能构件的滞回曲线等,均可以十分方便地输出显示.5￿工程实例m现以某跨径为83m+260m+83m的双塔空间双索面自锚式钢箱梁悬索桥为例,对SAP 2000在桥梁抗震性能分析中的应用作一简单介绍.图6为该自锚式悬索桥的总体布置图.该桥主梁为分幅式闭合钢箱梁断面,两幅梁之间采用横梁联接;主缆为空间缆系,跨中部分两条主缆通过空间斜向吊索与主梁两侧分别相连,边主缆采用直线布缆,并通过散索鞍锚固于主梁梁端;主塔为独柱式空心塔,截面为变截面薄壁箱形截面;主塔基础采用18根直径为2. 3m的钻孔灌注桩基础.图图 6 6 某自锚式悬索桥总体布置某自锚式悬索桥总体布置m建模时,根据自锚式悬索桥的结构特点建立三维有限元动力分析模型.主梁、主塔、边墩和桩基均采用空间梁单元,其中主梁采用双主梁式模型, 2期恒载与边跨压重采用分布质量模拟.主缆和吊索模拟为空间桁架单元,在SAP 2000中采用对主缆和索单元的两端释放弯矩来实现,以保证缆索单元仅受轴力.主塔、主梁、主缆和吊索等均考虑恒载几何刚度的影响,在SAP 2000中采用在上述单元上施加P-$力来实现.承台模拟为质点,并将承台质量以集中质量的形式加在该质点上,同时将模拟承台的质点与墩底桩顶节点采用BODY的主从关系加以限制.为了模拟桩土共同作用,在高桩位承台的群桩基础桩基冲刷线以下加6@6的土弹簧模拟单桩子结构刚度.[3]图7的自锚式悬索桥模型共建立节点836个,框架单元686个,Link型单元12个, 6@6土弹簧60个.图图 7 7 某自锚式悬索桥某自锚式悬索桥SAP 2000SAP 2000模型模型m为改善结构在地震作用下的受力和位移响应,本自锚式悬索桥在塔梁连接处设置黏滞性阻尼器;同时在非线性时程分析中要考虑支座摩擦的影响.图8和9为本自锚式悬索桥建模当中用以模拟上述两种特殊单元的属性设置,其单位为kN#m.图8为Plastic(Wen)单元参数设置,各项数值按照前文介绍的方法计算确定;图9为Damper单元参数设置,其中阻尼系数和阻尼指数根据阻尼器参数分析结果并综合考虑阻尼器制作工艺水平确定.图图8 8 摩擦型支座非线性属性设置摩擦型支座非线性属性设置图图9 9 黏滞性阻尼器非线性属性设置黏滞性阻尼器非线性属性设置m模型采用利兹向量法进行动力特性分析,分析振型阶数取前400阶;根据设防要求按100年10%(P1)和100年3% (P2)的地震超越概率进行线性反应谱地震分析,计算结果取前400阶振型的地震反应进行组合,组合方式为CQC组合;按上述地震超越概率进行非线性时程分析,考虑阻尼器和支座摩擦的影响.部分计算结果如下:表1为本自锚式悬索桥的动力特性表;表2为地震动输入在纵向+竖向时悬索桥部分关键截面的内力(弯矩)响应;表3为地震动输入为纵向+竖向时悬索桥部分关键点的位移(纵向)响应.表表1 1 本自锚式悬索桥动力特性本自锚式悬索桥动力特性m表表2 2 自锚式悬索桥关键截面内力自锚式悬索桥关键截面内力( (弯矩弯矩) )响应响应m表表3 3 自锚式悬索桥关键点位移自锚式悬索桥关键点位移( (纵向纵向) )响应响应m根根据据列列表表结结果果可可以以看看出出, ,考考虑虑塔塔梁梁间间纵纵向向阻阻尼尼器器和和滑滑动动支支座座摩摩擦擦等等非非线线性性因因素素的的影影响响以以后后, ,自自锚锚式式悬悬索索桥桥在在纵纵向向+ +竖竖向向地地震震作作用用下下的的塔塔柱柱及及其其基基础础受受力力、、各各关关键键点点位位移移均均得得到到明明显显改改善善, ,塔塔柱柱底底及及其其桩桩基基的的最最大大弯弯矩矩减小约减小约50%,50%,主梁最大位移响应降低至主梁最大位移响应降低至13 cm.13 cm.参考文献m[1] [1] WILSON WILSON E E L.L.结结构构静静力力与与动动力力分分析析[M].[M].北北京京金金土土木木软软件件技技术术有有限限公公司司, ,译译. .北京北京: :中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社, 2006: 111-216., 2006: 111-216.m[2] [2] 范立础范立础. .桥梁抗震桥梁抗震[M].[M].上海上海: :同济大学出版社同济大学出版社, 1997: 22-105., 1997: 22-105.m[3] [3] 秦秦浦浦雄雄, ,王王书书庆庆. .桥桥梁梁结结构构的的三三维维建建模模技技术术[J].[J].计计算算机机辅辅助助工工程程, , 2000, 9(2): 46-52.2000, 9(2): 46-52.m[4] [4] 魏魏勇勇, ,钱钱稼稼茹茹. .应应用用SAP SAP 20002000程程序序进进行行剪剪力力墙墙非非线线性性时时程程分分析析[J].[J].清华大学学报清华大学学报: :自然科学版自然科学版, 2005, 45(6): 740-744., 2005, 45(6): 740-744.。