SAP2000张弦粱结构计算

一、SAP2000设计步骤：

1.按照cad中图层导入模型，或者直接在sap2000中建立模型；2.定义材料（Q235/345、混凝土、玻璃、拉索）；

3.定义截面--框架截面、面截面、索截面；部分截面可以利用sap2000自带的截面库；4.指定框架截面、面截面；

5.计算荷载，定义荷载工况，指定荷载（先选择节点或构件，再指定荷载）。恒载、活载、风载、地震、温度、活荷载不利布置；

6.边界条件--指定节点约束，单元本身自由度释放（铰接）；7.定义荷载组合，检查是否有不对或不合实际情况的荷载组合；8.运行分析，检查有无异常情况，更正模型中节点没有连接上的情况；9.查看内力及节点反力；

10.构件设计，查看应力比超限构件及不满足规范要求的构件；

11.检查柱子的计算长度系数及梁的平面内、平面外无支撑计算长度，在查看覆盖项中进行修改；12.检查整体结构水平、竖向变形，检查梁竖向变形（显示变形）；13.根据设计结果优化构件；14.整理计算书；①.材料②.截面③.荷载④.荷载组合⑤.边界条件

⑥.计算……节点反力、单元反力⑦.设计结果……构件应力比⑧.水平及竖向变形校核

二、张弦梁计算实例1、基本情况：A、荷载情况：屋面恒载：0.8KN/m

2

屋面活载：0.5KN/m2基本风压：0.65KN/m2基本雪压：0.2KN/m2

抗震设防烈度：8（0.2g）度，地震分组：一组，场地类别：二类B、设计简图：

C、选用的材料

D、材料种类

①、Q345钢材（《钢结构设计规范》GB50017━2003）

②、钢绞线（《混凝土结构设计规范》GB50010-2002）

③、混凝土（《混凝土结构设计规范》GB50010-2002）

E、CAD建立空间三维模型

①、建立相应的构件图层，默认情况下，0层是不能导入SAP2000的；

②、建立三维线计算模型，并将文件另存为：在CAD中建立模型的整体向上的坐标方位为Z轴；

格式；建议

2、在SAP2000中导入计算模型：

A、打开SAP2000，在右下角将单位调整为B、文件/导入/AutoCAD.dxf文件

，

C、选择“AutoCAD.dxf文件（f）”菜单，找到CAD中建立的三维线计算模型(文件名后缀dxf)，弹出对话框：

该对话框是选定整体坐标系的方位，如在CAD中整体向上的坐标方位为Z轴，则不用做任何修改，D、直接点击“OK”按钮，弹出如下对话框：

共五项分别为导入特殊节点、杆件、NLLINK单元、壳、实体，对于杆件类，E、如本例题在Frames下拉框中选择“ZHJ-上弦”，

F、点击“OK”，如下图：

G、不做任何改变，按下图操作定义杆件组：

F、选择“制定到组”弹出如下对话框：

H、点击“添加新组”按钮，弹出对话框：

I、定义好“组名称”——ZHJ-SX，组名称可以同层名称，也可以为其他名称，自己要清晰，只能输入字母和数字，不接受中文，

J、输好组名称后直接点击“确认”回到如下对话框：

建立新组成功，在“组”对话框中有显示刚刚建立的组，点击“确定”，完成上弦杆的导入；K、重复B~J步骤，依次将下弦、腹杆1、腹杆2、腹杆3、撑杆、拉索导入并分别建立好组，如下：

存盘，定好文件名；3、在SAP2000中定义材料：

A、菜单栏选择“定义/材料”，弹出如下对话框：

B、选择“快速添加材料”，弹出如下菜单：

C、选择“材料类型”为“Steel”，选择“规范”为“ChineseQ345”，点击“确定”，回到对话框：

Q345材料已经添加成功，也可以通过“添加新材料”对话框设置材料特性，如下：

点“确定”即定义成功，如下：

D、索材料在SAP2000中没有现成的，需要按照定义Q345-1的方法定义，具体如下：

点“确定”即定义成功，如下：

E、定义混凝土，方法同上，点击快速添加材料，弹出如下对话框：

如上图中选择，点“确定”，回到对话框：

混凝土C30定义完成，点击“确定”后材料属性定义全部完成。4、在SAP2000中定义截面

A、通过第3步定义完成材料属性后，就要紧接着定义模型中涉及到的各种规格截面，通过菜单“定义/截面属性/框架截面，定义模型中用到的钢通截面，如下：

B、点击“导入新属性”可以批量导入标准截面，如下：

点击上图中的截面，弹出如下对话框：

在SAP2000安装目录下找到后缀为pro的文件，双击打开就能相应导入截面，在本例中我们通过自己定义截面实现，具体如下：

C、点击“添加新属性”，弹出对话框：

选择“圆管”，弹出如下对话框：

D、按上图进行设置，设置完后点击“确定”即设置完成一种截面，重复上述过程，将钢管一次定义完成，如下：

E、定义索截面同上述定义钢截面情况类似，具体如下：

选择“索截面”，弹出如下：

选择“添加新截面”如下：

其中，“指定索直径”为索的等效直径，即:

Πx(D/2)2=Πx(d/2)2xn——其中：D为等效直径，d为索每一跟钢丝的直径，n为索截面中的钢丝数量，推导得出：D=(n)1/2d，

1/2

φ5X151索，即D=(151)X5=61.4mm

点“确定”，即可回到如下对话框：

点击“确定”，索截面定义完成。5、在SAP2000中指定截面选择菜单“选择/选择/组”，

弹出如下对话框，选择“ZHJ-SX”,

点击“确定”，图形窗口中的上弦梁全部被选中，如下：

选择“指定/框架/框架截面”，

弹出如下对话框，

选择P219X10钢通，点击“确定”，上弦材料截面指定完成，其他钢管采用类似方法一一指定，指定后如下;

当选择SUO指定截面时，索截面显示为灰色，如下：

这说明，索截面的指定不能采用像钢管截面一样的指定方式进行指定，而应该绘制索，具体如下，

选择“视图/设置三维视图”，弹出如下菜单：

在“快速视图”中选择“YZ”，并将“孔径角”设置为“0”，点“确定”后的视图为：

选择常用工具栏的“绘制框架/索单元”，具体如下：

弹出如下对话框，如下图中选择好各选项，在视图区重新绘制索，

每绘制完一段索，就会弹出如下对话框：

不做任何修改，点“确定”继续绘制索，直到全部绘制完成，点击弹出如下对话框：

，

选择“框架/索/钢束”栏下的“截面”，点击“确定”，计算模型上显示每个构件的截面规格，如下

但在索位置，显示了两个截面，一个是“SUO”,一个是系统默认的“W18X35”截面，这意味着要删除系统默认的“W18X35”截面，保留“SUO”截面，具体操作如下：

首先，通过菜单“选择/选择/组，

选择“CABLE”，并“确定”，将索单元全部选中，如下：

在屏幕空白区域点击鼠标右键，弹出如下对话框：

选择“只显示选择对象”，其他未选中对象均被隐藏，如下：

逐一删除对象后，在屏幕空白区域点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“显示全部”，系统默认的“W18X35”截面被删除，如下：

截面指定完成，点击，弹出如下对话框：

选择“常规”下“拉伸显示”，并“确定”

显示的是计算模型的实体模型。

6.计算荷载，定义荷载工况，指定荷载1）荷载计算简图

150075014007006000120002）节点受荷面积计算：

中间一个点的受荷面积A1=6000X1400=8400000mm2=8.4m2

边上一个点的受荷面积取中间一个点的受荷面积一半（偏安全），即A2=4.2m23）定义荷载：

选择“定义/荷载模式”，弹出如下对话框，按下图一次定义LIVE、WIND、SNOW、TEMP（温度荷载，定义拉索初始预应力）荷载，地震作用不在这里指定，如在这里指定采用的计算方法是底部剪力法，后面我们采用反应谱法计算地震作用。

点击“确定”退出。4）荷载计算：

A、屋面恒载：0.8KN/m2

QD1=A1X0.8=8.4X0.8=6.72KN↓

QD2=A2X0.8=4.2X0.8=3.36KN↓B、屋面活载：0.5KN/m2

QL1=A1X0.5=8.4X0.5=4.2KN↓QL2=A2X0.5=4.2X0.5=2.1KN↓C、基本风压：0.65KN/m

2

WK=βz*μz*μs*Wo

其中：张弦梁顶部标高15.0m，地面粗造度按B类地区考虑，《建筑结构荷载规范》（GB

50009—2001）

7.4顺风向风振和风振系数相关条文如下：

7.4.1对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,

以及对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。

注:近似的基本自振周期T1可按附录E计算。

附录E结构基本自振周期的经验公式E.1高耸结构E.1.1一般情况T1=(0.007～0.013)H钢结构可取高值，钢筋混凝土结构可取低值。[基本自振周期T1取为：0.013X15=0.195S]

7.4.2对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构,以及高度大于30m，高

宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，均可仅考虑第一振型的影响，结构的风荷载可按公式(7.1.1-1)通过风振系数来计算，结构在z高度处的风振系数βz可按下式计算:

式中ξ—脉动增大系数；υ—脉动影响系数；Ψz—振型系数；μz—风压高度变化系数。

7.4.3脉动增大系数，可按表7.4.3确定。

注：计算WoT1时，对地面粗糙度B类地区可直接代入基本风压，而对A类、C类和D类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。

[B类地区，W0T1=0.65*0.195=0.1268，采用差值法计算，（0.1268-0.1）/（ξ-1.88）=（0.2-0.1268）/（2.04-ξ），即ξ=1.923]7.4.4脉动影响系数，可按下列情况分别确定。

1结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等)：

1)若外形、质量沿高度比较均匀，脉动系数可按表7.4.4-1确定。

2

2

2)当结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表7.4.4-1中的脉动影响系数应再乘以修正系数θB和θv。θB应为构筑物迎风面在z高度处的宽度Bz与底部宽度B0的比值；θν可按表7.4.4-2确定。

2结构迎风面宽度较大时,应考虑宽度方向风压空间相关性的情况(如高层建筑等):若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据总高度H及其与迎风面宽度B的比值，按表7.4.4-3确定。

[按7.4.4-3，H/B=15/72=0.208<0.5,B类地区，即V=0.42]

7.4.5振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变

化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑,振型系数也可根据相对高度z/H按附录F确定。

[计算点高度Z=15m，建筑高度H=15m，即Z/H=1.0,底部宽度B0=72m，顶部宽度BH=72m,即BH/B0=72/72=1.00,故振型系数Ψz=1.0]

7.2风压高度变化系数

7.2.1对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表

7.2.1确定。

地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：

——A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

——B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；——C类指有密集建筑群的城市市区；——D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区

7.2.2对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平坦地面的粗糙度类别，由表7.2.1

确定外，还应考虑地形条件的修正，修正系数η分别按下述规定采用:1对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述公式采用：

式中tgα—山峰或山坡在迎风面一侧的坡度；当tgα>0.3时，取tgα=0.3；

k—系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；H—山顶或山坡全高(m)；

z—建筑物计算位置离建筑物地面的高度，m；当z>2.5H时，取z=2.5H。

对于山峰和山坡的其他部位，可按图7.2.2所示，取A、C处的修正系数ηA、ηC为1，AB间和BC间的修正系数按η的线性插值确定。

2山间盆地、谷地等闭塞地形η=0.75～0.85；对于与风向一致的谷口、山口η=1.20～1.50。

7.2.3对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度类

别，由表7.2.1确定外，还应考虑表7.2.3中给出的修正系数。

[按表7.2.1，H=15米，B类地区，μz=1.14]

=1+(1.923*0.42*1.0)/1.14=1.708

7.3风荷载体型系数

7.3.1房屋和构筑物的风载体型系数，可按下列规定采用:

1房屋和构筑物与表7.3.1中的体型类同时，可按该表的规定采用；2房屋和构筑物与表7.3.1中的体型不同时，可参考有关资料采用；3房屋和构筑物与表7.3.1中的体型不同且无参考资料可以借鉴时，宜由风洞试验确定；

4对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。

[按第5项封闭式单坡屋面，μs=0.6↑]

WK=βz*μz*μs*Wo=1.708*1.14*0.6*0.65=0.76KN/m

2

QW1=A1X0.76=8.4X0.76=6.38KN↑QW2=A2X0.76=4.2X0.76=3.19KN↑D、基本雪压：0.2KN/m2

6.1雪荷载标准值及基本雪压

6.1.1屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：

式中sk—雪荷载标准值(kN/㎡)；

μr—屋面积雪分布系数；准永久值系数应按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0；雪荷载分区应按本规范附录D.4中给出的或附图D.5.2的规定采用。

S0—基本雪压(kN/m2)。

附图D.5.2雪荷载准永久值系数分区图

工程所在地为徐州，雪荷载准永久值系数分区为II，即μr=0.2，故：

SK=μr*S0=0.2*0.2=0.04KN/m2

QS1=A1X0.04=8.4X0.04=0.336KN↓QW2=A2X0.04=4.2X0.04=0.168KN↓

5）施加荷载：

通过“选择/选择/组”将上弦杆全部选中，

在主视图空白区鼠标右击弹出菜单，选择“只显示选择对象”，

点击“设置显示选项”，

将“节点/不可见”前的“√”点选去掉，以显示节点，点击“确定”后如下：

调整三维视图，框选上弦所有中间节点，并将右下角单位换成KN,m，C，然后选择“指定/节点荷载/力”

按下图设置中间节点恒载大小，并点击“确定”定义恒载完成，

选择左侧“PS”按钮，重新选择前一次选择对象，中间节点全部被选择，重复选择“指定/节点荷载/力”

重复上述指定荷载过程，将中间节点、边部节点荷载全部指定完成，如下：

在主视图空白区鼠标右击弹出菜单，选择“显示全部对象”，并将索全部选中，

通过选择“指定/索荷载/温度”给索施加-60摄氏度的温度荷载，如下：

点选“确定”，施加温度荷载，

选择菜单“定义/荷载工况

弹出如下对话框，

选择“荷载工况/TEMP”,并点击“修改/显示荷载工况”

在“分析类型”中点选“非线性”，并确定退出，

显示温度荷载按非线性施加，点“确定”退出，运行分析：

分析完成后，点选“显示力/应力”按钮，选择“框架/索/钢束”，

在“工况/组合”中选择“TEMP”,并按下图设置

确定后，图形显示为：

表明：索通过降温60度后，钢桁架上弦杆受拉（显示为黄色），下弦杆受压（显示为红色），说明在索截面内已经产生了预应力。

因为索的分析计算为非线性，所以其他荷载也要调整为非线性施加，同时，还要考虑到索的预应力是在其他荷载施加前施加的，所以要相应设置荷载的施加顺序，具体如下：选择“定义/荷载工况”

选择“DEAD”,选择“修改/显示荷载工况”

在“分析类型”中选择“非线性”，在初始条件中选则“从上次非线性工况终点状态继续”，并选择是在“TEMP”之后（其他荷载均如此设置）

点击“确定”，按此设置“LIVE/WIND/SNOW”荷载。定义地政作用：

抗震设防烈度：8（0.2g）度，地震分组：一组，场地类别：二类

选择“定义/质量源”

按上图设置好后，点击“确认”退出，

选择“定义/函数/反应谱”，

在“选择添加函数类型”中选择“Chinese2002”,点击“添加新函数”，弹出如下对话框，将“函数名称”修改为“FYP”，“参数”栏的参数选取按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）相应条款。

查《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）表5.1.4-1，地震烈度为8度（0.20g）时，水平地震影响系数最大值为0.16；

场地特征周期查《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）表5.1.4-2，场地类别为II、设计地震分组第二组时，特征周期值为0.4S;

周期折减系数参看《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）相关条文，取1.0

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）相关条文：3.3.16计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减。3.3.17当非承重墙体为填充砖墙时，高层建筑结构的计算自振周期折减系数ψT可按下列规定取值:1框架结构可取0.6～0.7；2框架-剪力墙结构可取0.7～0.8；3剪力墙结构可取0.9～1.0。对于其他结构体系或采用其他非承重墙体时，可根据工程情况确定周期折减系数。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）相关条文：

定义地震工况：

选择“荷载工况”

选择“添加新荷载工况”

定义X方向地震作用；

点击“确定”，重复上述过程，定义Y方向地震作用。

7.定义边界条件

选择支座节点，如下图中显示，

选择“指定/节点/约束”

设置节点约束为1\\2\\3（分别对应X\\Y\\Z）三个方向的线位移约束

点击“确定”，

8.定义荷载组合

各荷载工况分别表示为：

DLLLWLEXEY

荷载设计值基本组合Comb01：1.2DL+1.4LLComb02：1.35DL+0.7×1.4LLComb03：1.0DL+1.4WL

Comb04：1.2DL+1.4LL+0.6×1.4WLComb05：1.2DL+0.7×1.4LL+1.4WLComb06：1.2DL+0.6LL+1.3EXComb07：1.2DL+0.6LL+1.3EYComb08：1.2DL+0.6LL+1.3EX+0.28WLComb09：1.2DL+0.6LL+1.3EY+0.28WL

采用非线性计算时，荷载就不能采用简单的加减叠加，所以在非线性计算时，荷载组合设置同单一的框架等线性计算时不同，具体操作如下：选择“定义/荷载工况”

恒载活载最大风压荷载X方向地震荷载Y方向地震荷载

弹出如下对话框;

选择“添加新荷载工况”，并按下图设置“COMB01”

点击“确认”

上图显示，已经设置好了第一个荷载组合，其他荷载组合按此方法一一设置。

9.运行分析点击“运行分析”

弹出如下对话框;

选择“现在运行”

弹出对话框，等待程序运行完毕，关闭对话框。

点击“显示变形形状”按钮

选择“MODAL”(模态)，点击“确定”

点击屏幕右下角“开始动画”，模型开始以动画播放变形过程，仔细检查模型；

选择“视图/设置三维视图”

在“快速视图”中选择“XZ”，并将“孔径角”设置为“0”，点击“确定”

再次点击屏幕右下角“开始动画”，发现模型变形时有绕Y轴的转角，该情况同模型实际受力情况不同，实际受力在模型的两侧均设置有平面外支撑，模型不可能绕Y轴转动，故因模拟模型在平面

外有支撑的情况，我们可以将模型设置为平面内就可以解决这个问题，具体如下：首先将模型解锁，点击“解锁模型”按钮

弹出对话框，点击“确定”，模型解锁。

选择“分析/设置分析选项”

调整“有效自由度”，让模型在Z轴方向上有线位移，在Y轴上有线位移，绕X轴方向有转角位移，故做如下设置：

点击“确定”退出

再次运行分析，查看计算模型在MODAL下的变形情况，发现计算模型已经没有平面外转动，符合要求；

10.查看内力及节点反力调整三维视图为YZ平面视图，

点击“显示力/应力”按钮旁边的小三角，选择“框架/索/钢束”

在“工况/组合名”下拉框中选择“TEMP”,点击“确定”

模型显示为上图，黄色表示受拉，红色表示受压，上图表示经拉索降温后在索内产生了拉力，使桁架的上弦杆中产生了拉力，下弦杆中产生了压力，模型受力情况合理。

一次重复上述过程，一一查看各荷载组合情况下索的受力情况，索受力始终均不能显示为红色情况（即：索不能松弛）。COMB01:

COMB02:

COMB03:

COMB04:

COMB05:

查看节点反力：

点击“显示力/应力”按钮旁边的小三角，选择“节点”

在“工况/组合名”下拉框中选择“DEAD”,点击“确定”

显示的文字偏小，可以适当进行调整，具体：

选择菜单“选项/【尺寸/容差】”

将“最小图形文字尺寸”调整为“6”，点击“确定”

根据支座反力情况，可以大概的计算下模型承受的恒载、活载同支座反力是否差不多，确定计算模型无误后进入下一步。

11.构件设计，查看应力比超限构件及不满足规范要求的构件；

点击按钮“开始钢结构设计/检查”

程序自动验算杆件；

点击按钮“开始钢结构设计/检查”旁边的小三角，选择“显示设计信息”

选择“设计输出”中的“P-MRatioColors&Values”,点击“确定”

放大确认，程序对杆件没有校核设计！

这是因为：索结构采用的是非线性分析，荷载组合同普通结构有所不同，我们只是在荷载工况中定义了COMB01~COMB05组合，但在“荷载组合”中没有定义组合，故程序没有对杆件进行校核设计，虽然如此，我们仍然可以做如下设置，让程序对杆件验算：首先解锁模型，

选择“定义/荷载组合”

选择“添加新组合”

荷载名称设置为“COMB1”,在“定义荷载工况结果组合”中选择“COMB01”,“比例系数”设置为1，点击“添加”，点击“确认”，完成第一个组合。按此方式再次一一定义其他组合，全部完成后如下：

同时我们也注意到，在定义非线性工况时，地震作用是没有办法定义组合的，故目前位置，地震还没有定义组合，所以我们再定义以下组合：

Comb06：【1.2DL+0.6LL】+1.3EXComb07：【1.2DL+0.6LL】+1.3EYComb08：【1.2DL+0.6LL+0.28WL】+1.3EXComb09：【1.2DL+0.6LL+0.28WL】+1.3EY

我们先到像定义COMB01~COMB05一样，再到定义荷载工况中定义好：

Comb06：【1.2DL+0.6LL】Comb07：【1.2DL+0.6LL+0.28WL】

然后，再像定义COMB1~COMB5一样定义COMB6~COMB9

Comb06：【1.2DL+0.6LL】+1.3EX

Comb07：【1.2DL+0.6LL】+1.3EY

Comb08：【1.2DL+0.6LL+0.28WL】+1.3EX

Comb09：【1.2DL+0.6LL+0.28WL】+1.3EY

定义完成如下：

“运行分析”，

点击“开始钢结构设计/检查”旁边的小三角，选择“选择设计组合”

在“荷载组合列表”中选择COMB1~COMB9组合，点击“添加”，

点击“确定”

“运行分析”，“开始钢结构设计/检查”，“显示设计信息”

发现杆件经过了验算，显示红色的杆件表示没有通过，

12.检查撑杆的计算长度系数及梁的平面内、平面外无支撑计算长度，在查看覆盖项中进行修改点选红色杆件，击鼠标右键；

可见该杆件的长细比严重超标为“3453.68”，点击细节，

该信息显示在Euler中，u系数中主次抗弯的值不同，应该均为1

点击“覆盖项”

查看第30项，并将其值修改为“1”

查看第31项，并将其值修改为“1”

“开始钢结构设计/检查”，“显示设计信息”

显示杆件计算通过！

13.检查整体结构水平、竖向变形，检查梁竖向变形（显示变形）；

运行分析，COMB1工况

14.根据设计结果优化构件