地鐵車站結構設計方法比較

1、 SAP2000的基本概述 在SAP2000中如何實現平面結構和空間結構的建模-坐標系與軸網 在SAP2000中如何實現構件布置 在SAP2000中如何實現邊界條件的設置 在SAP2000中如何實現施加荷載 在SAP2000中如何實現非線性分析及線性分析 在SAP2000中如何實現地下連續(xù)墻剛度折減0.7 在SAP2000中如何實現視圖功能(查及修改截面、荷載及節(jié)點屬性)； 在SAP2000中如何取內力 在SAP2000中如何計算移動荷載 在SAP2000中如何實現多跨連續(xù)梁計算（縱向平面框架計算） 在ATHCAD中如何計算荷載 構件配筋在Excel中如何實現 在換乘站中，直接承受火車荷載的構

2、件配筋在Excel中如何實現（表格目前正在編制中，先介紹其思路） 用鋼量計算在Excel中如何實現； 現場答疑（限于時間，只答疑有關地鐵設計方面的內容） SAP2000 針對通用結構，包括橋梁、體育場館、高塔、工業(yè)廠房、近海結構、管道系統、建筑結構、大壩、土壤、機械部分及其他 靜力和動力分析 SAP2000加載方式靈活(PKPM側向加載限制較多) 與一般大型通用有限元程序不同。SAP2000前后處理較方便(如ANSYS需編寫指令等), 是完全集成的面向對象的分析、設計、優(yōu)化和數字環(huán)境的結構分析和設計軟件?？梢圆捎闷矫妗⒘⒚婧妥远x視平面進行功能強大的3D建模，并且可以導入導出包括AUTOCAD

3、在內的常用格式數據文件； a創(chuàng)建或修改模型，從數字上定義結構的幾何、屬性、荷載和分析參數。 b進行模型分析 c查看分析結果 d檢查和優(yōu)化結構設計1.對象:點對象，線對象，面對象，實體對象1).點對象，有以下兩類 節(jié)點對象：在所有下面的其他類型對象的角點和端點由程序自動產生，它們可以明確地增加以表示支座或捕捉其他局部行為。 接地（一個節(jié)點）支座對象：用來模擬特殊支座行為如隔震器、阻尼器、縫、分段線性彈簧，以及其他。 2).線對象，有兩種 框架/索對象：用來模擬梁、柱、支撐、桁架和/或索單元。 連接（兩個節(jié)點）連接對象：用來模擬特殊單元行為如隔震器、阻尼器、縫隙、分段線性彈簧，以及其他。與框架/索

4、對象不同的是，連接對象可以具有零長度。3).面對象： 殼單元（板、膜、殼）用來模擬墻、樓板、其它薄壁單元，也可以模擬二維固體（平面應力、平面應變、軸對稱實體）。4).實體對象：用來模擬三維實體 附注:作為一般原則，對象的幾何應該和實際單元相一致。這樣可以簡化模型的可視化并有助于設計過程。2.對象和單元之間的關聯 運行分析時，SAP2000 自動將基于對象的模型轉換為基于單元的模型來進行分析。 基于單元的模型稱為分析模型，它由傳統的有限單元和節(jié)點構成。分析的結果自動傳回到基于對象模型。 可以控制網格劃分方式，如細分的程度，如何處理相交對象的連接。也可以選擇手工劃分模型網格，這時對象和單元是一一對

5、應的關系。3.組 組是用戶定義的一組命名對象集合。對每個組，必須提供一個唯一的名字，然后選擇構成組的對象。它可以包含任何類型的對象。每個對象可以是一個或多個組中的一部 分。所有的對象總是內置組“ALL”的一部分。 組在圖形用戶界面中有很多用途，包括選擇、設計優(yōu)化、定義截面切割、控制輸出等等。主要用組來定義階段施工。 附注:黃貝嶺站現改為蓋挖立柱,宜考慮施工過程影響,可采用組定義來模擬,怡景和太安為明挖施工,可不考慮施工過程影響,施工過程加載分析較復雜 4.坐標系1).整體坐標系 整體坐標系是三維右手直角坐標系。三個軸，標記為X、Y、Z，相互垂直并滿足右手準則。 模型中所有坐標系最終（直接或間接

6、地）相對于整體坐標系來定義。同樣的，所有坐標點最終轉換到全局X、Y、Z 坐標系，無論它們是怎樣定義的。2).向上和水平方向 SAP2000 總是假設Z 是垂直軸，Z 向上。點、單元、地面加速度荷載的局部坐標系相對于這個向上的方向來定義。自重荷載總是向下作用，沿Z 方向。 XY 平面是水平的。主水平方向是X，水平面的角度從正X 軸度量，當從XY平面向下看時，逆時針方向是正方向角度。 如果想要在不同的向上方向里工作，可以定義另外一個坐標系。3).定義坐標系 定義的每個坐標系必須有一個原點和三個滿足右手準則相互垂直的軸。 指定整體坐標系中三個坐標來定義原點。4).局部坐標系(對其理解很重要,面內與面

7、外有時響應是不同,如墻柱面內面外的彎矩差別較大,易混淆) 結構模型的每部分（節(jié)點、單元、束縛）都有自己的局部坐標系用來定義屬性、荷載、響應。局部坐標系的軸用1、2、3 表示。通常，局部坐標系從節(jié)點到節(jié)點、單元到單元、束縛到束縛都可以不同。 局部坐標系沒有一個首選的向上方向。然而，相對整體或其他替代坐標系，向上的Z 方向用來定義默認的節(jié)點和單元的局部坐標系。 對框架、面（殼、板、軸對稱）、連接/支座單元，單元的一個局部坐標軸是由單元幾何形狀所確定。可以指定一個參考向量和/或一個旋轉角度定義其余兩個軸的方向。 特例是一個節(jié)點或一個無長度的連接單元，這時需要指定局部坐標軸1。 每一框架單元局部坐標軸

8、用1、2、3 代表。第一個軸沿單元長度方向；后兩軸位于和用戶指定的單元方向相垂直的平面內。 局部軸1 總是單元的縱向軸，正方向為由I 端至J 端。 默認方向 局部2 和3 軸的默認方向是根據局部1 軸與整體Z 軸的關系來確定的： 局部1-2 平面是垂直的，即平行于Z 軸 局部2 軸具有向上的（+Z）方向，若單元是垂直的，局部2 軸被定義為沿水平+X 方向 局部3 軸是水平的，即處于X-Y 平面內 若局部1 軸和Z 軸夾角的正弦值小于1.0E，則單元被認為是垂直的。 局部2 軸與垂直軸的夾角和局部1 軸與水平面的夾角相同。這意味著，對水平單元而言，局部2 軸是垂直向上。 截面屬性相對于框架單元的

9、局部坐標系按如下定義： 方向1 是沿著單元的軸線。其垂直于截面且通過截面兩中性軸的交點。向2 和3 是平行于截面中性軸。一般來講2 軸沿著截面主尺寸（深度），3 軸沿著其次尺寸（寬度），但這不是必須的。 5.截面屬性 一個框架截面是描述一或多個框架單元截面屬性的材料和幾何屬性的集合。截面獨立于單元定義，且被指定給單元。 截面屬性有兩種基本類型： 等截面所有屬性沿整個單元長度恒定 變截面屬性可以沿單元長度變化 變截面通過引用兩個或多個以前定義的等截面來定義。 6.材料屬性 截面材料屬性由一個預先定義的材料來指定。使用各向同性材料，即使所選材料被定義為正交各向異性或各向異性。截面使用的材料屬性為：

10、 彈性模量，E1，用于軸向剛度和彎曲剛度 剪切模量，G12，用于扭轉剛度和橫向剪切剛度 溫度膨脹系數，a1，用于軸向膨脹和溫度彎曲應變 重量密度，m，用于計算單元質量 重量密度，w，用于計算自重和重力荷載 材料屬性E1，G12，和a1 在每個單獨框架單元的材料溫度處得到，所以對某一截面不一定是唯一的。 7.幾何屬性和截面剛度 使用6個（A、J、I33、I22、As2 2、As3 3）基本幾何屬性以及材料屬性一起，來產生截面的剛度。他們是： 截面面積A，截面的軸向剛度為AEl ； 在1-2 平面關于3 軸彎曲的慣性矩I33，和在1-3 平面內關于2 軸彎曲的慣性矩I22。相應的截面彎曲剛度為I3

11、3El 和I22El； 扭轉常數J。截面的扭轉剛度為JG12。注意除圓截面外，扭轉常數和極慣性矩不同。 分別對于在1-2 和1-3 平面內橫向剪力的剪切面積As2 和As3。相應的截面橫向剪切剛度為As2G12 和As3G12。下圖給出了計算標準截面剪切面積的公式。 設置A、J、I33、I22 為零將使相應的截面剛度為零。例如，一桁架單元可通過設置J=I33 3=I22=0 來模擬，平面1-2 內的平面框架構件可通過設置J=I22=0 來模擬。 設置As2 或As3 為零使相應的橫向剪切變形為零。在效果上，一個零剪切面積被理解為無限。若相應的彎曲剛度為零，則橫向剪切剛度被忽略。 附注：材料參數

12、的調整以及是否考慮地下連續(xù)的剛度及其貢獻可以在這里進行設置 .屬性修正 用戶可定義比例系數來修正所計算的截面屬性。例如，為了考慮混凝土開裂或其它用幾何及材料屬性值不易描述的因素。可是使用下面的八個單獨修正值： 軸向剛度AE1 剪切剛度As2G12 和As3G12 扭轉剛度JG12 彎曲剛度I33E1 和I22E1 截面質量Am+mpl 截面重量Aw+wpl 用戶可在兩處定義乘數： 作為截面屬性定義的一部分 對單個單元的指定 如果修正值賦予給一個單元，同時賦予給此單元的截面屬性，那么兩套系數同時乘以截面屬性。修改不可直接指定給一變截面屬性，但可應用任意修改于構成變截面的面。 10.端部釋放（當柱

13、子按軸壓設計時，需釋放彎矩） 1）.通常，在框架單元每端的三個平動和轉動自由度和節(jié)點的自由度是連續(xù)的，因此和其他連接至此節(jié)點的單元的自由度也是連續(xù)的。然而，在已知單元自由度相應的力或彎矩為零時，可以釋放（斷開）一個或幾個與節(jié)點相連的自由度。釋放總是被定義在單元局部坐標系，且不影響連接至此節(jié)點的其他單元。 如圖所示，對角單元在端部I有一彎矩連接，及在端部J有一鉸連接。其他兩個連接至節(jié)點的單元在端部J是連續(xù)的。因此，為了在端部J模擬鉸的情況，轉動R3 應該被釋放。這確保對角單元的彎矩在鉸處為零。 2）.不穩(wěn)定端部釋放 若單元為穩(wěn)定的，可對框架單元指定任意的端部釋放組合；這確保了所有施加于單元的荷載

14、被傳遞至結構的其余部分。以下單個或組合的釋放是不穩(wěn)定的，且不允許。 在兩端同時釋放U1; 在兩端同時釋放U2; 在兩端同時釋放U3; 在兩端同時釋放R1;在兩端同時釋放R2且在任一端釋放U3；在兩端同時釋放R3且在任一端釋放U2。 11.非線性屬性 對框架/索單元有兩種非線性屬性：拉/壓界限和塑性鉸。 當單元具有非線性屬性時，他們只影響非線性分析。從零條件（無應力狀態(tài)）開始的線性分析表現為好像非線性屬性不存在。使用前一個非線性分析結束時剛度的線性分析，將使用前一個非線性分析結束時的非線性屬性。 12.拉/ /壓界限(對土壓力注意此項設置，基底壓力不應超過土極限壓離，側壓不應超過土的被動土壓力）

15、 用戶可指定框架/索單元可承受的一個最大拉力和或一個最大壓力值。通常情況， 用戶通過指定壓力界限為零來定義無壓的索或支撐。 若用戶指定拉力界限，其必須是零或正值。若用戶指定一壓力界限，其必須是零或一負值。若用戶指定一零拉力和壓力界限，單元將不承受軸力。 拉/壓界限表現為彈性。任何超過拉力界限的軸向拉伸和超過壓力界限的軸向壓縮將產生零軸向剛度。這些變形在零剛度是可彈性恢復的。 彎曲、剪切和扭轉行為不受軸向非線性的影響。 12.質量（此次地震計算，按擬靜力法設計，須按荷載輸入，質量人工手算折算成荷載） 在動力分析中，結構的質量用來計算慣性力?？蚣軉卧暙I的質量集中在節(jié)點i和j。在單元內部不考慮慣性

16、效應。 單元的總質量等于沿質量密度m 的長度乘以截面積A，加上附加的單位長度質量mpl 的積分。 對于變截面單元，質量沿單元的每一變截面節(jié)段成線性變化，且在端部偏移是恒定的。 使用和類似分布橫向荷載導致在簡支梁端部反力的同樣方法，總質量被分配至兩個節(jié)點。在分配質量時，忽略端部釋放?？傎|量被分配給三個平動自由度：UX，UY，和UZ。對旋轉自由度不計算質量慣性矩。 13.自重荷載 在模型中，自重荷載激發(fā)所有單元的自重。對框架單元，自重是沿單元長度的分布力。自重荷載值為重量密度w，乘以截面積a，加上附加單位長度荷載wpl。 對于變截面單元，自重沿每一變截面節(jié)段成線性變化，且在端部偏移為恒定。 自重荷

17、載總是向下作用，沿整體Z 方向。用戶用一個比例系數來指定自重比例，此比例應用于結構中所有單元。1、平面模型修改(Edit)(主要介紹如何利用初步設計的模型來修改以滿足現設計要求)a. 剪切(Cut)(荷載會丟失)；b.粘貼(Paste)(荷載會丟失)；c.帶屬性復制(Replicate)(荷載保留)；d. 移動(move) )(荷載保留) ；e. 刪除（Delet)；f.不規(guī)則斜向構件建立：可采用上述方法先建立斜向構件兩端點，再布置構件，再布置荷載。g.曲線構件：多段折線構件模擬，操作同（題外話：在使用軟件時，用曲線建模容易出問題（包括PKPM),原因：在判斷曲線的法線是內法線還是外法線，程序

18、認定跟我們指定有出入，曲線構件一般程序也是建議用多段折線構件來模擬）2、空間模型 建立(Edit)(主要介紹如何利用初步設計的平面模型來建空間模型以滿足現設計要求)a.帶屬性復制(Replicate)(荷載保留)；b.移動(move) )(荷載保留) ；c.刪除（Delet)；d.平面不規(guī)則斜向構件建立：先找出該平面,在平面視圖可采用上述方法先建立斜向構件兩端點，再布置構件，再布置荷載。e.斜平面不規(guī)則斜向構件建立：方法一：建立斜平面局部坐標軸；方法二：建立CADD圖導入AP2000;可以精確定位；方法三：按投影原理建立，先做斜平面的水平切面或垂直切面，在切面上布置構件，再修改其坐標，改變值為

19、切面之間的距離；，然后布置構件，再布置荷載。（要有空間想象力和數學功底）1.定義材料屬性.定義構件幾何屬性.中柱按面積等效為中間墻體，按單位長度米進行輸入；.內、中、外墻及地下連續(xù)墻按梁類構件進行輸入，縱向按單位長度米進行輸入；.按軸線布置構件在SAP2000中如何實現構件布置.定義連接單元及其屬性（縫Gap單元和彈簧Spring 單元） 對于縫(壓桿）和鉤單元，有效剛度一般應為零或k，視單元在正常狀態(tài)下是否可能開啟或閉合而定.地下連續(xù)墻與內墻連接按壓桿設計.底板土壓力按豎直彈簧設置，剛度取地質報告的豎向的基床系數.地下連續(xù)墻外側設置水平彈簧，剛度取地質報告水平方向的基床系數（整個外墻都設置，

20、含地下嵌固米）.中柱按軸壓考慮，釋放彎矩.定義荷載屬性.按軸線布置荷載.非線性分析（內容可能過于抽象）：.定義材料為非線性單向拉壓桿及施工加載順序.非線性靜力分析參數設置，須注意：數學上講，非線性靜力分析不總保證一個單獨解。.初始條件初始條件描述了在分析開始時的結構狀態(tài)，包括： 位移和速度 內力和應力 非線性單元的內部狀態(tài)變量 結構的能量值 外部荷載對于靜力分析，速度總為零。對于非線性分析，可指定在分析開始時的初始條件。有兩個選項：零初始條件：結構的位移和速度為零，所有單元無應力，且無非線性變形的歷史。從前一個非線性分析繼續(xù)：繼承前一個分析結束時的位移、速度、應力、荷載、能量和非線性狀態(tài)歷史。

21、.輸出步一般地，對于非線性靜力分析只保存最終狀態(tài)。這是在施加完整荷載后的結果。用戶可選擇為保存及時的結果，來觀察結構在加載過程的響應保存多個步數若用戶選擇保存多個步數，分析開始時（第0 步）的狀態(tài)和一些中間的狀態(tài)將被保存，從術語的角度來講，保存5 步意味著保存6 個狀態(tài)（第0 到5 步）：步是增量，狀態(tài)是結果。保存步的數量由以下參數決定： 最少被保存的步 最多被保存的步 只保存正增量非線性解控制指定的施加荷載組合被增量的施加，使用盡可能多的步來滿足平衡方程和產生所需保存的輸出步數。在每個時間步求解非線性方程。這可能需要重新形成和重新求解剛度矩陣，進行迭代直至解收斂。若不能實現收斂，則程序將步分

22、割為更小的步再次運行。用戶可使用幾個參數來控制迭代和子步過程。最大總步數這是分析中允許的最多步數。它可以包含保存的步和結果未被保存的中間子步。設置此值的目的是給用戶對分析時間的控制。每步最大迭代數迭代用來確保在分析的每一步達到平衡。在程序試圖使用一個較小的子步前，用戶可控制在每步允許的迭代數目。在多數情況默認值為零是適用的.迭代收斂容差迭代用來確保在分析的每一步建立平衡。用戶可設置相對收斂容差，來比較作用在結構上的力值和它的誤差。.組合非線性分析的結果一般不能進行疊加。所有作用于結構的荷載應該在分析工況中進行組合。非線性分析工況可以鏈接起來以實現復雜加載次序組合是分析工況結果的命名的組合。組合

23、結果包括節(jié)點的所有位移、力和單元的內力或應力。用戶可以定義任意數量的組合，對每一個組合要定義一個不同的名稱，而且名稱不能與分析工況名相同。對每一個響應量，每個組合產生一對數值：最大值和最小值.加載僅進行荷載工況組合的加載（含單工況）用戶可施加任意荷載工況組合、加速度荷載和模態(tài)荷載。指定的荷載組合被同時施加。一般地，荷載從零增加至完全指定的量。.荷載施加控制（僅用于施加加載載黃貝嶺站）用戶可選擇一個荷載控制的或位移控制的非線性靜力分析。對于兩種選項，作用在結構的荷載模式由指定的荷載組合決定。只有比例是不同的。一般地，用戶選擇荷載控制。在物理意義上講，這是很常見的。.荷載控制（僅進行荷載控制怡景和太安站）當用戶知道所施加的荷載量，且期望結構能夠承擔此荷載時，選擇荷載控制。例如，施加重力荷載，因為其被自然控制。在荷載控制下，所有荷載從零增加至完全指定的量。.分析順序（主要用于施工加載黃貝嶺站）在下列情況，一個分析工況會依賴于另一個分析工況：一個非線性分析工況從另一個非線性工況結束狀態(tài)開始。 .線性分析（內容可能過于抽象）： .定義材料為線性 .定義分析工況（單一工況） .荷載組合 荷載工況是作用于結構上的按指定方式空間分布的力、位移、溫度或其他作用。荷載工況本身不能在結構上產生任何響應。