STAADPro基礎培訓資料(艾三維BIM)

第第頁STAAD/Pro培訓資料

STAAD發(fā)展簡史STAAD是StructuralAnalysis&AidedDesign的縮寫，最早是美國ResearchEngineers,Inc.公司的產(chǎn)品，該公司成立于1981年。1997年，ResearchEngineers,Inc.公司推出了STAAD-III的升級產(chǎn)品。1999年，STAAD.Pro增加了輕鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，同時推出了中文版本以及中文幫助，在中國叫做STAAD/CHINA，包括STAAD.Pro和SSDD兩部分，SSDD主要功能是中國規(guī)范的結(jié)構(gòu)設計。2001年，STAAD/CHINA增加了普通鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范（包含在SSDD中），使得STAAD在中國的應用更為廣泛。2004年，在中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會首批審批登記和2004年重新審定的鋼結(jié)構(gòu)工程設計軟件中，STAAD/CHINA被評為適應于國內(nèi)與國外工程的軟件。2005年，Bentley工程軟件有限公司并購了美國REI公司的STAAD.Pro產(chǎn)品及相關(guān)的軟件開發(fā)、技術(shù)支持及銷售人員。2007年，Bentley工程軟件有限公司大中華區(qū)總部將STAAD/CHINA、SSDD等軟件和相關(guān)人員實施了并購。2009年，推出版本STAAD.Prov8i，與Bentley公司的其他結(jié)構(gòu)軟件產(chǎn)品（如RAMConnection，Prosteel3D，AutoPipe等）緊密結(jié)合，實現(xiàn)了各種軟件（建模，繪圖，管道，基礎設計...）數(shù)據(jù)的互通。從一個簡單模型入手本節(jié)以一個簡單的模型為例，介紹在STAAD中建立模型、運行分析、進行設計的過程。以便初學者對STAAD有個大致的了解，初學者不必拘泥于細節(jié)，應為注意力放在軟件的使用及工作流程上。2.1例題模型為一個鋼框架結(jié)構(gòu)。X向4跨，間距6m；Z向2跨，間距8m。結(jié)構(gòu)共3層，層高4m，屋脊處層高5m。柱采用寬翼緣H型鋼HW400x400，梁采用窄翼緣H型鋼HN400x200，材質(zhì)Q235。樓板面層的恒荷載3kN/m，屋頂邊梁線荷載6kN/m；活荷載為樓板面荷載為2kN/m，屋頂邊梁的活荷載為線荷載3kN/m。地震烈度8度，考慮X、Z向地震。不考慮風荷載。eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)〖新建工程〗eq\o\ac(○,2)勾選〖空間〗eq\o\ac(○,3)輸入〖文件名〗及文件存放〖位置〗eq\o\ac(○,4)點選合適的〖長度單位〗及〖內(nèi)力單位〗eq\o\ac(○,5)下一步eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,4eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)菜單欄eq\o\ac(○,1)菜單欄eq\o\ac(○,2)工具欄eq\o\ac(○,3)模式欄eq\o\ac(○,4)頁面控制區(qū)eq\o\ac(○,5)視圖窗口eq\o\ac(○,6)數(shù)據(jù)區(qū)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)勾選〖添加梁單元〗注：此處為打開STAAD工作界面后默認打開的工具欄eq\o\ac(○,2)完成eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)點擊標簽欄上的〖幾何建?！絜q\o\ac(○,2)將〖捕捉節(jié)點/梁單元〗關(guān)閉eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)點中節(jié)點選取工具eq\o\ac(○,2)框選中0，0，0節(jié)點eq\o\ac(○,3)點中平移復制工具eq\o\ac(○,4)選定全局方向為〖Y〗向eq\o\ac(○,5)在〖復制步數(shù)〗中輸入2，〖默認步距〗輸入4eq\o\ac(○,6)勾選中〖連接每步〗eq\o\ac(○,7)確定eq\o\ac(○,1)在數(shù)據(jù)區(qū)域中X、Y、Z坐標上輸入0，0，0。完成第一個節(jié)點的輸入。eq\o\ac(○,1)點中梁單元選取工具eq\o\ac(○,2)框選剛生成的兩根梁單元eq\o\ac(○,3)點中平移復制工具eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)點中梁單元選取工具eq\o\ac(○,2)框選剛生成的兩根梁單元eq\o\ac(○,3)點中平移復制工具eq\o\ac(○,4)選定全局方向為〖Z〗向eq\o\ac(○,5)在〖復制步數(shù)〗中輸入2，〖默認步距〗輸入8eq\o\ac(○,6)勾選中〖連接每步〗勾選中〖底部不連接〗eq\o\ac(○,7)確定eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)在Y值中輸1meq\o\ac(○eq\o\ac(○,1)在Y值中輸1meq\o\ac(○,2)勾選保持連接eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)點中節(jié)點選取工具eq\o\ac(○,2)選中方框中的節(jié)點eq\o\ac(○,3)右鍵鼠標，選中〖移動〗eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)點中梁單元選取工具eq\o\ac(○,2)框選所有的梁單元eq\o\ac(○,3)點中平移復制工具eq\o\ac(○,4)選定全局方向為〖X〗向eq\o\ac(○,5)在〖復制步數(shù)〗中輸入4，〖默認步距〗輸入6eq\o\ac(○,6)勾選中〖連接每步〗勾選中〖底部不連接〗eq\o\ac(○,7)確定eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)點擊〖一般設置〗主標簽，〖截面〗副標簽eq\o\ac(○,2)點擊〖截面數(shù)據(jù)庫〗eq\o\ac(○,3)截面庫中選擇〖中國〗，〖H型鋼〗，找到HW400x400型鋼eq\o\ac(○,4)添加eq\o\ac(○,5)重復eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)添加HN400x200型鋼。eq\o\ac(○,5)關(guān)閉eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,5eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)選中HW400x400型鋼eq\o\ac(○,2)選中菜單中〖選擇〗，〖平行于坐標軸的梁單元〗，〖Y〗，將全部的柱子選中。eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)復選中〖指定到選中梁單元〗eq\o\ac(○,2)指定，將HW400x400型鋼指定到柱子上。eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)選中HN400x200型鋼eq\o\ac(○,2)選中菜單中〖選擇〗，〖按缺少屬性選擇〗，〖缺少屬性〗，將剩下的梁單元選中。同14步的方法，將HN400x200型鋼指定給剩余的梁單元eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)在視圖窗口中右鍵菜單->〖3D渲染〗可以查看渲染過的三維模型。eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)點擊〖一般設置〗主標簽，〖支座〗副標簽eq\o\ac(○,2)〖創(chuàng)建〗eq\o\ac(○,3)選擇〖固定〗支座eq\o\ac(○,4)添加eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)選中支座2eq\o\ac(○,2)點擊從+Z軸方向查看，將前視圖顯示出來eq\o\ac(○,3)將方框中底部的節(jié)點全部選中eq\o\ac(○,4)點選〖指定到選中節(jié)點〗eq\o\ac(○,5)指定eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)選中支座2eq\o\ac(○,2)點擊從+Z軸方向查看，將前視圖顯示出來eq\o\ac(○,3)將方框中底部的節(jié)點全部選中eq\o\ac(○,4)點選〖指定到選中節(jié)點〗eq\o\ac(○,5)指定添加荷載eq\o\ac(○,1)點擊〖一般設置〗主標簽，〖荷載〗副標簽eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)點擊〖一般設置〗主標簽，〖荷載〗副標簽eq\o\ac(○,2)選中〖荷載工況詳細信息〗eq\o\ac(○,3)添加，跳出荷載工況頁面eq\o\ac(○,4)選擇荷載類型為〖恒荷載〗eq\o\ac(○,5)〖標題〗為DLeq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,3)添加荷載eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,1)選中DL工況eq\o\ac(○,2)點擊添加eq\o\ac(○,3)選中自重荷載eq\o\ac(○,4)在〖方向〗上勾選Y，〖系數(shù)〗填寫-1eq\o\ac(○,5)添加eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)選擇構(gòu)件荷載中的均布力eq\o\ac(○,2)按圖示輸入?yún)?shù)eq\o\ac(○,3)添加添加樓板荷載恒載eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)添加恒荷載eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)選擇樓板荷載eq\o\ac(○,2)按圖示輸入相關(guān)參數(shù)eq\o\ac(○,3)添加添加樓板荷載恒載eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)選中selfweight-1eq\o\ac(○,2)選中〖指定到視圖〗eq\o\ac(○,3)點擊指定，將自重荷載指定給所有的結(jié)構(gòu)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)選中UNIGY-6kN/meq\o\ac(○,2)選中〖指定到選中梁單元〗eq\o\ac(○,3)將紅色的屋頂梁單元選中eq\o\ac(○,3)指定，將線荷載添加到屋頂上的梁單元。eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)添加活荷載eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)按20-25步添加圖示活荷載工況名稱：LL樓板荷載：2kN/m2屋面梁線荷載：3kN/meq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○eq\o\ac(○,1)點擊“打開已有工程”，將剛剛使用STAAD建立的模型打開。eq\o\ac(○,1eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)在菜單中選擇〖建?！?，〖一般結(jié)構(gòu)荷載向?qū)А絜q\o\ac(○,1eq\o\ac(○,1)添加地震荷載eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)〖基本工況〗，〖地震荷載向?qū)А絜q\o\ac(eq\o\ac(○,1)點擊〖輸入等效重力〗，彈出組合反應譜荷載的等效重力，按1.0X恒載及0.5X的活載添加等效重力eq\o\ac(○,2)確定eq\o\ac(○,3)確定eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)點擊〖設定反應譜線〗,打開得到反應譜曲線。eq\o\ac(○,2)按圖示設置參數(shù)eq\o\ac(○,3)確定eq\o\ac(○,4)確定eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)添加地震荷載eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)添加的荷載如圖所示，這樣就添加了X/Z方向的地震荷載。eq\o\ac(○,2)關(guān)閉窗口，在跳出的窗口中點擊〖保存〗，同時在跳出的是否運行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的窗口中點〖否〗。eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)在菜單中選擇〖建?！?〖STAAD/CHINA高級建模〗跳轉(zhuǎn)到STAAD建模環(huán)境。eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)點擊〖一般設置〗主標簽，〖荷載〗副標簽eq\o\ac(○,2)點擊〖荷載工況詳細信息〗eq\o\ac(○,3)添加，打開荷載工況頁面eq\o\ac(○,4)點擊〖定義荷載組合〗eq\o\ac(○,5)填寫工況組合名稱eq\o\ac(○,6)填寫分項系數(shù)eq\o\ac(○,7)在〖可用荷載工況〗中雙擊相應系數(shù)的工況，即添加荷載組合eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)按36步添加圖示的荷載組合：1、1.2DL+1.4LL2、1.2DL+1.1LL+0.9EX3、1.2DL+1.1LL+0.9EZeq\o\ac(○,1eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)選擇菜單上〖分析〗〖運行分析〗，對結(jié)構(gòu)進行分析eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)點擊〖分析/打印〗主標簽，跳出分析/打印命令窗口eq\o\ac(○,2)按默認參數(shù)設計，點擊添加。運行分析eq\o\ac(○,1eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)在模式欄中點擊〖后處理〗標簽eq\o\ac(○,2)在該區(qū)域可查看位移的變化圖eq\o\ac(○,3)在該區(qū)域可查看位移的實際值eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,3eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖節(jié)點〗主標簽，〖反力〗副標簽，可查看基礎的反力。eq\o\ac(○,2)在該區(qū)域可查看基礎反力的圖形eq\o\ac(○,3)在該區(qū)域可查看基礎反力的實際值eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)梁單元內(nèi)力eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖梁單元〗主標簽，〖內(nèi)力〗副標簽，可查看梁單元的內(nèi)力情況。eq\o\ac(○,2)在該區(qū)域可查看梁單元內(nèi)力的圖形eq\o\ac(○,3)在該區(qū)域可查看梁單元內(nèi)力的實際值eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖梁單元〗主標簽，〖應力〗副標簽，可查看梁單元的內(nèi)力情況。eq\o\ac(○,2)在該區(qū)域可查看梁單元應力的圖形eq\o\ac(○,3)在該區(qū)域可查看梁單元應力的實際值eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖梁單元〗主標簽，〖圖形〗副標簽，可以圖形方式顯示出梁單元的內(nèi)力情況。eq\o\ac(○,2)在該區(qū)域可選中想查看內(nèi)力的梁單元eq\o\ac(○,3)查看選中梁單元的內(nèi)力圖形eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖動畫顯示〗主標簽，〖動畫顯示〗副標簽，可以將結(jié)構(gòu)的變形情況以動畫方式顯示出來。eq\o\ac(○,2)動畫顯示的各參數(shù)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)生成報告書eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖報告eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖報告〗主標簽，〖報告〗副標簽，可以按規(guī)定的格式生成報告。eq\o\ac(○,2)生成報告的各項參數(shù)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(eq\o\ac(○,1)后處理模式下點擊〖動力〗主標簽，〖模式〗副標簽，可查看地震工況下的各階振型。eq\o\ac(○,2)查看振型的變化圖eq\o\ac(○,3)查看各階振型的頻率及周期。eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)STAAD/Pro的結(jié)構(gòu)型式STAAD/Pro（簡稱STAAD）能夠分析及設計含有桿件、板/殼及實體元素的結(jié)構(gòu)體。STAAD可分析的結(jié)構(gòu)型式有四種：SPACE是三維的構(gòu)架結(jié)構(gòu)，荷載可以施加在任一平面上，這是最普遍使用的型式，如大樓或廠房等。PLANE是二維型式的結(jié)構(gòu)，限制在世界坐標的X-Y平面，荷載放在同一平面上。TRUSS是指結(jié)構(gòu)桿件都是TRUSS桿件，它只能承受軸向力而不能承受力矩。FLOOR是指沒有水平力矩的（X,Z）二維或三維【FX，F(xiàn)Z&MY是限制在任何節(jié)點上】結(jié)構(gòu)，建筑物的地板是FLOOR最典型的例子。不受水平力的柱（column）也是FLOOR的一種，假如柱受水平力則屬于SPACE的型式。正確地設定結(jié)構(gòu)種類可減少所需的方程式數(shù)目以達快速經(jīng)濟的目的。各類型結(jié)構(gòu)的自由度定義如下圖1.1所示。圖1.1結(jié)構(gòu)幾何與坐標系統(tǒng)一個結(jié)構(gòu)是由一些組件如梁（beams）柱（columns）板（slabs）和平板（plates）等組成，在STAAD中構(gòu)架元素（frameelements）和板單元（plateelements）是用于建立結(jié)構(gòu)模型的。一般來講，建立模型結(jié)構(gòu)幾何有兩個步驟：A、定義與描述接點（joints）或節(jié)點（nodes）B、將接點連接以形成桿件（members）或元素（elements）。一般來講MEMBER（桿件）這個詞用來指構(gòu)架的元素，ELEMENT（元素）用來指平面或曲面元素，MEMBERINCIDENCE指令用來定義桿件，而ELEMENTSINCIDENCE指令則用來定義元素。STAAD用兩種坐標系統(tǒng)來定義結(jié)構(gòu)幾何和荷載方式。（GLOBAL）世界坐標系統(tǒng)是用來表現(xiàn)整體幾何與結(jié)構(gòu)的荷載方式。LOCAL局部坐標系統(tǒng)是用來幫助與每一個桿件或元素有所關(guān)聯(lián)，且用在MEMBERENDFORCE定義輸出結(jié)果和局部荷載方式。世界坐標系統(tǒng)以下坐標系統(tǒng)可以用來標明結(jié)構(gòu)幾何：A、直角坐標系統(tǒng)：此坐標系統(tǒng)X，Y，Z軸成直角相交，并遵循右手定律。這種坐標系統(tǒng)可用來定義接點位置及作用力方向。圖1.2中位置自由度以u1，u2，u3而旋轉(zhuǎn)自由度以u4，u5及u6表示。圖1.2B、圓柱坐標系統(tǒng)：此坐標系統(tǒng)中以R（半徑）及?（轉(zhuǎn)角）取代直角坐標的X，Y平面，Z軸與直角坐標相同，而方向則以右手定律決定。見圖1.3。圖1.3C、反圓柱坐標系統(tǒng)：此坐標系統(tǒng)與圓柱坐標相似，但以R-?（半徑及轉(zhuǎn)角）取代直角坐標之X，Z平面，Y軸與直角坐標相同，方向則以右手定律決定。見圖1.4。圖1.4局部坐標系統(tǒng)在每一桿件上我們用局部坐標系統(tǒng)，所有的局部直角坐標都遵循右手定律。圖1.5中說明一結(jié)構(gòu)桿件，其正X方向為從″i″到″j″（i為起點，j為終點），Y，Z方向由右手定律決定，且與截面的兩個慣性軸相吻合，如圖1.6所示，局部坐標永遠是直角坐標。圖1.5圖1.6因為桿件于整體結(jié)構(gòu)上是有方向性，所以正確的定義出每一桿件之局部坐標與世界坐標的關(guān)系是十分重要的，以下將詳述這種關(guān)系的定義。Beta角以直立柱為例，局部坐標的x軸平行于世界坐標的Y軸時，Beta角的定義為局部坐標z軸平行于世界坐標Z軸時為0゜如果局部x軸不平行于世界坐標Y軸，Beta角定義為局部z軸平行于世界坐標X-Z平面時為0゜。下圖1.7詳列各種BETA角為90゜及0゜的情形。圖1.7參考點另一種定義桿件方向的方法為輸入一坐標或接點編號，它就是一個參考點，位于在桿件上的x-y平面，但不在桿件的軸向，程序可自動由此參考點的位置計算出桿件上x-y平面的方向。有限元數(shù)據(jù)STAAD有板/殼及實體等有限元素組件。板/殼單元板/殼單元為三個點（三角形）或四個點（四邊形）組合的單元。如果四邊形單元的四個點不在一個平面上，最好是使用三角形單元，在不同的節(jié)點上可以有不同的厚度。此單元可以用來仿真表面結(jié)構(gòu)，如墻、水泥板、平板及殼等。STAAD提供MESHGENERATION這種功能，它能自動將一大面積切成細小的網(wǎng)狀單元。ELEMENTPLANESTRESS指令能用來對各單元做PLANESTRESS的功能。板/殼單元的建立規(guī)則(幾何模型)1）在各單元的中心，程序自動產(chǎn)生第五個節(jié)點，見圖1.8。2）當設定單元中各節(jié)點數(shù)據(jù)時，必須依順時針或逆時針方向設定，見圖1.9。為提高效率起見，相似的單元應有連續(xù)的節(jié)點數(shù)字。3）單元之長寬比不可太離譜。應大致為1：1，希望別超過4：1，見圖1.10。4）每一個單元都不可太扭曲。單元任何兩邊的夾角不可大于90°太多，且不可超過180°，見圖1.11。單元受力以下為單元受力的的種類：1）單元節(jié)點上之節(jié)點受力，在世界坐標方向。2）單元上的集中受力，在局部或世界坐標方向。3）單元面上的均勻壓力，在局部或世界坐標方向。4）單元面上的部份均壓，在局部或世界坐標方向。5）在單元面上的線性受壓，在局部坐標方向。6）因溫度均勻增加或減少產(chǎn)生的溫度作用力。7）單元上下面溫度不同而產(chǎn)生的溫度作用力。理論基礎STAAD的板有限元是建立在混和有限元的基礎上，基本上我們是設定了一個完整的二次力的分布，對于平面應力的作用，以下是應力的分配方式。完整二次力的分布如下：對于板面彎曲的作用，以下為二次力的分布：完整二次力的分布如下：以下為板/殼有限元的一些重要特征：1）在一單元上之平面應力分力及鄰接單元之彎曲分力所造成的位移兼容性（兩單元之間有一角度存在，見下圖）在大部分的板/殼單元是可忽略的。2）由每一單元的平面應力所產(chǎn)生的平面外之旋轉(zhuǎn)剛性（rotationalstiffness）是有效結(jié)合并且不被替代成Dummy，是一般商學軟件容許的。3）將上述旋轉(zhuǎn)剛性度結(jié)合是絕對符合于試驗（patchtest）4）這些單元可為三角形或四邊形，只有在角上有節(jié)點，每一節(jié)點有6個自由度。5）這些單元是板/殼單元的最基本單位，是由在單元角上具6個自由度的節(jié)點組成。假如一大平面為這些單元組成，可快速地收斂而得到精確的解。6）這些單元可以連接到平面或空間的結(jié)構(gòu)桿件上。7）平面彎曲公式包括了平面外的剪力應變能（shearstrainenergy），因此使用poisson邊界條件來計算單元的反應，這比一般用kirchoff邊界條件要精確多了。8）板面的彎曲部分能處理厚的或薄的板，能解決多樣性的問題。此外，當計算平面外剪力時，是考慮板的厚度。9）平面應力三角形與有名的線性應力三角形幾乎是相同的。這些三角形與收斂速度非常慢的常數(shù)三角形結(jié)合。因此這些三角形曲面單元能夠有效的解四邊形單元不易解決的雙曲度問題。10）在單元中任何一點都可以取得應力。單元的局部坐標系統(tǒng)以下的做法可以得到正確的局部坐標方向：1）指定三角形或四邊形單元各邊的中點。如M，N，O，P在IJ，JK，KL，LI上。2）從P到N的向量為局部坐標X軸。如在三角形上，X軸則平行于IJ。3）局部坐標Z軸決定于PN與MO之外積，（如在三角形上，則為ON與MK之外積）如z=PN×MO。4）由Z軸與X軸的外積決定局部坐標Y軸，y=zxx。下圖1.12可較易明白各軸的方向。圖1.12單元力輸出ELEMENTFORCE可在以下地方輸出：A.單元的中心點B.單元各角上的節(jié)點C.在單元內(nèi)的用戶自定的任一點以下各項為ELEMENTFORCE的輸出項目：SQX，SQY剪力（力/單位長度/單位厚度）SX，SY，SXY平面力（membraneforce）（力/單位長度/單位厚度）MX，MY，MXY每單位寬度之彎曲力矩（力矩/單位長度）SMAX，SMIN主軸應力（力/單位面積）TMAX最大剪應力（力/單位面積）ANGLE主軸平面的轉(zhuǎn)角（度）VONT，VONBVonMises應力請注意：1、以上各項都是在局部坐標上，各項的方向及定義，可參考圖1.13。2、如果要得知單元上任一指定點的輸出，您必須提供單元的坐標系統(tǒng)，必須以中點節(jié)點為原點。3、主軸應力（SMAX&SMIN），最大剪應力（TMAX）及主軸平面方向（ANGLE）各項分別對單元上方及下方計算。上下方向決定于局部坐標的Z軸。圖1.13請注意以下各項為STAAD中有限元的限制：1）構(gòu)架桿件及有限元可同在STAAD中分析，但ELEMENTINCIDENCES指令必須緊跟著在MEMBERINCIDENCES指令之后。2）單元本身的重量是以外力作用于連接的節(jié)點上來考慮，并不是以單元外來壓力的方法來考慮。3）單元應力是在單元的幾何中心及節(jié)點印出，而不是在各邊上印出。4）如圖1.13的應力，VonMises應力于單元的上下面亦可印出。單元的編號在產(chǎn)生單元剛性矩陣時，程序會檢查此單元是否與前一單元的相同，如果是相同的，程序不會再從新計算一遍。計算單元的順序是根據(jù)單元輸入的順序。因此，為了節(jié)省計算時間，相同形狀的單元應排在一起輸入，圖1.14列出有效率及無效率等兩種順序。用戶必須在有效率的輸入順序及定義結(jié)構(gòu)幾何形狀的難易程度上考慮，而得到一最適當?shù)妮斎腠樞颉D1.14實體單元實體單元提供了3D結(jié)構(gòu)上普遍三維應力問題的解決方法。如應力分布的具體控制方法，在混凝土水壩，土地及振動方面，實體單元提供了強大有用的工具。基礎理論在STAAD里實體單元使用了八個點，這些單元的每一個點有三個移動方向的自由度。一個八個點構(gòu)成的實體單元可以退化成四到七個點如下圖所示：實體單元的八個Gauss-Legendre點的勁度矩陣是被積分出來的。是由數(shù)值的整合，單元的幾何是使用自然坐標系統(tǒng)由插入函數(shù)來產(chǎn)生，單元的重心位于（r,s,t）。插入的函數(shù)如下所示：，，x，y，z是單元中任何一點的坐標，，i=1,..,8是節(jié)點在世界坐標上的坐標。函數(shù)hi被定義在自然坐標系統(tǒng)（r,s,t），r,s,t變量在1及-1之間，插入函數(shù)的未知數(shù)hi在自然坐標系統(tǒng)中是一致的在i節(jié)點上，0是單元上其他所有的點。單元的位移和幾何是同樣的方法，完整函數(shù)如下：，，u，v，w是在單元的任一點位移，而，i=1,…,8是在坐標系統(tǒng)內(nèi)一致的點位移以使用來描述該幾何。三個額外位移“bubble”函數(shù)，它在表面上的位移是0，且加在每一方向來修正成33×33的剪力矩陣，靜態(tài)在轉(zhuǎn)角接頭則固定的減少成24×24的矩陣。實體單元的局部坐標系統(tǒng)局部坐標系統(tǒng)是相同于世界坐標系統(tǒng)，如圖1.15：圖1.15性質(zhì)及常數(shù)不像是桿件和板/殼單元，實體單元是不需要性質(zhì)的。在任何情況下，必須給定彈性系數(shù)及卜松比。而且當有自重作用于任何荷載狀況時，必須給定密度值。單元應力輸出單元應力可在中心和實體單元的節(jié)點得知，輸出項目含：一般應力：SXX，SYY與SZZ剪應力：SXY，SYZ與SZX主要應力：S1，S2與S3vonmises應力：方向余弦：6個方向余弦將隨著DC符號被輸出，且對應首兩個主要應力方向。桿件性質(zhì)STAAD提供下列幾種方法來指定桿件的性質(zhì)：A）PRISMATIC性質(zhì)指定B）標準鋼材形狀數(shù)據(jù)庫C）用戶自定義的規(guī)格庫D）漸細型斷面，TAPPERED斷面E）ASSIGN指令Primatic性質(zhì)基本斷面需要以下性質(zhì)：AX=斷面面積IX=扭轉(zhuǎn)常數(shù)IY=對Y軸的慣性矩IZ=對Z軸的慣性矩此外，您也可選用以下各種性質(zhì)：AY=平行于y軸的剪力作用面積AZ=平行于z軸的剪力作用面積YD=平行于y軸之斷面深度ZD=平行于z軸之斷面深度對于T形梁或楔形梁，另外需要以下性質(zhì)：YB=T斷面腹版高度ZB=T斷面腹版厚度或楔形截面之底寬對于T形梁，必須有YD，ZD，YB及ZB的值，對于楔形梁，必須有YD，ZD，ZB值。如果輸入剪力作用面積，在分析時，程序會自動考慮剪力變形。如果沒有輸入此項，剪力變形將不被考慮。斷面的兩個主要深度YD及ZD會被用來計算斷面模數(shù)。但這只在計算桿件應力或在做混凝土結(jié)構(gòu)設計時才會用到。所以在不需要時，并沒有必要輸入YD及ZD值。YD及ZD的值自動設定值為254mm（10inches）。所有的性質(zhì)都是以局部坐標輸入的。對混凝土而言，不需要AX，但是方形斷面需YD及ZD，而圓形斷面只需YD。如果沒有輸入慣性矩或剪力面積，程序會自動從YD及ZD中計算出來。表1.1列出各種結(jié)構(gòu)所必須輸入的斷面性質(zhì)。對于PLANE或FLOOR兩種結(jié)構(gòu)分析，所需要的慣性矩由BETA角決定。假如BETA角為零，所需的值為IZ。表1.1桿件/單元之作用力釋放STAAD剛建立時所有桿件/單元在接點處是賦予剛性的，在設計某些地方不是完全剛性時，使用MEMBERRELEASE指令可將構(gòu)架桿件一或兩端的分力設為零。之后在分析時，這些自由度便不再考慮。釋放分力是在局部坐標上執(zhí)行。另外STAAD也提供PARTIALMOMENTRELEASE力矩釋放指令。桁架/純壓桿件/純拉桿件以桁架為例，桿件上只承受軸向力，有兩種方法來指定它；當所有桿件皆為桁架時（只受軸向力），使用TRUSS指令來指定這種結(jié)構(gòu)種類；如果只有某些桿件是屬于桁架時，在各別只受軸向力的桿件上使用MEMBERTRUSS指令。在STAAD中，以MEMBERTENSION或MEMBERCOMPRESSION指令來定義純拉桿件與純壓桿件。纜索（Cable）CABLEMEMBER指令是用來指定纜線型式的構(gòu)架桿件。當使用此指令時，必須設定纜線的初始張力。下段將解釋纜線的剛性計算。纜線受力時長度的增加受兩種因素影響。其一為彈性關(guān)系，方程式如下：其二為因幾何型式改變而導致的增長，如拉緊或下垂。下式代表其關(guān)系：其中：ｗ＝纜線單位長度重量T＝纜線張力α＝纜線的軸與水平面的夾角（＝0°纜線為水平；＝90°纜線為垂直）因此纜線的剛性系數(shù)決定于架設時的張力或下垂。這兩種效應可合并如下：注意：當T=infinity，=EA/LT=0，=0由上式可看出，當張力增加（或下垂減?。r，剛性公式漸趨近于純粹的彈性公式。桿件偏位（memberoffset）當結(jié)構(gòu)上的一些桿件不是交會于一點時則會產(chǎn)生偏位，或當連接點對方的尺寸太大，如下圖桿件1的實長會相差太多的情況下，就要使用MEMBEROFFSET指令。這是以世界坐標或局部坐標的X，Y，Z來表示（以交會點為原點）。在分析結(jié)構(gòu)及計算桿件力時會加以考慮由于偏位所導致的二次力。桿件上新的偏位型心（offsetcentroid）可在接合的起點或端點，而新的工作點（workingpoint，wp）將會在桿件的新的起點或終點。圖1.16主從節(jié)點（Master/Slave）對于剛性鏈接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地板隔板，可使用主從接點的觀念（Master/Slave），從接點（slavejoints）被設定為與主接點（masterjoint）有同樣的位移。使用者可在不同的自由度上，對從接點的位置設限。如果所有的自由度（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz）都加以限制，這接點是剛性連接（rigidlyconnected）。荷載在結(jié)構(gòu)中的作用力分為接點受力，構(gòu)架桿件受力，溫度作用力及固定端受力。STAAD會自動產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的自重，它以均勻分布力來模擬構(gòu)架桿件的自身重量。自動導荷載STADD具有產(chǎn)生移動受力及橫向地震力（UniformBuildingcode）的功能，由以下兩種方法輸入：1）定義作用力系統(tǒng)2）用上次定的作用力系統(tǒng)產(chǎn)生初始受力。下面將敘述移動受力，地震受力及風力產(chǎn)生器的一些重要特征。˙移動荷載產(chǎn)生器這項功能可在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生移動荷載。移動荷載包括在使用者自定義的平面上一定長度的受力，在平面的兩個方向上移動。用戶可設定不同移動受力的順序，程序在分析時會自動考慮。AASHTO，1983的設計標準可在此使用（AmericanAssociationofStateHighwayandTranportationofficials）。˙UBC地震力產(chǎn)生器STAAD地震力產(chǎn)生器是根據(jù)UBC等值橫向力方法來分析。橫向作用力于X及Z方向而重力是在Y方向。因此對一建筑物而言，Y方向是垂直于地板方向上。用戶必須自行建立模型，STAAD會用正確的UBC公式，自動計算橫向合力或基底剪力。也可使用UBC1985及1994年的規(guī)范。除了使用UBC的近似公式計算建筑物在特定的周期外，也可以使用Raleigh商數(shù)法來計算，此周期可用來計算地震系數(shù)C。在算出基底剪力（baseshear）之后，根據(jù)UBC規(guī)范，作用力會分布在建筑物各層及屋頂上。在分析設計過程中，橫向力會被當成一般受力來計算。風荷載產(chǎn)生器STAAD的風力產(chǎn)生器根據(jù)使用者設定的風力強度（intensity）及受風系數(shù)（exposurefactor）來計算作用于結(jié)構(gòu)上的力。在不同的高度可以有不同的風力強度。建筑物的開口可以受風系數(shù)來模擬。受風系數(shù)設定在每一接點上，其定義為結(jié)構(gòu)體中受風力影響面積的比例。程序可以自動計算在空間結(jié)構(gòu)上的風力并將此橫向力分布在接點上。STAAD提供之分析方法1）剛性分析／線性靜態(tài)分析2）二次靜態(tài)分析P-DELTA分析非線性分析多線性彈簧支承純拉桿件/純壓桿件3）動態(tài)分析歷時分析（TimeHistory）反應譜分析（ResponseSpectrum）以下詳述各種分析法的特征。理論基礎及詳細分析方法可參考結(jié)構(gòu)工程教科書。剛性分析／線性靜態(tài)分析SATAAD的剛性分析是以矩陣位移法為基礎。在構(gòu)架矩陣分析時，首先將結(jié)構(gòu)化為不連續(xù)分量的組合（桿件或單元），每一分量假定位移必須滿足力學平衡及接點位移兼容兩種條件。像水泥板(slab)，平板(plate)，或樁腳(spreadfootings)等，將外力向兩個方向傳遞。這些結(jié)構(gòu)必須被切割成數(shù)個有限單元，以節(jié)點相互連接。外力可以均勻壓力作用于單元面或以集中力作用于接點上。平面應力及平板彎曲在分析時都加以考慮。分析方法假設在對結(jié)構(gòu)做完整分析，矩陣是根據(jù)以下的假設：結(jié)構(gòu)必須是理想化成桿件（beam）與平板（plate）及實體(solid)三種單元以節(jié)點連接在一起。這組合在節(jié)點上受集中作用力及反應力。這些受力可以是在任意方向的力或力矩。桿件（beam）為一長型結(jié)構(gòu)桿件，具有不變，對稱，或近似對稱三種截面，桿件永遠受軸向力。桿件也可承受作用于任意兩個垂直面上的剪力及彎矩，或是扭力。平板（plate）是一個三或四節(jié)點的等厚平面。實體單元(solid)是一4~8節(jié)點的三維單元。作用于任一節(jié)點上的內(nèi)力或外力必須在平衡狀態(tài)。假如有扭矩或彎矩時，每一節(jié)點的6個自由度都必須加以考慮（三個平移和三個轉(zhuǎn)動自由度）以建立矩陣。如果是桁架桿件（trussmember）時，因只受軸向力，所以在每個節(jié)點只考慮三個自由度（平移）。局部坐標與世界坐標都被用來產(chǎn)生矩陣。為了將單元勁度矩陣的計算功夫減小及一般化。局部坐標軸須在每一元素上建立而且加以旋轉(zhuǎn)。世界坐標是所有理想化元素的共同數(shù)據(jù)，因此元素力及位移可以建立在此共同的構(gòu)架上?；竟綄⒉煌瑮U件及元素的勁度矩陣系數(shù)做對稱相加，便可形成一個完整的結(jié)構(gòu)勁度矩陣。作用在結(jié)構(gòu)上的外力則以作用在節(jié)點上的不連續(xù)力來表示。勁度矩陣與外力及節(jié)點位移的關(guān)系如下：此關(guān)系式包括所有的接點，不管是可自由移動的或是被支點限制住的?？勺杂梢苿拥慕狱c的位移分量稱為自由度，自由度的數(shù)目即為分析時未知數(shù)的數(shù)目。位移的解法多元聯(lián)立方程式有許多種解法。在結(jié)構(gòu)中常用分解法，STAAD也是采用此方法。所有的線性彈性結(jié)構(gòu)的勁度矩陣永遠是對稱的，利用修正過的Cholesky法來分解十分便捷。在解聯(lián)立方程式時，修正過的Cholesky分解法非常精確快速而且完全適合于高斯消去法（Gaussianeliminationprocess）。帶寬的考慮用分解法來解帶寬矩陣時效果非常的好。因為在帶寬部分之外所有的值皆為零，所以只需要很少的計算。STAAD充分利用帶寬來求解。所以使用最小帶寬可以使解答最快速。因此STAAD具有在內(nèi)部從新安排接點順序的功能，以使帶寬變小。二次靜態(tài)分析STAAD能夠做二次穩(wěn)定分析。以下將敘述兩種方法：簡單的一種稱為P-Delta分析，復雜的一種稱為非線性分析。P-Delta分析因為垂直力作用點的移動，受橫向力的結(jié)構(gòu)體通常會受二次力的影響。這種效應稱為P-Delta效應，在結(jié)構(gòu)分析中這相當重要。STAAD使用單一的程序?qū)-Delta分析包含在整個分析過程中。此過程包括以下步驟：1）從外力計算原始位移。2）將原始位移與原來的作用力結(jié)合產(chǎn)生二次力。改變外力向量使之包括二次力。請注意正確的P-Delta效應是縱向力與橫向力作用一致時發(fā)生，而REPEATLOAD(參考原文手冊5.32.11)功能只允許用戶將前一原始作用力與現(xiàn)有作用力結(jié)合而產(chǎn)生一新的作用力。3）新的剛性系數(shù)分析是以修正后的力向量產(chǎn)生新位移為基礎。4）以新的位移為基礎計算桿件受力及支承反力。此種計算會產(chǎn)生非常精確的結(jié)果，可計算到很小的位移量。如果需要的話，STAAD可以反復用P-Delta的過程來計算，使用者可自定義反復加載的次數(shù)。ACI318、AISCLRFD及IS456-1978規(guī)范建議以P-Delta方法代替力矩放大法（momentmagnificationmethods）以計算更實際的力及力矩。非線性分析STAAD提供幾何的非線性分析。非線性分析法結(jié)合了幾何勁度系數(shù)及二次力。非線性分析法一般用于大位移的結(jié)構(gòu)，大位移會使得作用點的移動變得不可忽視，因此二次力是一個重要的考慮。此外，幾何勁度系數(shù)應用于考慮修正后的幾何形狀。由于幾何勁度系數(shù)是由位移產(chǎn)生，因此他們的值會隨作用力的不同而不同。非線性分析是隨作用力而變的。STAAD的非線性分析方法包括以下幾個步驟：1）由作用力計算初始位移。2）將幾何勁度系數(shù)應用在以觀察位移得來的勁度矩陣。新的整體勁度矩陣即是由校正后的勁度矩陣組成的。3）由初始位移產(chǎn)生的二次效應，修正作用力向量。4）解新的聯(lián)立方程式而得到新位移。5）桿件/元素上的力及支承反力由新位移而求得。STAAD的非線性分析允許用戶重復以上程序，直到滿意為止。重復的次數(shù)由使用者自定義。請注意多次重復需要較大的計算機容量，同時會使計算時間明顯的增加。使用非線性分析功能時，請注意下列事項：1）因為整個過程與作用力有關(guān)，必須適當?shù)厥褂肧ETNL及CHANGE指令。SETNL用來設定初始受力的總數(shù)。CHANGE用來重新設定勁度矩陣。2）因為幾何校正是以位移為基礎，所以非線性分析必須包括所有會產(chǎn)生大位移的行為。3）要設定位移的發(fā)散誤差，需于節(jié)點坐標(JointCoordinates)前加入SETDISPf指令。假如任何的位移超過f值，則結(jié)果就發(fā)散且中斷。內(nèi)定的f值是結(jié)構(gòu)的最大總高、總寬、總深除以120。動態(tài)分析現(xiàn)有的動態(tài)分析功能可解以下三種問題：自由振動問題（Eigenproblem），反應頻譜分析及強迫振動分析。特征值解法（Eigenproblem）考慮包括所有自由度的質(zhì)量矩陣（LumpedMassMatrix），可從特征問題解出結(jié)構(gòu)振動頻率及模態(tài)（Mode），有行列式法及反復法兩種，依問題大小而定。質(zhì)量模型（MassModeling）結(jié)構(gòu)的自然頻率及振動模態(tài)是結(jié)構(gòu)在動態(tài)受力之下反應的基本因素。解自由振動問題便是為了求得這兩個值。因為沒有外力參與，自然頻率及振態(tài)形狀（Modelshape）為結(jié)構(gòu)體勁度系數(shù)與質(zhì)量分布的函數(shù)。因為質(zhì)量模型（massmodeling）的不同，可使計算的結(jié)果完全不同。這種振動會反過來影響反應頻譜（ResponseSpectrum）及強迫振動（ForcedVibration）的分析結(jié)果。因此在動態(tài)分析時作質(zhì)量模型必須十分小心。所有能夠移動的質(zhì)量必須被模擬成在所有可能運動方向上的作用力。在反應頻譜分析時，所有能夠在頻譜方向上移動的質(zhì)量，必須有力作用在同方向上。反應頻譜分析（ResponseSpectrumAnalysis）此功能可以用來做地震受力分析。接點位移，桿件作用力及支承反力皆可從反應頻譜（加速周期或位移周期）來計算得知。振態(tài)反應（Modelresponse）可以由和方根（SRSS,SquareRootoftheSumofSquare）或完全二次組合法（CQC,CompleteQuadraticCombination）加以組合而形成合成反應。反應頻譜分析的結(jié)果可與靜態(tài)分析的結(jié)果結(jié)合來作下一步的設計。為了考慮地震的可逆性，可建立一包括了正負方向的地震合力。時程分析（TimeHistoryAnalysis）STAAD能夠分析結(jié)構(gòu)在接點上受時間變化的力或基底移動時的反應歷程。此歷時分析是用振態(tài)迭加法（ModalSuperpositionMethod）。因此所有的質(zhì)量都必須被模擬成作用力以便決定振態(tài)及頻率。請參考前述（模型建立MassModeling）。在振態(tài)迭加分析時，我們假設能夠從“P”的最低模態(tài)得到結(jié)構(gòu)的反應。平衡式寫成：………..（1）使用轉(zhuǎn)換型式：………………（2）式（1）降為“P”其中為振態(tài)阻尼比（modaldampingratio）；為的自然頻率。此式子是用wilson-θ法（威爾森θ法）來求解。這是一種無條件穩(wěn)定下按時間間隔的解法。此反應的時間間隔若選擇為0.1T，T為在此反應中最高模態(tài)的周期。代入式（2）可得到每一時間間隔的位移。作用力包絡線對于任意數(shù)目的斷面，可以印出FX（軸向力），F(xiàn)Y（Y向剪力）及MZ（Z軸的彎矩，強軸）的包絡線。這些值包括最大值及最小值（最正及最負值），以下是方向正負值得決定方法：FX壓力為正，張力為負。FY正Y方向的剪力為正，負Y方向為負。FZ同上，以Z軸方向為準。MZ正彎矩表示使桿件上端產(chǎn)生張力的力矩。同理，負彎矩會使桿件下端產(chǎn)生張力的力矩。上端則是對局部坐標Y軸而言。MY同上，以Z軸的方向表示上下端。

STAAD高級培訓材料主要內(nèi)容STAAD在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計中的應用 2STAAD中的動力分析 18STAAD建模討論-關(guān)于樓面分體系及設備 36STAAD.Pro在容器類結(jié)構(gòu)中的應用 42STAAD建模綜論 48STAAD模型查錯綜述 70

前言這是有關(guān)STAAD使用的一個初步的相對系統(tǒng)的總結(jié)，側(cè)重于解決問題的思路和方法，而較少敘述操作的細節(jié)。這些一般性的思路方法既可以在STAAD中實現(xiàn)，也可在與STAAD具有類似功能的其他有限元軟件上實現(xiàn)。主要內(nèi)容包括如下六個方面，都是工程師比較關(guān)心的一些實際設計問題，在可能的情況下，都結(jié)合具體的模型介紹這些內(nèi)容，避免手冊式的干巴巴的介紹：STAAD在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計中的應用STAAD中的動力分析STAAD建模討論-關(guān)于樓面分體系及設備STAAD在容器類結(jié)構(gòu)物中的應用STAAD建模綜論STAAD中模型查錯的一般思路目前，國際上主流的商用FEA軟件數(shù)目已經(jīng)很難統(tǒng)計清楚有多少了。在這樣一個一個快速變化的領(lǐng)域，新的計算工具和手段層出不窮，但基本的結(jié)構(gòu)概念和力學原理卻幾乎沒有變化。對工程師而言，雖然FEA軟件具有強大的分析功能，但卻在工程設計中永遠只能扮演從屬的角色。雖然借助方便的工具，工程師能夠更有效率的完成更有想象力的設計，但歸根到底，具有創(chuàng)造性的是人，而不是工具。我們對此需要具有清醒的認識。另一方面，在實踐性的結(jié)構(gòu)設計過程中，對工具使用的理解，會反過來增強我們對結(jié)構(gòu)本質(zhì)的領(lǐng)悟，從而有助于設計理念的更新，設計出更好的結(jié)構(gòu)。這是使用FEA軟件的一大好處。在理想的情況下，我們希望STAAD帶給用戶的，也是這樣一種體驗。結(jié)構(gòu)工程師是一項具有挑戰(zhàn)性的職業(yè)，這里仍然愿意重復WILSON的名言：“Thestaticanddynamicanalysisofstructureshasbeenautomatedtoalargedegreebecauseoftheexistenceofinexpensivepersonalcomputers.However,thefieldofstructuralengineering,inmyopinion,willneverbeautomated.Theideathatanexpertsystemcomputerprogram,withartificialintelligence,willreplaceacreativehumanisaninsulttoallstructuralengineers.“這里引用的一些模型圖片，一部分是出自實際的設計項目，但這里所做的評論僅僅是純粹的學術(shù)探討性質(zhì)，并不針對特定的個人或集體。而且，作者們并不試圖掩蓋使用STAAD這樣的軟件處理某些問題的困難之處，而且也不想給用戶形成這樣的感覺：結(jié)構(gòu)設計非常容易。相反，作者在有可能的地方，盡量提醒用戶注意各種問題。這種單純的想法類似于E.Galois的如下言論：“最有價值的科學書籍是作者在書中明白的指出了他所不明白的東西的那些書，遺憾的，這還很少被人們所認識；作者由于掩蓋難點，大多害了他的讀者?！庇捎谒郊皶r間所限，難免出現(xiàn)各種錯誤，還請大家見諒。謝謝大家！編者2008年12月上海STAAD在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計中的應用穩(wěn)定問題在鋼結(jié)構(gòu)設計中居于中心地位。甚至有研究人員認為是工程力學的核心。我們不是研究人員，我們對穩(wěn)定理論的研究是為了應用于具體的設計實踐。這里試圖結(jié)合STAAD對三個常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題進行討論，整理出來進行穩(wěn)定計算的大致思路和注意事項。這里的例題本身不具有任何實際工程的參考價值，僅僅是為了演示的方便為任意創(chuàng)建的“玩具”模型，希望讀者不要被誤導。本文主要討論所謂考慮初始缺陷的二階彈性分析在STAAD中的應用。相對于一階分析的計算長度法，二階分析現(xiàn)在喊的比較響，計算長度系數(shù)法遭到很多的詬病。作者認為，計算長度系數(shù)法，和其他很多近似算法一樣，因為結(jié)果的近似遭到的指責是不公平的，這完全是使用者本身的問題，使用者應該明確該方法的計算假定，適用范圍以及結(jié)果的近似程度，并對結(jié)果負責。對真正的結(jié)構(gòu)工程師，使用近似算法仍然可以設計出合理的結(jié)構(gòu)形式，并具有足夠的安全儲備；而缺乏理解的對所謂的更精確的二階分析的濫用，卻大大增加了結(jié)構(gòu)出問題的風險。相關(guān)概念與背景知識：簡單來說，所謂的穩(wěn)定(Stability)就是結(jié)構(gòu)在承受外界作用后仍能夠保持靜力平衡，但此時的平衡方程應以變形后的結(jié)構(gòu)位形為基礎建立。按建立平衡方程是否考慮結(jié)構(gòu)的變形，分析有所謂的一階分析(firstorderanalysis)和二階分析(secondorderanalysis)之分。理想的結(jié)構(gòu)在承受逐步增加的外載時，在某一荷載臨界點，其原來的平衡位形有可能發(fā)生突然的改變，此所謂屈曲（Buckling）,此時對應的荷載是所謂的臨界荷載（criticalload）。真實的結(jié)構(gòu)因為存在各種各樣幾何和物理缺陷（geometricalimperfection,physicalimperfection），會導致其實際的穩(wěn)定承載力遠低于理想情況的臨界荷載?，F(xiàn)在大多數(shù)國家的鋼結(jié)構(gòu)設計標準都推薦進行二階分析以考慮所謂的P-效應和P-δ效應（包括DIN18800，AISC360，EC3，GB50017）。這樣做的一個潛在好處是避免了煩瑣的構(gòu)件計算長度系數(shù)的輸入，并且能更準確的估計結(jié)構(gòu)的真實承載力。后面我們將會看到，對象STAAD這樣的軟件來說，進行二階分析本身并不困難。真正困難的地方在于如何能在分析中比較準確的考慮到結(jié)構(gòu)的各種缺陷產(chǎn)生的影響。主要的缺陷包括幾何缺陷（初始彎曲，初始傾斜），殘余應力，材料的非均勻性以及塑性開展。在對此進行詳細的討論前，我們先明確結(jié)構(gòu)P-效應和P-δ效應究竟是什么？考慮如下的一個有側(cè)移簡單剛架（圖1，文獻1）：圖1有側(cè)移剛架的P-效應上圖為一簡單剛架成受線載時的彎矩圖。左邊的彎矩對應為一階分析的結(jié)果，右邊的對應為二階分析的結(jié)果(未考慮任何缺陷)。可以看出，在右邊柱的二階分析的結(jié)果多出來了彎矩，該彎矩是由柱的軸力（所謂的P）乘以框架的側(cè)移（所謂的）產(chǎn)生的，所以稱之為P-效應。類似的，考慮如下的無側(cè)移框架（圖2，文獻1）:圖2無側(cè)移框架的P-δ效應在圖2的兩個無側(cè)移框架的模型中，左邊為一階分析的結(jié)果，右邊為二階分析的結(jié)果。相對前面的有側(cè)移框架，本例中兩個柱子之間的彎矩差別很微?。ㄖ藦澗赜?88kN.m增加到393kN.m，且彎矩圖的形狀由直線變?yōu)榫哂形⑿∏实那€）。柱彎矩的增大部分主要是由柱本身的局部側(cè)移δ產(chǎn)生的，因為框架幾乎不產(chǎn)生任何水平位移，所以稱為P-δ效應。由這個小例子，文獻1歸納并指出了二階分析和一階分析的一些基本的區(qū)別：二階效應不僅僅影響彎矩，還會影響整個的剪力與軸力；二階效應中的內(nèi)力分布形態(tài)完全不同于一階分析，并不是一階分析結(jié)果的簡單放大，因此簡化的彎矩放大法顯得很粗糙。在實際的結(jié)構(gòu)中，總是同時存在有P-效應和P-δ效應，只不過其影響的程度和結(jié)構(gòu)的具體形式有關(guān)。一般來說，在抗側(cè)剛度大的結(jié)構(gòu)中，是局部的P-δ效應占主導；在抗側(cè)剛度小的結(jié)構(gòu)中，是整體P-效應占主導。因為前述原因，通常的荷載線性組合不適用于二階分析。因此必須在每個組合好的工況進行二階分析。在實際的結(jié)構(gòu)中，通常P-效應是針對結(jié)構(gòu)的整體而言，是一個宏觀的概念；而P-δ效應是針對具體的單個構(gòu)件而言，是相對微觀的概念。對FEA軟件而言，兩者都可通過在分析中考慮附加的所謂的幾何剛度（geometricstiffness）反應出來（考慮P-效應的方法很多，包括很多迭代法等等，但考慮幾何剛度的方法是這些方法中最有效率的方法之一）。幾何剛度這個名詞并不非常確切，它還有其他的名字，例如應力剛度（stressstiffness），“應力”實際上特指由膜力（membraneforce）產(chǎn)生的應力。相對于通常的僅由材料分布決定的物理剛度而言（例如EI代表抗彎剛度，GA代表剪切剛度，都僅由材料的分布決定），幾何剛度由膜力和結(jié)構(gòu)形態(tài)決定，其所形成的“橫向力”的大小可以通過為膜力和曲率(curvature)的積來確定。彈性穩(wěn)定的中心問題表現(xiàn)為幾何剛度和物理剛度的博弈過程：物理剛度在概念上可定義為永遠是正值，但幾何剛度可正可負（對一維的梁元而言，壓力產(chǎn)生負的幾何剛度，拉力產(chǎn)生正的幾何剛度），當負的幾何剛度抵消了物理剛度時，結(jié)構(gòu)就發(fā)生彈性屈曲變形。對典型的同時受軸力和橫向均布線載的簡支梁而言，軸壓力減少了抗彎剛度，而軸拉力增大了抗彎剛度。可參見附錄中童根樹教授的一篇文章。對通常的一階彈性分析，典型的平衡方程如下所示KU=R(1)，其中K為剛度矩陣，U為位移向量，R為荷載向量，考慮幾何剛度后，公式變?yōu)椋海↘-Kg）U=R(2)，其中Kg為幾何剛度矩陣。顯然，當Kg>=K時，解發(fā)散。只要（2）有解，就意味著Kg<K，此時結(jié)構(gòu)肯定是平衡的。公式（2）表達了二階分析本質(zhì)。在STAAD中，用戶如果選擇執(zhí)行所謂的PDELTA分析時，可以讓程序考慮幾何剛度，分析命令的關(guān)鍵詞為PDELTAKGANALYSIS，KG關(guān)鍵詞指示程序考慮幾何剛度。可同時考慮桿件和板殼的幾何剛度，這可應用在對二維板殼模型的分析中，如前面所說的容器類的結(jié)構(gòu)物。結(jié)構(gòu)不可避免的會存在各種幾何和物理的缺陷，而這些缺陷會直接影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力，因此用于工程設計的分析必須能反映缺陷的影響。使用二階彈性分析計算穩(wěn)定時，最重要的一步是對結(jié)構(gòu)的缺陷的估計和模擬，這往往也是最困難的一步。到目前為止的所有FEA軟件對此都不能自動化的完成，而需要設計者的人工干預。我們下面將重點討論此問題。第一種考慮缺陷的方法，是將所有的幾何和物理缺陷，都通過等效的幾何缺陷考慮。德國標準DIN18800part2中，有這樣的論述“Aswellasgeometricalimperfections,equivalentgeometricalimperfectionsalsocovertheeffectonthemeanultimateloadofresidualstressesasaresultofrolling,weldingandstraighteningprocedures，materialinhomogeneitiesandthespreadofplasticzones”，即等效幾何缺陷包括了幾何缺陷，材料非均勻性以及塑性區(qū)域的開展。對通常的框架結(jié)構(gòu)而言，可考慮如下（圖3，圖4）所示的兩種缺陷。圖3所示的為結(jié)構(gòu)初始側(cè)移缺陷（SWAYIMPERFECTION）；圖4所示為構(gòu)件的初始彎曲缺陷（BOWIMPERFECTION）。通常側(cè)移缺陷針對框架整體，會加強P-效應；而初彎曲缺陷針對單個的桿件，會加強P-δ效應。從這里我們也能發(fā)現(xiàn)，因為單個桿件既可能發(fā)生彎曲屈曲，也可能發(fā)生彎扭屈曲，顯然，僅僅只定義初彎曲不能體現(xiàn)彎扭屈曲對缺陷的要求。這個問題在后面再繼續(xù)討論。對更一般的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)標準通過考慮結(jié)構(gòu)的最低階屈曲模態(tài)來考慮結(jié)構(gòu)的整體缺陷。通常的做法是先對結(jié)構(gòu)進行線性屈曲分析（Bucklinganalysis），得到結(jié)構(gòu)的最低階屈曲模態(tài)后，通過數(shù)據(jù)處理再將其指定回結(jié)構(gòu)。這樣做的后果實際是改變了結(jié)構(gòu)的原始幾何坐標數(shù)據(jù)。如果結(jié)構(gòu)可能需要驗算不止一組缺陷的話，這種做法在實際設計時可能會比較麻煩的，因為有可能會使用多個具有不同幾何的模型進行檢驗。但有些時候，最底階模態(tài)不一定是整體屈曲模態(tài)，而可能只是個局部屈曲模態(tài)，這就象自由振動特征值分析的第一階模態(tài)可能不是整體的一樣。在動力分析中（特指用反應譜和時程的地震作用計算），我們可以通過質(zhì)量參與系數(shù)來判斷振型的貢獻，但在屈曲分析時卻沒有類似的概念可用，只能通過觀察模態(tài)的大致變形范圍和形式來判斷，顯得粗糙了些。在缺少定量判斷指標的情況下，需要設計者來判斷什么是“整體”的屈曲模態(tài)，什么是“局部”的屈曲模態(tài)。這個和建模的關(guān)系很大，如果模型建的不合理，很有可能會在前幾階出現(xiàn)的是局部屈曲模態(tài)。我們建立動力計算簡圖時的一部分經(jīng)驗可以照搬在這里：盡量能反映結(jié)構(gòu)主要受力特點的抽象的計算簡圖，同時注意對關(guān)鍵部位和桿件的網(wǎng)格劃分。如果模型的屈曲模態(tài)按一種定義良好的順序出現(xiàn)，并且具有層次分明的特點（不出現(xiàn)大規(guī)模的整體屈曲體和局部屈曲的耦合，），則我們可以從概念上認為這個模型本身和這個模型所代表的結(jié)構(gòu)是合理的。在AISC360的DERECTANALYSISMETHOD中，采用了有別于前面的思路。其要求在二階分析過程中同時考慮下列三種因素：1）結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷；2）材料的塑性；3）主要抗側(cè)結(jié)構(gòu)剛度的折減；相對于前述只考慮一個大的涵蓋所有因素的等效幾何缺陷的方法麻煩很多，我們這里對此詳細討論。圖3結(jié)構(gòu)的初始側(cè)移幾何缺陷圖4構(gòu)件的初始彎曲幾何缺陷很多時候，將幾何缺陷以等效的荷載施加到結(jié)構(gòu)上去，往往比改變結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)要方便靈活的多。我們可以這樣理解：在該等效缺陷荷載的作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相當于初始幾何缺陷的變形。在GB50017中采用了此種做法，稱呼該等效缺陷荷載為所謂的“概念荷載”（圖5），并且給出了具體計算公式（見GB50017第3.2.8條）。在AISC360中的附錄7中，給出了所謂的直接分析法（directanalysismethod）,其中是使用的所謂notionalload來模擬初始缺陷（圖6）。在取值水平上，GB50017大概取為樓層重量的1/250，而AISC360取為1/500。圖5GB50017中概念荷載等效概念荷載的計算與我們前面所提的幾何剛度的概念有很大關(guān)系。簡單來說，桿件初彎曲等效荷載在數(shù)值上等于構(gòu)件軸力乘以曲率（為了方便，通常假設變形為拋物線，則其沿桿長曲率為常數(shù)，可偏保守的取軸力的大值），而樓層等效荷載是樓層重力乘以樓層變形角φ。具體的計算如下圖6所示。在大多數(shù)規(guī)范中這個計算方法都是一致的。圖6等效概念荷載的計算（引自EC3）空間桁架模型：對于前面所述的有關(guān)考慮初始缺陷的兩種方法,我們通過下面的一個小例子來進行展示。在該STAAD模型中，進行了屈曲分析得到結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，然后將該模態(tài)作為缺陷施加給結(jié)構(gòu)。并同時考慮了作為等效缺陷荷載指定給結(jié)構(gòu)的操作?？紤]如下所示的一空間桁架（圖7），其斷面形式類似于一槽鋼。桁架的上弦是通過腹桿和梁形成的剛架提供約束的，整個上弦桿類似于一彈性地基梁，但彈簧是離散分布的（圖8）。圖7空間桁架模型圖8桁架上弦的計算簡圖如果對上弦桿取隔離體，整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可轉(zhuǎn)化為上弦的穩(wěn)定來考察。此時關(guān)鍵的一步是確定上弦在平面外的計算長度。由彈性穩(wěn)定理論我們知道，上弦的面外計算長度與約束上弦面外變形的彈簧支座的剛度的大小及分布有關(guān)，同時也與上弦桿本身在平面外的線剛度有關(guān)。利用STAAD的屈曲分析功能，我們可以直接進行計算出上弦桿面外屈曲的歐拉臨界力和對應的波形，并且可據(jù)此足夠精確的估計上弦平面外的計算長度，而不用經(jīng)過煩瑣的手算。在STAAD中使用的屈曲分析分析命令為PERFORMBUCKLINGANALYSIS。用戶需要為此建立一專門的荷載工況（通常包括主要的能產(chǎn)生不利幾何剛度的工況，在本例中是恒加活載），然后在STAAD中對此工況進行求解。注意，為了能夠足夠準確的表達上弦的模態(tài)信息，上弦桿做了必要的劃分，這可通過插入節(jié)點命令方便的做到。圖9給出了該桁架線性屈曲的分析結(jié)果。在STAAD中點擊后處理界面的BUCKLING標簽，可以查詢到計算出的結(jié)構(gòu)前四階屈曲模態(tài)以及對應的屈曲荷載系數(shù)（圖9右側(cè)的表格所示）。此處的屈曲荷載一般為實際極限穩(wěn)定承載力的上限，似乎沒有實際的作用。但我們一方面可以通過屈曲荷載來估計二階效應的大小（有文獻認為如果P<0.15Pcr,則二階效應不明顯，這相當與屈曲系數(shù)大于7）；另一方面，我們可以通過屈曲模態(tài)和臨界荷載得到計算長度。圖9線性屈曲分析的結(jié)果計算長度（effectivelength）按其最自然的定義為結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的半波長度。通常的波形一般考慮為正弦波，則半波長就是兩個曲率為零的點之間的距離（注意是曲率為零，而不是模態(tài)為零，也就是通常所說的反彎點）。通過在STAAD簡單的測量，我們可以得出這個距離（見圖10）。當然測出來的不是非常的精確，但對我們設計的應用已經(jīng)足夠了。還有另一種更嚴格的方法，即根據(jù)臨界荷載和名義剛度反算計算長度（具體見文獻2）。通過觀察我們可以發(fā)現(xiàn)，在桁架跨中最不利位置的波幅最明顯，這里也是軸力最大位置，與概念相符。如果用此計算長度驗算整個上弦桿，得的結(jié)果應該是偏保守的。有了計算長度后，我們可以在SSDD中對上弦進行構(gòu)件檢驗，這里不再贅述。對實際的結(jié)構(gòu)而言，理論上來說，在每一個荷載工況，每一根桿件都會根據(jù)BUCKLING分析得到不一樣的計算長度（屈曲模態(tài)和荷載的相對分布有關(guān)，而和荷載的絕對大小無關(guān)）。假如我們處理的是具有200個構(gòu)件20個工況的模型，則我們需要先進行20次BUCKLINGF分析，然后再根據(jù)20次BUCKLING分析的結(jié)構(gòu)對每個構(gòu)件得到一個計算長度，然后再使用該計算長度和對應的工況的內(nèi)力進行20次構(gòu)件檢驗，則計算量變?yōu)?0x20x20=800次，比通常的計算量大三個數(shù)量級。在模型變的龐大后，此方法的效率急劇降低。因此，在實踐中，通常是只在幾個工況（例如恒加活）中算出計算長度后，將其用于所有工況的相關(guān)構(gòu)件的設計。這種簡化帶來的潛在的風險，需要工程師根據(jù)具體的工程決定取舍。圖10上弦平面外計算長度-屈曲的半波長前面所述是通常的一階分析加計算長度算穩(wěn)定方法。通過對該桁架使用二階分析，則可以避免計算長度的確定問題。此時首先需要給結(jié)構(gòu)施加初始缺陷。這可直接利用前面屈曲分析中得到的模態(tài)數(shù)據(jù)，先將模態(tài)數(shù)據(jù)拷貝到EXCEL中電子表格中，然后將該數(shù)據(jù)乘以指定的輻值后（例如l/200）,再從EXCEL拷貝回結(jié)構(gòu)的節(jié)點坐標表格中（STAAD支持直接從EXCEL拷貝數(shù)據(jù)，圖10。），從而修改結(jié)構(gòu)的原始幾何形態(tài)，使其具有初始等效幾何缺陷。如前所述，這個缺陷本身要取的足夠包括殘余應力和材料非彈性等因素的影響。通常這些缺陷造成的幾何偏差很小，我們通過肉眼的觀察也很難辨認出來。用戶需要注意應將STAAD中節(jié)點誤差的設置改為比較小的值（例如0.0001m），否則會出現(xiàn)問題。圖11利用EXCEL修改好結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)后，再拷貝回結(jié)構(gòu)中去。使用該模型進行二階彈性分析，則可計算出和屈曲波形的分布形狀接近的桁架上弦的平面外彎矩（圖12），這從一個側(cè)面印證了缺陷的效果。對上弦桿的穩(wěn)定，設計者可直接通過強度結(jié)果判斷。圖12桁架上弦的平面外彎矩如前面所說，也可通過等效缺陷荷載來模擬初始缺陷，這在實際工程中更為方便。等效線荷載的大小按圖6中所示公式計算，其在曲率反向的地方，荷載也一同反向，單個連續(xù)荷載的作用區(qū)間為屈曲的半波長，（如圖13所示）?？梢岳斫鉃樵谒拥牡刃毕莺奢d的作用下，桁架在平面外將會產(chǎn)生類似于屈曲波形的變形。注意，這里并沒有照搬圖6的公式加對稱的節(jié)點平衡荷載，因為其都抵消了，加了也不起作用。圖13桁架上弦初始缺陷的等效荷載一般來講，加等效荷載的方法比用使用屈曲模態(tài)數(shù)據(jù)修改結(jié)構(gòu)幾何的方法