06第05章_材料与截面_沈万湘

第5章材料与截面在SAP2000中提供了较为丰富的材料类型与单元类型。材料定义是指定义赋予单元的材料属性，是计算构件的基本属性数据。新版SAP2000系统对材料的定义更加灵活，使用户可以控制的参数更加深入多样。截面定义是指SAP2000提供的线单元、面单元、实体单元类型构件的截面属性定义。截面属性是构成单元的基本要素。在SAP2000形成一个构件顺序是：定义材料（物理属性）→定义截面（截面几何属性）→绘制对象（确定构件几何属性）。5.1材料定义用户定义的材料属性可以赋予多个不同类型的单元。在SAP2000中材料属性分为分析属性、设计属性和高级属性。不同的属性应用于不同阶段的计算。同时用户可以定义各项同性、各项正交异性以及单轴应力的材料。分析属性是在结构分析过程参与计算的数据，通过这些数据计算出结构构件在各种工况下的标准内力。因此在原则上SAP2000系统中可以定义任意的材料属性，只要用户能够提供其基本物理属性，例如密度、弹性模量、热膨胀系数等。材料的设计属性是根据规范对构件设计、校核时的依据，例如混凝土的强度，钢筋等级以及钢的屈服强度等。因此设计属性是有针对性的，具有设计属性的构件类型才能进行设计、校核。根据设计类型系统默认提供的材料类型包括铝、冷扎钢、钢、混凝土等。目前，能够根据中国规范设计的材料类型有混凝土和钢。材料的高级属性一般用于非线性分析或动力分析，可以考虑材料的徐变、阻尼和应力-应变关系等。用户可根据需要进行修改。5.1.1一般材料定义这里的一般材料是工程中常用的处于线弹性阶段属性的材料。点击定义材料属性命令，弹出材料定义对话框（图5-1）。图5-1材料定义对话框材料列表显示已经定义的材料属性名称点击添加新材料（按钮）添加材料时点击，弹出材料属性数据对话框（图5-2）修改/显示材料（按钮）修改材料时点击，弹出该材料的材料属性数据对话框（图5-2）删除材料（按钮）删除列表中高亮显示的材料对话框列表中显示出系统提供的几种材料类型：ALUM（铝）、CLDFRM（冷扎钢）、CONC（混凝土）、STEEL（钢）、OTHER（其它）。它们本身带有各自的属性，可以直接使用，但不能被删除。当选择设计类型为None（无）时，材料的设计属性数据定义被关闭，程序不对属性为None（无）材料进行设计后处理。当选择其它类型时，输入的设计属性数据与整体单位制有关。所以当输入有不同单位制的数据时，要注意单位制的切换。例如，在输入混凝土材料设计属性中的强度等级（C值）时，在默认单位制（N-㎜）下输入的值与混凝土标号一致，比如C20混凝土就输入20，但当单位制是（KN-㎜）时，输入的值就应当是20000。用户自定义材料时，例如定义中国标准Q235钢，首先选择定义材料的类型STEEL，然后点击添加新材料按钮，弹出材料属性数据对话框（图5-2）。图5-2材料属性数据对话框材料名称显示材料名称，用户可以修改显示颜色颜色点击色块，弹出颜色编辑器，修改材料显示颜色材料类型各向同性定义各向同性材料正交各向异性定义正交各向异性材料各向异性未启用Uniaxial定义单轴属性材料设计类型（下拉框）选择材料设计类型，从而决定具有该材料的构件的设计处理方式。选项为Concrete-混凝土、Steel-钢材、Aluminum-铝、ColdFormed-冷轧钢、Rebar-钢筋、None-无分析属性数据材料类型为各向同性时密度输入/显示材料的密度重度输入/显示材料的重度弹性模量输入/显示材料的弹性模量泊松比输入/显示材料的泊松比热膨胀系数输入/显示材料的热膨胀系数剪切模量显示材料的剪切模量材料类型为正交各向异性时每单位体积质量输入/显示材料的密度每单位体积重量输入/显示材料的重度弹性模量方向1方向2方向3局部坐标1轴方向弹性模量局部坐标2轴方向弹性模量局部坐标3轴方向弹性模量泊松比平面12平面13平面23局部坐标12轴平面的泊松比局部坐标13轴平面的泊松比局部坐标23轴平面的泊松比热膨胀系数方向1方向2方向3局部坐标1轴方向热膨胀系数局部坐标2轴方向热膨胀系数局部坐标3轴方向热膨胀系数剪切模量平面12平面13平面23局部坐标12轴平面的剪切模量局部坐标13轴平面的剪切模量局部坐标23轴平面的剪切模量设计属性数据（中国规范标准）设计类型为Concrete（混凝土）混凝土强度等级C输入混凝土立方体抗压强度标准值受弯钢筋屈服应力fYk输入用于抗弯和轴向荷载计算的钢筋强度标准值受剪钢筋屈服应力fYk输入用于抗剪计算的钢筋强度标准值轻质混凝土勾选表示为轻质混凝土。抗剪强度折减系数项变为可编辑状态抗剪强度折减系数输入剪切强度折减系数，一般取0.75～0.85设计类型为Steel（钢材）最小屈服应力FY输入钢材屈服强度标准值最小拉应力Fu输入钢材抗拉强度标准值高级材料属性基于时间属性（按钮）弹出基于时间属性对话框，详见图5-4材料阻尼属性（按钮）附加材料阻尼，详见图5-6应力-应变曲线定义材料应力-应变曲线数据对话框，详见图5-7首先将材料名称改为“Q235”，在设计类型下拉菜单中选择“STEEL”，根据材料表在分析属性输入域以及设计属性分别输入相应数据（如图5-2中数据）。点击确定即可。对于一般的工程材料，都定义为各项同性，表现为材料的行为独立于荷载方向或材料朝向，剪切行为与膨胀行为不耦合，并且不受温度影响。一般混凝土和钢材都符合此假定。各向同性材料应变与应力以及温度变化的力学、热性能的关系如下：000111100000010000001000000100010001233121321233121321ΔTατττσσσGGGEEνEνEνEEνEνEνEγγγεεε(5.1)其中E为杨氏弹性模量，υ为泊松比，G为剪切模量，为热膨胀系数。但对于一些特殊材料，各个受力的方向弹性不同的多轴应力材料，用户可以定义各项正交异性材料。在材料属性数据对话框材料类型选择各项正交异性选项，对话框变为如图5-3所示。图5-3材料属性数据对话框在对话框分析属性数据输入域中，材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、剪切模量均按3个正交材料局部坐标分开输入。各向正交异性材料的性能在三个局部坐标轴方向可以是不同的，并且抗剪性能与抗拉性能没有直接关系而且不受温度变化影响。各向同性材料应变与应力以及温度变化的力学、热性能的关系如下：000100000010000001000000100010001321233121321654323213132321213132121233121321αααΔTτττσσσGGGEEνEνEνEEνEνEνEγγγεεε(5.2)其中1E、2E、3E为杨氏弹性模量，12ν、21ν、13ν、31ν、23ν、32ν为泊松比，4G、5G、6G为剪切模量，1、2、3为热膨胀系数。每种材料都有局部坐标系，默认状态下材料局部坐标与赋予的单元局部坐标系一致。也就是说当各项正交异性材料被指定给具体对象后，该对象各个方向的弹性行为将不同且相互独立。而且用户可以根据需要改变材料的局部坐标轴与单元局部坐标轴的角度关系。这将在后面章节中加以说明。5.1.2材料高级属性定义基于时间属性对混凝土和钢可以指定与时间相关属性，用来在阶段施工分析中进行徐变、收缩和龄期效应计算。目前，这方面的计算方法基于欧洲CEB-FIP90模式规范给出的相应规定。钢：当设计材料类型为钢时，在图5-3中点击基于时间属性按钮，弹出基于时间属性forsteel对话框(图5-4)。图5-4基于时间属性forsteel对话框勾选预应力钢筋松弛选项，在CEB-FIP类别下拉菜单中出现1、2两个选择。根据CEB-FIP2.3.4.5条对于预应力松弛的等级计划分，将预应力钢丝和钢绞线松弛划分为一级松弛和二级松弛，分别对应正常的松弛特征、改进的松弛特征，初始应力等于0.6、0.7、0.8乘以fpuk在1000小时时的松弛ρ1000。关于预应力钢筋的相关计算方法和规定详见CEB-FIP90模式规范2.3节。混凝土：当设计材料类型为混凝土时，在图5-3中点击基于时间属性按钮，弹出基于时间属性forconcrete对话框(图5-5)。图5-5基于时间属性forconcrete对话框强度和弹性模量CEB-FIP系数混凝土龄期t日时的抗压强度计算公式的系数s，取决于水泥种类，对于快硬高强水泥取0.2，对于普通快硬水泥取0.25，对于慢硬水泥取0.38。公式详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.1节CEB-FIP参数徐变勾选后相对湿度和名义尺寸项被激活收缩勾选后收缩系数和收缩开始时间项被激活相对湿度%周围环境的相对湿度RH名义尺寸h构件的名义尺寸。按照CEB-FIP90模式规范公式2.1-69计算。详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.4.3节收缩系数Bsc计算名义收缩系数中以水泥种类而定的系数。对慢硬水泥取4，对普通或快硬水泥取5，对快硬高强水泥取8。详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.4.4节收缩开始时间（天）总收缩或膨胀应变计算公式中收缩或膨胀开始时的龄期。详见CEB-FIP90模式规范2.1.6.4.4节徐变分析类型完全积分在完全积分里，分析中的每个应力增量成为材料记忆的一部分。这会保证精确的结果，但是对于大量应力增量的长分析，需要计算机的存储和计算时间以增量数量的平方来增加。因此对于大规模问题，这将使得求解过程变得不切实际Dirichlet序列及项使用Dirichlet级数近似法（Ketchum,1986），用户可以选择一个固定数目的级数项来存储。每项都用应力增量来进行修改，但是项的数量在分析过程中是不变的，这就意味着存储和运行时间与应力增量的数量成线性关系。Dirichlet级数的每一项可以视为在特征松弛时间的弹簧和阻尼器系统，用户可以尝试用不同数量的项来检查分析结果，以确定自己的选择是恰当的推荐用户使用小型问题来代表自己的大型模型，并且对比各种数量的级数与完全积分的解答，以确定恰当的级数近似方法。关于混凝土收缩、徐变计算公式也可以参见中国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD-62-2004）附录F中关于混凝土收缩应变和徐变系数计算部分内容。材料阻尼属性在材料属性数据对话框中点击材料阻尼属性按钮，弹出附加材料阻尼对话框（图5-6）。图5-6附加材料阻尼对话框在对话框阻尼比输入域中输入材料附加阻尼比。此阻尼比用于结构动力分析，材料阻尼是对所有分析工况有相同影响的材料属性。对于每一种材料，用户可指定一个材料模态阻尼比r，0≤r＜1。由此种材料的单元j贡献于振型i的阻尼比rij，为：iijTiijKrrK(5.3)其中i为模态i的振动形状。Kj为单元j的刚度矩阵，Ki为模态i的模态刚度在模型中对所有单元j取和：jijTiiKK(5.4)应力—应变曲线定义在材料属性数据对话框中点击应力—应变曲线定义按钮，弹出应力—应变曲线数据对话框（图5-7）。图5-7应力—应变曲线数据对话框MaterialPropertyName显示截面名称选项应力-应变曲线中节点数量显示/输入材料应力-应变曲线数据中控制坐标点的数量滞回类型选择滞回曲线类型：Kinematic、Taketa、Pivot曲线应力-应变曲线数据Strain应变数据，用户可以修改Stress应力数据，用户可以修改PointID曲线控制点的编号，用户可以修改。A点总是原点对每种材料都可以指定应力-应变曲线，该曲线用来生成框架单元中的非线性铰的属性，用于Pushover分析。所有的曲线都具有A、B、C、D、E五个控制点。1.点A总是原点。2.