Sap2000索分析

福银预应力许曙东，35岁，工学硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，电话[phone]Sap2000软件在预应力空间索结构设计分析中的应用许曙东张开臣摘要：南山金海湾会议中心共分六个场馆，各场馆屋顶结构形式均为预应力空间钢结构，其中一至五区为贝壳形预应力双向张弦梁结构，六区为内、外双圆环形放射状预应力张弦梁结构。本文结合此工程主要介绍预应力空间结构在Sap2000有限元计算软件中的分析方法和注意事项,对应用Sap2000软件来分析此类结构有实际的参考价值。关键词：预应力空间结构Sap2000TheApplicationofSap2000inPrestressedSpaceStructureAbstract:NanshanjinhaiwanConventionCenterinvolvessixvenues,thestructurestyleofeveryvenue'sroofallusessteelstructureforthepre-stressedspace,onetofivevenuesallusePre-stressedbidirectionalbeamstringstructure,thesixthvenueusesinsideandoutsidedoublecircularring-likeradiatedpre-stressedbeamstringstructure.Thisarticlecombinesthisworktointroducepre-stressedspatialstructureanalysismethodandthepointsforattentionofcomputationsoftwareforfiniteelementintheSap2000,it'sapracticalreferencevaluethatusingSap2000softwareanalyzethestructure.Keywords:prestressedspacestructureSap20001工程概况南山金海湾会议中心位于山东龙口，本工程共分六个场馆，各场馆屋顶结构形式均为预应力空间钢结构，其中一至五区为贝壳形预应力双向张弦梁结构，六区为内、外双圆环形放射状预应力张弦梁结构。结构分析设计采用sap2000结构有限元分析软件完成。工程全景效果图如图1所示。图1全景效果图图2六区屋盖结构布置图2设计计算以六区为例说明介绍设计计算过程，六区屋盖结构布置图如图2所示，张弦梁详图如图3所示：福银预应力图3张弦梁详图2.1设计依据1.建筑结构安全等级：二级，结构设计使用年限50年。2.地震烈度：抗震设防烈度为七度，设计基本加速度值为0.15g，设计抗震第一组。3.自然条件：基本风压W0=0.6kN/㎡，地面粗糙度A类，基本雪压S0=0.35kN/㎡。4.主要设计使用荷载：恒荷载1.0kN/㎡（玻璃幕墙屋面及外围护），活荷载：0.5KN/㎡（玻璃幕墙屋面）2.2内力计算本工程采用Sap2000有限元计算软件对屋盖预应力空间结构进行了整体分析。结构分析考虑了以下6种静力荷载组合：组合1：1.0自重+1.0预应力，组合2：1.0恒载+1.0预应力组合3：1.0恒载+1.0活载+1.0预应力，组合4：1.0恒载+1.4风吸力+1.0预应力组合5：1.2恒载+1.4活载+1.0预应力组合6：1.35恒载+0.98活载+1.0预应力初始预张力对张弦桁架的内力和初始变形影响较大，如何合理的确定初始预张力是结构设计中的一项重要内容。本工程初始预张力的确定的基本原则是：1）在最不利荷载组合工况下，拉索轴力应小于破断荷载的30%；2）在荷载组合3作用下结构中心点变形为0；3）在荷载组合4作用下，拉索仍保持受拉状态。经过反复的试算比较分析后，本工程最终确定拉索规格为φ5×31，其抗拉强度为1670Mpa，破断荷载为1017Kn，拉索的初始预张力为185KN。计算模型及部分计算结果如下：组合位移（mm）索力(kN)1579622017930224480475-202636-25275计算结果图4Sap2000三维计算模型图5主要计算结果由图5可知，拉索最大拉力为275kN0.3×1017=305kN,在荷载组合3作用下变形为0，在荷载组合4作用下拉索轴力为47kN，满足设计要求。2.3计算设置1）拉索模拟采用梁单元模拟，定义拉索截面时要注意修正围绕2轴、3轴的惯性矩，将其赋予一个较小值，即折减框架单元的抗弯刚度；2）在预应力荷载工况定义完毕后，要在分析工况定义中将预应力工况修改为静力非线性工况，并打开大变形选项，并将DEAD工况的初始刚度定义为来自预应力工况，并修改为福银预应力静力非线性工况；3）预应力初张力通过降温法施加到结构上。3施工模拟与预应力混凝土结构相比，预应力空间钢结构属于柔性结构，后批张拉的预应力索在结构中引起的应力重分布比较明显，由此引起的前一批张拉的预应力索的索力损失较大；在预应力拉索张拉完成之前，结构整体刚度较差，张拉过程中结构应力、变形不宜过大。因此，施工之前，必须应用有限元计算理论，通过有限元计算软件对整个结构进行施工仿真计算，以确定张拉顺序、确定每一步张拉的索力值、严格控制张拉过程中钢结构应力、拉索应力以及结构变形，从而保证结构施工过程的安全可靠。张拉步骤一般分为2级或3级,本工程为2级，即：第1级张拉至设计力的50%；第二级张拉到设计力的100%；张拉顺序的选取时，为了使结构受力合理，一般遵循对称张拉的原则，同时需要兼顾施工过程的方便，以避免来回倒运张拉设备，耽误工期。施工模拟部分计算结果如下：分级索号索力(kN)位移（mm）168-825713481031302621144119657计算结果12图6拉索编号图7施工模拟部分计算结果第1级张拉顺序为：第2级张拉顺序为：预应力空间钢结构属于柔性结构，张拉过程中结构应力不断变化，因此每个张拉步索力也不断变化，运用有限元程序进行施工模拟以确定每步张拉力是必需的；随着张拉的进行，结构反拱值不断增大，最终位移为57mm，通过施工过程实时监测发现，每步位移实测值与理论计算值误差在10%以内，吻合较好。4结论4.1我院多个空间索结构项目的设计分析实践证明，采用Sap2000有限元程序进行预应力空间结构分析是可行的，计算结果与其他通用有限元程序相比比较接近。4.2采用梁单元模拟预应力拉索时，定义拉索截面时要注意修正围绕2轴、3轴的惯性矩，1#2#3#3#2#1#福银预应力将其赋予一个较小值，即折减框架单元的抗弯刚度；4.3在预应力荷载工况定义完毕后，建议在分析工况定义中将预应力工况修改为静力非线性工况，并打开大变形和P-△选项，并将DEAD工况的初始刚度定义为来自预应力工况，并修改为静力非线性工况。4.4预应力初张力通过降温法施加到结构上。