SAP 2000在桥梁抗震性能分析中的应用

SAP 2000可输出的数据十分全面,各载荷工况下的变形图、动力振型图、 构件的内力或应力图、节点位移-时程图,耗能构件的滞回曲线等,均可 以十分方便地输出显示.
5 工程实例

现以某跨径为83m+260m+83m的双塔空间双索面自锚式钢箱梁悬索桥为 例,对SAP 2000在桥梁抗震性能分析中的应用作一简单介绍.图6为该自 锚式悬索桥的总体布置图 .该桥主梁为分幅式闭合钢箱梁断面 ,两幅梁 之间采用横梁联接;主缆为空间缆系,跨中部分两条主缆通过空间斜向
右塔底
376 047 719 158 426 217 658 107 250 332 773 874
左塔桩基
9 732 392
17 064 791
4 749 868
8 920 725 4 766 190 9 294 880
右塔桩基
10 269 735 18 008 258

表3 自锚式悬索桥关键点位移(纵向)响应 关键点 概率 反应谱/m 非线性时程/m
型, 2期恒载与边跨压重采用分布质量模拟 .主缆和吊索模拟为空间桁 架单元,在SAP 2000中采用对主缆和索单元的两端释放弯矩来实现 ,以 保证缆索单元仅受轴力.主塔、主梁、主缆和吊索等均考虑恒载几何刚 度的影响,在SAP 2000中采用在上述单元上施加P-$力来实现.承台模拟 为质点,并将承台质量以集中质量的形式加在该质点上 ,同时将模拟承 台的质点与墩底桩顶节点采用BODY的主从关系加以限制.为了模拟桩土
其基础受力、各关键点位移均得到明显改善 ,塔柱底及其桩基的最大
弯矩减小约50%,主梁最大位移响应降低至13 cm.
参考文献

[1] WILSON E L.结构静力与动力分析 [M].北京金土木软件技术有限 公司,译.北京:中国建筑工业出版社, 2006: 111-216. [2] 范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社, 1997: 22-105.
图8 摩擦型支座非线性属性设置
图9 黏滞性阻尼器非线性属性设置

模型采用利兹向量法进行动力特性分析,分析振型阶数取前400阶;根据
设防要求按100年10%(P1)和100年3% (P2)的地震超越概率进行线性反
应谱地震分析,计算结果取前400阶振型的地震反应进行组合,组合方式 为CQC组合;按上述地震超越概率进行非线性时程分析,考虑阻尼器和支
共同作用,在高桩位承台的群桩基础桩基冲刷线以下加6@6的土弹簧模
拟单桩子结构刚度.[3]图7的自锚式悬索桥模型共建立节点836个,框架 单元686个,Link型单元12个, 6@6土弹簧60个.
图 7 某自锚式悬索桥SAP 2000模型

为改善结构在地震作用下的受力和位移响应,本自锚式悬索桥在塔梁连
悬索桥主梁纵飘 悬索桥主塔正对称侧 弯 悬索桥主塔反对称侧 弯 悬索桥主梁1阶竖向 振动
5
1 765
悬索桥主梁2阶竖向 振动

表2 自锚式悬索桥关键截面内力(弯矩)响应
截面 左塔底
概率
反应谱/kN m
非线性时程 kNm
379 906 906 146 104 100 665 169 563 311 771 673
吊索与主梁两侧分别相连,边主缆采用直线布缆,并通过散索鞍锚固于
主梁梁端;主塔为独柱式空心塔,截面为变截面薄壁箱形截面;主塔基础 采用18根直径为2. 3m的钻孔灌注桩基础.
图 6 某自锚式悬索桥总体布置

建模时,根据自锚式悬索桥的结构特点建立三维有限元动力分析模型 .
主梁、主塔、边墩和桩基均采用空间梁单元,其中主梁采用双主梁式模
座摩擦的影响.部分计算结果如下:表1为本自锚式悬索桥的动力特性表;
表2为地震动输入在纵向+竖向时悬索桥部分关键截面的内力 (弯矩)响 应;表3为地震动输入为纵向+竖向时悬索桥部分关键点的位移(纵向)响 应.
表1 本自锚式悬索桥动力特性 振型顺序 周期/s 振型描述
1 2 3 4
6 214 2 478 2 209 2 018
10之间,最大一般不超过20.
图 2 Plastic(Wen) 单元模型的力 - 位移曲线示意 图

Link型单元中的 Damper 用以模拟黏滞 性阻尼器受力性能,需要设置刚度、阻 尼系数、阻尼指数等参数 . SAP 2000 的黏滞阻尼器单元采用 Maxwell 模型, 即阻尼器与弹簧串联的形式 , 见右图. 其中阻尼系数和阻尼指数是阻尼器的 基本工程参数 , 由阻尼器规格决定 , 通 常工程中使用的阻尼器阻尼指数介于0. 1和1. 0之间;刚度参数则是Maxwell模 型中弹簧部分的刚度,用以模拟阻尼器 构件连接等的弹性变形能力.[1]
接处设置黏滞性阻尼器;同时在非线性时程分析中要考虑支座摩擦的影
响.图8和9为本自锚式悬索桥建模当中用以模拟上述两种特殊单元的属 性设置,其单位为kN#m.图8为Plastic(Wen)单元参数设置,各项数值按
照前文介绍的方法计算确定;图9为Damper单元参数设置,其中阻尼系数
和阻尼指数根据阻尼器参数分析结果并综合考虑阻尼器制作工艺水平 确定.
型.Link型单元中Plastic(Wen)用以模拟摩擦板式橡胶支座受力性能, 需要设置刚度、屈服力、屈后刚度比、屈服指数等参数 .其中屈服力 ( 即支座发生滑移时的受力 )为恒载作用下支座反力和动摩擦因数 ( 通 常取0. 02)的乘积 ,刚度一般根据支座在发生滑移时产生 2 mm的位移 量计算得出,屈后刚度比通常取2@10-4等较小值,屈服指数反映曲线在 屈服点光滑过渡段的范围 ,指数越大光滑过渡段范围越小 ,通常取 5 到
4 结果处理

SAP 2000对于结果的处理与输出主要有两条途径 :一是采用GUI（图形 用户界面）方式直接显示于程序中;一是交互式的屏幕表格输出.第1种 方式相对便捷且直观,可以从总体上了解结构的动力特性及响应 ,但是 具体的数据查询则显得不方便 .第2种方式可以轻易将屏幕表格中的数 据转换至Excel电子表格,以便于后期的数据筛选处理和编辑工作.


[3] 秦浦雄,王书庆 .桥梁结构的三维建模技术 [J].计算机辅助工程 , 2000, 9(2): 46-52.
[4] 魏勇,钱稼茹.应用SAP 2000程序进行剪力墙非线性时程分析[J]. 清华大学学报:自然科学版, 2005, 45(6): 740-744.

SAP 2000在桥梁抗震性能分 析中的应用
主讲：程东亚
学号：073412106
目 录
1 引言 2 仿真模型建构方法 3 特殊单元应用
4 分析计算方法 5 结果处理 6 工程实例
1. 引言

SAP 2000 是美国 CSI 公司开发研制的结构静动力分析有限 元软件 , 具有用户界面直观、易操作、结构动力分析功能 强大、非线性单元种类多等特点 ,因此 SAP 2000 尤其适用 于土建结构的动力分析 , 在桥梁抗震性能分析领域内也占 据重要地位。 Nhomakorabea梁端
跨中 左塔顶 右塔顶
0.251
0.440 0.251 0.440 0.221 0.389 0.223 0.391
0.044
0.133 0.044 0.133 0.040 0.126 0.046 0.128

根据列表结果可以看出 ,考虑塔梁间纵向阻尼器和滑动支座摩擦等非 线性因素的影响以后,自锚式悬索桥在纵向+竖向地震作用下的塔柱及
图 3 SAP中Damper单元M axwell 模型

Link型单元中的Gap用以模拟梁体碰撞受力性能,需要设置open和 刚度等参数. SAP 2000的Gap单元采用线性弹簧模型,即弹簧与间 隙单元串联的形式,见图4.其中open为间隙单元参数,反映碰撞体 间的间隙距离 ,必须为0或正值 ;刚度参数是线性弹簧模型中弹簧 部分的刚度,用以模拟碰撞时的碰撞刚度.

2 特殊单元应用

SAP 2000除了提供常用的梁单元、索单元、面单元等 ,还为抗震分析 特别设置多种多样的非线性单元用以模拟各类支座、阻尼器、梁体碰
撞、防落梁挡块的特性,这是其他许多有限元软件难以做到的 ,因此也
是SAP 2000在桥梁抗震分析中的一大优势.

此类非线性单元多用 Link 型单元模拟 , 而 Link 单元又分为多种类
利用SAP 2000对桥梁结构进行抗震分析的步骤主要包括前处 理、计算分析和后处理等3方面,其程序架构见下图.
图 1 SAP2000桥梁抗震分析程序架构
1 仿真模型建构方法

与其他大型有限元程序一样，SAP 2000几何物理模型的建立也由 2条 线构成: 1条是由“节点—单元—结构”组成的几何模型；另1条是由 “材料—截面—单元”组成的物理模型。 SAP 2000提供多种土建常用材料的属性 ,例如混凝土材料、钢材、铝 等,也可根据用户需要自定义相应的材料特性 . SAP 2000同时还提供 多种截面形式,如框架截面、索截面、面截面等,在框架截面中不仅有 各类标准化的钢结构构件,也提供各种规则截面形式包括圆形、矩形、 圆环等,还可以根据用户需要自定义截面特性,即直接给出截面面积、 惯性矩、抗扭惯矩等常数。
图 4 SAP中Gap单元线性弹簧模型
图 5 Gap单元模型的力)位移曲线示意意图
3 分析计算方法

动力特性分析是桥梁结构抗震性能分析的最基本内容之一 . SAP 2000 在分析结构动力特性时有特征值法和利兹向量法两种.在计算时利兹向 量法分析效率较高,一般的桥梁结构进行前500阶振型分析约需数分钟. SAP 2000在动力特性分析上比其他有限元软件效率高.