Sap2000风荷载工况

曲哲

2008-5-1

越来越发现SAP2000作为一款工程设计类有限元分析软件还是有许多优越性，但任何一个有限元软件，最要命的就是帮助文档不健全。这也是我当初疏远MARC而转投ABAQUS的主要原因之一。帮助文档不健全的一个后果是用户难以方便的学习使用软件；另一个更要命的后果是，用户不能方便的知道自己输入的东西对于软件来说到底意味着什么，结果只能有一个，就是“Garbage in, garbage out.”为了避免发生这种情况，用户不得不对软件中含义不明确的输入参数进行额外的测试，甚至去猜它到底是什么意思。现在要做的，就是通过一些简单的测试算例，去猜测SAP2000中基于我国规范的自动风荷载工况的设置中的一些参数是什么意思。

SAP2000中有两种方式可以定义自动风荷载工况，一种是在受风面（迎风面或者背风面）处建立虚拟面（一般可以用厚度为0的壳单元来建），然后再通过Area Load中的Wind pressure coefficients对该面施加风荷载，这时在风荷载工况的定义应选择Exposure from Area Objects（如图1中的B）；另一种是通过刚性楼板施加风荷载，这时应首先把需要施加风荷载的楼层通过Joint Constrain建立为刚性楼板（Rigid Diaphragm），再在风荷载工况中选择Exposure from Extents of Rigid Diaphragms（如图1中的A），这时不需要再定义任何其它荷载，风荷载会自动施加到各个刚性楼板上。

A

B

图1 SAP2000中基于我国规范的自动风荷载定义对话框

在自动风荷载工况的对话框中，Wind Exposure Parameter，Exposure Height，Wind

Coefficients以及PhiZ Source等四部分中各个参数的物理意义都比较明确，而T1 Source和Other Parameter两部分就比较诡异了。首先，T1 Source选Modal Analysis和选User Defined的分析结果有差异；其次，Other Parameter中的Damping Ratio可能是根据荷载规范的条文说明在计算风振动力系数时要用到，但即使对于低矮的结构，如果令Damping ratio不为零，结果也很诡异。

如果选择用虚拟面的方法施加风荷载，那么还需要填写如图2所示的面风压系数对话框，其中Cp可以理解为对风压标准值的一个修正系数。而下面的Windward和Other两种选择似乎对结果没有什么影响。

图2 面风压系数对话框

下面通过1层和10层两个钢框架来测试SAP2000的自动风荷载工况。它们都是由图3所示的单层框架竖向垒建而成的，框架单元的长、宽、高均为10.0m。在各种测试中，标准风压均设为1.0kN/m2，体型系统均取1.0，Cp也为1.0，场地粗糙度为B。

图3 单层框架结构单元

1. 单层框架测试

结构高度为10m，基本周期小于0.25s（如表1所示），按我国荷载规范计算风压标准值时无需采用风振系数，这时容易根据迎风面的面积直接算出，按规范的风载侧向力总和为100kN，相应的结构基底剪力也应为100kN。

表1 框架的模态

1阶 2阶 扭转 0.140

3阶 X方向平动 0.082

振型 Y方向平动 周期(s) 0.190

在SAP2000中得到的不同情况下的结构基底剪力如图4所示。图中主要比较了不同的风荷载施加方式，以及Damping Ratio的不同取值对结构在风荷载作用下的基底剪力。图例中的“用户周期”是指采用User Defined方式自定义结构的基本周期，但数值等于Modal Analysis得到的基本周期。

首先，如果将阻尼比Damping Ratio设置为0，则无论采用何种风荷载的施加方法，无论选用什么样的基本周期，风荷载下的基底剪力都与规范相符，即为100kN。

其次，一旦阻尼比Damping Ratio不等于0，结构基底剪力将偏离规范值，并且不同施加方式之间也有不同，而基本周期的设置方式与取值也会影响风荷载的合力。实际上对于这样的结构不必考虑风振系数的影响，所以结构基本周期应该没有任何影响。但有趣的是，使用Modal Analysis和使用User Define来定义基本周期时，即使在User Define中设置的基本周期与Modal Analysis得到的基本周期完全一样，计算得到的基底剪力也会不同。

250225200基底剪力(kN)175150125100755000.050.1设定的阻尼比0.150.2虚拟面,计算周期虚拟面,用户周期刚性层,计算周期刚性层,用户周期 图4 结构阻尼比、基本周期以及风荷载施加方式的影响

2. 十层高耸框架测试

结构高度为100m，基本周期远大于0.25s（如表2所示），按我国荷载规范计算风压标准值时应该采用风振系数。

表2 框架的模态

1阶

2阶 X方向平动 1.329

3阶 扭转 1.129

振型 Y方向平动 周期(s) 1.852

当在风荷载工况对话框架设阻尼比为0时，采用两种施荷方式在SAP2000中得到的结构基底剪力均为1604.96kN，而当将阻尼比改为0.05时，采用虚拟面加载得到的基底剪力为2254.46kN，采用刚性层加载得到的基底剪力为2260.96kN。

图5比较了楼层的剪力分布，并由此推测了标准风压的分布，可见：

（1）虚拟面加载时，每个壳单元上的风压是均匀分布的，压力分配给壳与框架相连的

四个点。这也正是当采用虚拟面加载时，结构柱底也会受到集中力作用的原因。

（2）当采用刚性层加载时，SAP2000将集中力作用下刚性楼层上，力的大小等于楼层处的风压标准值乘以刚性楼层的竖直范围。对于中间楼层，该范围为上下两层柱的中央之间；对于顶层屋面，该范围仅为顶层的半层层高；对于底层楼面，该范围为整个底层和半个二层层高。正因为此，底层楼面上作用的集中力会反而大于二层楼面上的集中力。

（3）SAP2000中的风荷载，与规范中不考虑风振情况下的风荷载相当，与考虑风振情况下的风荷载相差很大。

1098765432100100200300400风载合力(kN)10987楼层编号6543210规范(不考虑风振)规范(考虑风振)虚拟面刚性层0123456楼层编号规范虚拟面刚性层500600楼层处平均风压(kN/m2) (a) 楼层处的风载集中力 (b) 楼层处的平均风压

图5 十层框架的分析对比结果

3. 结论

由以上分析，对于使用SAP2000的自动风荷载工况有以下建议：

（1）SAP2000的自动风荷载不能考虑风振系数，对高耸建筑应慎重使用；

（2）若要使用SAP2000的自动风荷载工况，对于使用刚性楼板的结构，可以使用刚性楼板加风荷载，非常简便；如果不适宜用刚性楼板，则用虚拟面加载也是不错的选择，二者相差很少；

（3）若要使用SAP2000的自动风荷载工况，宜在风荷载工况的定义中设定结构阻尼比为0。在有更权威的解释与测试之前，为结构设定不等于0的阻尼比只会使结果难以解释。