场馆结构的SAP2000的应用

摘要：场馆结构多采用混凝土框架-钢屋盖、混凝土框架-钢支撑-钢屋盖、混凝土框架剪力墙-钢屋盖等结构体系。从计算角度讲，主要的问题有：整体结构力学属性的模拟、大跨屋盖支座力学属性的模拟、预应力索的模拟、温度应力的模拟、网壳整体稳定等混凝土和钢构件计算长度的选取或确认等等。

关键词：大跨结构、支座、力学属性、预应力索、温度应力、网壳整体稳定、计算长度

Abstract: the venue is used more concrete frame structure-steel roof, concrete frame-steel support-steel roof, concrete frame shear wall-steel roof structure system. From the Angle of speaking, the main problem: the whole structure mechanics properties of the simulation, big span roof in mechanical properties of bearing of prestressed cable simulation, the simulation, the simulation of temperature stress, net shell whole stability of the concrete and steel components selection of length calculation or confirmed, and so on.

Keywords: big span structure, bearing, mechanics properties, prestressed cable, temperature stress, net shell overall stability, calculation of length

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

一、场馆结构的模拟加载

对于轻屋盖，目前在整体计算时一般不考虑屋面板的作用。屋面荷载可以通过几种方式施加。

对于桁架体系，一般将屋面荷载（如杆件自重、风荷载、雪荷载、活荷载、吊挂、装饰等）手工折算出来并施加在檩条上。2是使用面对象去指定。

对于网架、网壳等体系，无法方便地直接施加在杆件上。借助一些专业的软件去计算风荷载，例如SFCAD等等。

如果采用SAP2000进行屋面荷载模拟，则需要在计算模型中采用刚度很小或为零的面对象模拟实际的屋面板，并将屋面荷载施加在这些面对象上。对于某些荷载，如螺栓球、焊接球等自重，与结构整体自重有一定相关性，而不易通过几何模型模拟其自重时，可以通过增大屋盖杆件自重来模拟，如自重放大1.2，即恒荷载中自重乘数输入1.2。

对于重屋盖，屋面板一般与上弦杆件共同工作。这时可以采用壳属性或板属性的面单元模拟屋面板。当屋面板为混凝土板时，需要注意对施工过程的控制，在施工过程中，混凝土板浇注之后、未形成刚度和强度之前，混凝土板并不能参与整体刚度，这一点与整体计算模型不一致，因此需要进行施工过程验算，这一点与组合梁验算类似。另外，由于混凝土板正常工作时可能带有裂缝，对于这种现象可以通过对混凝土板的刚度折减来模拟。

场馆结构涉及的荷载有恒载、活载、风载、地震荷载、温度荷载等。与一般高层建筑结构不同的是，某个风荷载工况中可能同时包括水平风荷载和屋盖的竖向风荷载，而且要考虑温度荷载的作用。

对于风荷载，可以手工计算出其各个高度的荷载值并施加在构件和屋盖上，也可以通过虚面的方法施加。温度荷载不能自动参与荷载组合，需要手工定义或修改荷载组合，将温度荷载工况包括在荷载组合中。

二、索结构部分

场馆结构或其他大型公共建筑结构中，经常用到索结构等。这些结构体系中，索可以采用SAP2000中的索单元模拟，也可以通过框架单元模拟。这些索的作用可以作为客服水平力的受力构件，亦可以类似于桁架结构中的下弦拉杆，其几何非线不明显。采用框架单元模拟索时，首先定义一种索的材料属性，然后定义一个实心圆形截面模拟索截面。可以对索指定两端铰接或将其抗弯抗扭刚度修正得较小，事实上，由于索的几何特性，即使不设置铰接，其抗弯和抗扭刚度对分析结果一般也没有明显影响。也可以对索指定拉/压比限定；当采用拉/压比限定时，需要将分析工作设定为非线性分析才能起作用。使用SAP2000中的索单元模拟时，需先对索进行初始找型，只用变形后的几何刚度，其余所有工况要基于索的非线性终点刚度来进行，如上图的分析工况树。

通过分析结果可以较为明确地查看各种荷载下，尤其是上吸风作用下索是否退出了工作，因此，当确认索在荷载作用下不会退出工作，也可以不对其指定拉/压比限定，并通过线性分析工况来完成分析。索的预拉力可以通过负温度施加，索预拉力荷载可以单独作为一种荷载工况，也可以直接对索施加荷载工况为恒载的负温度荷载。索初始拉力的确定过程有一个试算的过程，首先对索施加负温度荷载，进行分析之后查看索实际内力值是否达到要求。如不满足，则修改负温度值，重新施加负温度荷载。对于张弦桁架等结构体系，多数情况下其中的索预拉力并不大，仅是为了在施工中绷紧索并保证上吸风作用下索不退出工作。

三、支座模拟

支座模拟是场馆结构中较为复杂且较为关键的一个方面。在支座模拟时，首先要明确支座本身的力学属性，多数的支座允许在跨度方向上转动，在平动自由度上，可以分为铰接、滑动、弹性固定（即弹簧连接）。支座的铰接和滑动可以对柱子指定顶部的弯矩和剪切释放来实现。当支座为弹簧连接时，可以采用连接单元模拟弹簧，通过连接单元的刚度值反映弹簧支座的刚度。

一般的，如果作为组合结构（eg，上部网壳，下部混凝土结构），建议分为两个力学模型来计算，整体计算一次，再以大跨度空间结构单独计算一次，那么单独计算的部分的支座模拟就一定要模拟正确，要明确连接的支座的力学属性。

四、设计

一般情况下，屋盖构件的这两个参数均为1.0，即计算长度系数默认为1.0。如果需要修改计算长度，可以通过这两个参数进行修改。对于檩条，不需要考虑其面外稳定问题时，可以将其覆盖项中的次方向无支撑长度比设置为一个小值，如0.1。

SAP2000覆盖项中的“是否轧制截面？”（”Is Rolled Section?”）一项默认为“Yes”，即默认采用轧制截面，当采用焊接截面时，需要修改此项为“No”。例如，对于管结构，当采用焊管时，即需要将此项改为“No”，这样程序才能将截面判别为B类截面。

如果要进行构件优化设计，则需要在分析之前就定义自动选择截面。优化设计时，当进行一遍设计之后，点击设计>钢构件设计>校核分析和设计截面命令，可以知道本次优化设计中，改变了多少个构件截面。如果发现本次优化设计中仍有一批构件截面被改变了，则需要重新运行分析并重新设计。设计合理后置为空。

一定要注意杆件的设计类型是否符合实际情况。

对于索，可以直接提取其构件设计内力来进行设计。例如，取索的破断力，除以索的最大设计内力，得到的系数要大于等于安全系数。