SAP2000的特殊功能——截面切割与节点区

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SAP2000的特殊功能——截面切割与节点区
李立 张洪伟
(北京金土木软件技术有限公司 100044)
1 截面切割
“截面切割”是SAP2000中用于求解合力的有效工具。

通常，截面切割有三种使用方式：1）直接绘制；2）定义组输出；3）定义四边形切割面。

下面以一个算例来说明三种方式的具体应用。

如图1，工字形截面的简支梁，线单元模型计算分析后得到自重作用下的跨中弯矩为9.42kN.m 。

以面单元建立一个完全相同的模型，试通过截面切割的方法求解跨中弯矩。

图1 线单元模型跨中弯矩
方法1 ：直接绘制
显示应力云图，将3D 视图（图2上）调整为立面效果，此时仍具备3D 的投影关系（图2下），在此视图中，沿梁的跨中位置绘制截面切割线，在弹出的对话框中即可得到合力结果。

如图3，通过方法1计算得到的跨中弯矩为9.69 kN.m 。

图2 面单元模型应力图
在显示合力结果的对话框（图3）中，需注意以下几点： 1）截面切割线的起始点、结束点用于确定求和范围。

其坐标值一般需要重新输入，以确保准确的切割位置。

这里需要输入点的X 、Y 坐标，对应屏幕上水平和竖直两个方向，注意不要和模型整体坐标系的X 、Y 方向混淆。

2）合力点位置在默认情况下取起始、结束两点坐标的平均值，根据实际情况可人为修改。

“角度”值为截面切割合力的1轴与整体坐标系X 轴的夹角，正值代表从上向下看逆时针方向的夹角。

因而“角度”就确立了合力1、2轴的方向。

图3 绘制截面切割结果显示框
3）当“角度”值为零时，合力1、2、Z 轴代表整体坐标系的X 、Y 、Z 。

左、右侧分别代表截面切割线的两侧，左右的区分与切割线的方向和“角度”相关。

一般地，可以通过合力值的正负号来判断左、右两侧会更加方便。

本例中，首先进行了视图调整，这是由于“直接绘制”法更适用于平面/立面显示的视图，或具有平面效果的3D 视图，这样才能准确地描述切割的范围和对象。

在一个任意方向显示的3D 视图中绘制截面切割，通常是没有明确意义的。

此外，截面切割线不宜通过单元节点，这样会给合力统计带来问题。

所以在绘制截面切割时要避开节点位置。

方法2： 定义组输出。

选择位于跨中的面对象以及相应临近跨中一侧的节点（图4），将其定义为一组。

再使用定义截面切割命令，选择截面切割的定义来自于组（图5）。

通过“显示表格”命令中“结构输出”一项中“Section Cut Forces ”表格即可查看合力。

如图6，通过方法2得到的跨中弯矩值为9.70 kN.m 。

图4 选择面对象及节点定义到组
图5 定义截面切割来自于组
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图6 组的合力结果输出
该方法的关键是组的合理定义。

组中不仅包括求和的对象，还应有对象在求和位置上的节点。

例如本例中，选择跨中附近的面对象及其靠近跨中一侧的节点（图4），SAP2000将在所选节点的位置进行求和。

方法3：定义四边形切割面。

在图5中可以看到，定义截面切割的另一种方式——来自四边形切割面。

本例中，定义一个空间中位于跨中附近、平行于Y 、Z 轴的切割面（如图7中四边形节点坐标值所示）。

同样通过“显示表格”命令可查看切割面切到的所有单元的合力。

如图8，通过方法3得到的跨中弯矩值为9.70 kNm 。

图7 定义切割面
图8 切割面的合力输出
注意，在定义切割面时，X 坐标输入值为2.99m ，而不是跨中的X 坐标3m 。

这是由于X ＝3m 处存在单元节点，而切割面的空间位置不宜通过单元节点，故取相邻位置。

方法2，3都是通过命令“定义>截面切割”来实现合力计算，合力点的位置和合力方向在对话框中确定。

默认情况下，合力点的位置是所有对象点坐标的平均值，合力方向（分析内力）1、2、3轴与整体坐标的X 、Y 、Z 相对应。

综上，绘制截面切割（方法1）简单易行，但要注意选择合适的显示视图；定义截面切割（方法2、3）使得求和对象明确，使用更灵活。

当统计某个构件局部的内力或若干构件共同承担的合力时，截面切割都是一个便捷的工具。

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2 节点区
节点区在SAP2000中主要是用来模拟钢结构节点的非刚性连接属性。

在结构分析中，对于整体浇筑的混凝土结构，假定节点区为刚性是符合实际的，但是对于钢结构，其节点连接刚性普遍不如混凝土的刚性大，并且采用不同的连接形式的节点，刚性差异也比较大，故钢结构的节点假定为刚体是不符合实际的，为了真实地模拟出钢结构节点连接的这种非刚性连接属性，需要对该节点进行节点区的指定。

通过节点区的指定可以定义相交杆件在节点位置刚性的主次关系
和刚度大小，输出的结果也是按照两个节点分别输出，虽然这两个节点在几何位置上是一个点，但作为主、次杆件的两个端点将分别得到内力和位移。

图9 定义节点区对话框
(1)连接性的定义
节点区的连接性定义节点区连接构件的属性，连接性区域中有两个选项：梁到其它对象、支撑到其它对象，即梁和其它对象、支撑和其它对象的连接节点区。

对于节点连接，SAP2000将产生两个分离的节点来模拟节点区，所有梁构件与这两个节点中的一个相连，而所有的柱构件与另一个节点相连。

这两个节点通过与具有节点区指定属性的一个零长度弹簧相连，该弹簧的属性可通过连接属性来定义。

图10 连接性示意图
(2)连接属性的定义
a. 来自柱的弹性属性。

选择该项，相当于是把柱子的主轴和次轴弯曲刚度赋值给节点区的零长度弹簧。

b. 来自柱和叠合板的弹性属性。

选择该项时，需要指定一个叠合板的厚度，相当于是把柱的腹板厚度改为最初的腹板厚度加上一个叠合板的厚度，并计算这个修改后的截面属性。

程序会根据这个修改后的主轴和次轴的弯曲刚度赋值给节点区的零长度弹簧。

c. 来自指定的弹簧属性。

选择该项时，需要给节点区的零长度弹簧赋予主轴和次轴的弯曲刚度，单位为：kN.m/rad 或者N.m/rad 等，依据主单位而定。

该值的计算可依据弯矩与曲率之间的关系：
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EI M =
ϕ，并由此得到弯曲刚度为：ϕ
M =
EI 。

d. 来自指定的连接属性。

该选项主要是为节点区指定一个连接单元属性，代替程序默认的零长度弹簧。

首先要定义一个连接单元才能激活该选项。

注意对于前三项定义的节点区连接属性是针对梁、柱节点而言的，第四项不仅可以定义梁、柱节点的连接属性，还可以定义支撑到其它对象的节点区的连接属性。

(3)节点区的输出约定
SAP2000可以输出节点区的位移、变形和内力分析结果，SAP2000中对输出结果有确定的输出约定。

a.位移输出约定。

给节点指定节点区后，程序在节点区会产生两个节点（如前述的1、2节点），这两个节点之间可以产生差异平移。

因而SAP2000中可以输出模型中节点区两个节点全部6个自由度方向的位移。

图11 节点位移输出
b.内部变形输出约定。

给节点指定节点区后，节点区内部分离出来的两个节点之间会产生差动平移和旋转，使节点区产生内部变形。

SAP2000可以输出节点区的内部变形。

图12 节点区变形输出
c.节点区内力约定。

节点区内力输出的意义在于：显示有多少不平衡的荷载通过节点区传递。

如：连接梁柱节点的节点区内力可说明有多少不平衡弯矩从横梁传递到柱。

节点区单元是零长度单元，其内力计算同连接单元的内力计算。

图13 节点区内力输出
利用SAP2000节点区这一特殊功能，可以较为真实地模拟出钢结构节点的非刚性连接属性，这对于钢结构的节点设计具有一定的参考和指导意义。