STAAD__manual_for_website-940307简易中文手册

上康科技有限公司 版權所有 STAAD/Pro 手冊STAAD/Pro软件功能及理论解说1.1 STAAD/Pro的结构型式STAAD/Pro（简称STAAD）能够分析及设计含有杆件、板/壳及实体元素的结构体。STAAD可分析的结构型式有四种：SPACE 是三维的构架结构，载重可以放在任一平面上，这是最普遍使用的型式，如大楼或厂房等。PLANE 是二维型式的结构，限制在世界坐标的X-Y平面，载重放在同一平面上。TRUSS 是指结构杆件都是TRUSS杆件，它只能承受轴向力而不能承受力矩。FLOOR 是指没有水平力矩的（X , Z）二维或三维【FX，FZ & MY是限制在任何节点上】结构，建筑物的地板是FLOOR最典型的例子。不受水平力的柱（column）也是FLOOR的一种，假如柱受水平力则属于SPACE的型式。正确地设定结构种类可减少所需的方程式数目以达快速经济的目的。各类型结构的自由度定义如下图1.1所示。图1.11.2 结构几何与坐标系统 一个结构是由一些组件如梁（beams）柱（columns）板（slabs）和平板（plates）等组成，在STAAD中构架元素（frame elements）和板面元素（plate elements）是用于建立结构模型的。一般来讲，建立模型结构几何有两个步骤：A、定义与描述接点（joints）或节点（nodes）B、将接点连接以形成杆件（members）或元素（elements）。 一般来讲MEMBER（杆件）这个词用来指构架的元素，ELEMENT（元素）用来指平面或曲面元素，MEMBER INCIDENCE指令用来定义杆件，而ELEMENTS INCIDENCE指令则用来定义元素。STAAD用两种坐标系统来定义结构几何和载重方式。（GLOBAL）世界坐标系统是用来表现整体几何与结构的载重方式。LOCAL局部坐标系统是用来帮助与每一个杆件或元素有所关联，且用在MEMBER END FORCE定义输出结果和局部载重方式。世界坐标系统以下坐标系统可以用来标明结构几何：A、直角坐标系统：此坐标系统X，Y，Z轴成直角相交，并遵循右手定律。这种坐标系统可用来定义接点位置及作用力方向。图1.2中位置自由度以u1，u2，u3而旋转自由度以u4，u5及u6表示。图1.2B、圆柱坐标系统：此坐标系统中以R（半径）及（转角）取代直角坐标的X，Y平面，Z轴与直角坐标相同，而方向则以右手定律决定。见图1.3。图1.3C、反圆柱坐标系统：此坐标系统与圆柱坐标相似，但以R-（半径及转角）取代直角坐标之X，Z平面，Y轴与直角坐标相同，方向则以右手定律决定。见图1.4。图1.4局部坐标系统 在每一杆件上我们用局部坐标系统，所有的局部直角坐标都遵循右手定律。图1.5中说明一结构杆件，其正X方向为从i到j（i为起点，j为终点），Y，Z方向由右手定律决定，且与截面的两个惯性轴相吻合，如图1.6所示，局部坐标永远是直角坐标。图1.5图1.6因为杆件于整体结构上是有方向性，所以正确的定义出每一杆件之局部坐标与世界坐标的关系是十分重要的，以下将详述这种关系的定义。Beta角以直立柱为例，局部坐标的x轴平行于世界坐标的Y轴时，Beta角的定义为局部坐标z轴平行于世界坐标Z轴时为0如果局部x轴不平行于世界坐标Y轴，Beta角定义为局部z轴平行于世界坐标X-Z平面时为0。下图1.7详列各种BETA角为90及0的情形。图1.7参考点另一种定义杆件方向的方法为输入一坐标或接点编号，它就是一个参考点，位于在杆件上的x-y平面，但不在杆件的轴向，程序可自动由此参考点的位置计算出杆件上x-y平面的方向。1.3 有限元素数据STAAD有板/壳及实体等有限元素组件。板/壳元素板/壳元素为三个点（三角形）或四个点（四边形）组合的元素。如果四边形元素的四个点不在一个平面上，最好是使用三角形元素，在不同的节点上可以有不同的厚度。此元素可以用来仿真表面结构，如墙、水泥板、平板及壳等。STAAD提供MESH GENERATION这种功能，它能自动将一大面积切成细小的网状元素。ELEMENT PLANE STRESS指令能用来对各元素做PLANE STRESS的功能。板/壳元素的建立规则 (几何模型)1）在各元素的中心，程序自动产生第五个节点，见图1.8。2）当设定元素中各节点数据时，必须依顺时针或逆时针方向设定，见图1.9。为提高效率起见，相似的元素应有连续的节点数字。3）元素之长宽比不可太离谱。应大致为1：1，希望别超过4：1，见图1.10。4）每一个元素都不可太扭曲。元素任何两边的夹角不可大于90太多，且不可超过180，见图1.11。元素受力以下为元素受力的的种类：1）元素节点上之节点受力，在世界坐标方向。2）元素上的集中受力，在局部或世界坐标方向。3）元素面上的均匀压力，在局部或世界坐标方向。4）元素面上的部份均压，在局部或世界坐标方向。5）在元素面上的线性受压，在局部坐标方向。6）因温度均匀增加或减少产生的温度作用力。7）元素上下面温度不同而产生的温度作用力。理论基础STAAD的板有限元素是建立在混和有限元素的基础上，基本上我们是设定了一个完整的二次力的分布，对于平面应力的作用，以下是应力的分配方式。完整二次力的分布如下：对于板面弯曲的作用，以下为二次力的分布：完整二次力的分布如下：以下为板/壳有限元素的一些重要特征：1）在一元素上之平面应力分力及邻接元素之弯曲分力所造成的位移兼容性（两元素之间有一角度存在，见下图）在大部分的板/壳元素是可忽略的。2）由每一元素的平面应力所产生的平面外之旋转刚性（rotational stiffness）是有效结合并且不被替代成Dummy，是一般商学软件容许的。3）将上述旋转刚性度结合是绝对符合于试验（patch test）4）这些元素可为三角形或四边形，只有在角上有节点，每一节点有6个自由度。5）这些元素是板/壳元素的最基本单位，是由在元素角上具6个自由度的节点组成。假如一大平面为这些元素组成，可快速地收敛而得到精确的解。6）这些元素可以连接到平面或空间的结构杆件上。7）平面弯曲公式包括了平面外的剪力应变能（shear strain energy），因此使用poisson边界条件来计算元素的反应，这比一般用kirchoff边界条件要精确多了。8）板面的弯曲部分能处理厚的或薄的板，能解决多样性的问题。此外，当计算平面外剪力时，是考虑板的厚度。9）平面应力三角形与有名的线性应力三角形几乎是相同的。这些三角形与收敛速度非常慢的常数三角形结合。因此这些三角形曲面元素能够有效的解四边形元素不易解决的双曲度问题。10）在元素中任何一点都可以取得应力。元素的局部坐标系统以下的做法可以得到正确的局部坐标方向：1）指定三角形或四边形元素各边的中点。如M，N，O，P在I J，JK，KL，LI上。2）从P到N的向量为局部坐标X轴。如在三角形上，X轴则平行于I J。3）局部坐标Z轴决定于PN与MO之外积，（如在三角形上，则为ON与MK之外积）如z =PN MO。4）由Z轴与X轴的外积决定局部坐标Y轴，y = z x x。下图1.12可较易明白各轴的方向。图1.12元素力输出ELEMENT FORCE可在以下地方输出：A.元素的中心点B.元素各角上的节点C.在元素内的用户自定的任一点以下各项为ELEMENT FORCE的输出项目：SQX，SQY 剪力（力/单位长度/单位厚度）SX，SY，SXY 平面力（membrane force）（力/单位长度/单位厚度）MX，MY，MXY 每单位宽度之弯曲力矩（力矩/单位长度）SMAX，SMIN 主轴应力（力/单位面积）TMAX 最大剪应力（力/单位面积）ANGLE 主轴平面的转角（度）VONT，VONB Von Mises应力请注意：1、以上各项都是在局部坐标上，各项的方向及定义，可参考图1.13。2、如果要得知元素上任一指定点的输出，您必须提供元素的坐标系统，必须以中点节点为原点。3、主轴应力（SMAX & SMIN），最大剪应力（TMAX）及主轴平面方向（ANGLE）各项分别对元素上方及下方计算。上下方向决定于局部坐标的Z轴。图1.13请注意以下各项为STAAD中有限元素的限制：1）构架杆件及有限元素可同在STAAD中分析，但ELEMENTINCIDENCES指令必须紧跟着在MEMBER INCIDENCES指令之后。2）元素本身的重量是以外力作用于连接的节点上来考虑，并不是以元素外来压力的方法来考虑。3）元素应力是在元素的几何中心及节点印出，而不是在各边上印出。4）如图1.13的应力， Von Mises应力于元素的上下面亦可印出。元素的编号在产生元素刚性矩阵时，程序会检查此元素是否与前一元素的相同，如果是相同的，程序不会再从新计算一遍。计算元素的顺序是根据元素输入的顺序。因此，为了节省计算时间，相同形状的元素应排在一起输入，图1.14列出有效率及无效率等两种顺序。用户必须在有效率的输入顺序及定义结构几何形状的难易程度上考虑，而得到一最适当的输入顺序。图1.14实体元素实体元素提供了3D结构上普遍三维应力问题的解决方法。如应力分布的具体控制方法，在混凝土水坝，土地及振动方面，实体元素提供了强大有用的工具。基础理论在STAAD里实体元素使用了八个点，这些元素的每一个点有三个移动方向的自由度。一个八个点构成的实体元素可以退化成四到七个点如下图所示：实体元素的八个Gauss-Legendre点的劲度矩阵是被积分出来的。是由数值的整合，元素的几何是使用自然坐标系统由插入函数来产生，元素的重心位于（r , s , t）。插入的函数如下所示：，x，y，z是元素中任何一点的坐标，i =1,.,8是节点在世界坐标上的坐标。函数hi被定义在自然坐标系统（r , s , t ），r , s , t变量在1及-1之间，插入函数的未知数hi在自然坐标系统中是一致的在i节点上，0是元素上其他所有的点。元素的位移和几何是同样的方法，完整函数如下： ， ， u，v，w是在元素的任一点位移，而，i =1,8是在坐标系统内一致的点位移以使用来描述该几何。三个额外位移“bubble”函数，它在表面上的位移是0，且加在每一方向来修正成3333的剪力矩阵，静态在转角接头则固定的减少成2424的矩阵。实体元素的局部坐标系统局部坐标系统是相同于世界坐标系统，如图1.15：图1.15性质及常数不像是杆件和板/壳元素，实体元素是不需要性质的。在任何情况下，必须给定弹性系数及卜松比。而且当有自重作用于任何载重状况时，必须给定密度值。元素应力输出元素应力可在中心和实体元素的节点得知，输出项目含：一般应力 ：SXX，SYY 与 SZZ剪 应 力 ：SXY，SYZ 与 SZX主要应力 ：S1，S2 与 S3von mises 应力： 方向余弦：6个方向余弦将随着DC符号被输出，且对应首两个主要应力方向。1.4 杆件性质STAAD提供下列几种方法来指定杆件的性质：A）PRISMATIC性质指定B）标准钢材形状数据库C）用户自定义的规格库D）渐细型断面，TAPPERED断面E）ASSIGN指令Primatic性质基本断面需要以下性质：AX=断面面积IX =扭转常数IY =对Y轴的惯性矩IZ =对Z轴的惯性矩此外，您也可选用以下各种性质：AY=平行于y轴的剪力作用面积AZ=平行于z轴的剪力作用面积YD=平行于y轴之断面深度ZD=平行于z轴之断面深度对于T形梁或楔形梁，另外需要以下性质：YB=T断面腹版高度ZB=T断面腹版厚度或楔形截面之底宽对于T形梁，必须有YD，ZD，YB及ZB的值，对于楔形梁，必须有YD，ZD，ZB值。如果输入剪力作用面积，在分析时，程序会自动考虑剪力变形。如果没有输入此项，剪力变形将不被考虑。断面的两个主要深度YD及ZD会被用来计算断面模数。但这只在计算杆件应力或在做混凝土结构设计时才会用到。所以在不需要时，并没有必要输入YD及ZD值。YD及ZD的值自动设定值为254mm（10 inches）。所有的性质都是以局部坐标输入的。对混凝土而言，不需要AX，但是方形断面需YD及ZD，而圆形断面只需YD。如果没有输入惯性矩或剪力面积，程序会自动从YD及ZD中计算出来。表1.1列出各种结构所必须输入的断面性质。对于PLANE或FLOOR两种结构分析，所需要的惯性矩由BETA角决定。假如BETA角为零，所需的值为IZ。表1.11.5 杆件/元素之作用力释放STAAD刚建立时所有杆件/元素在接点处是赋予刚性的，在设计某些地方不是完全刚性时，使用MEMBER RELEASE指令可将构架杆件一或两端的分力设为零。之后在分析时，这些自由度便不再考虑。释放分力是在局部坐标上执行。另外STAAD也提供PARTIAL MOMENT RELEASE力矩释放指令。1.6 桁架/纯压杆件/纯拉杆件以桁架为例，杆件上只承受轴向力，有两种方法来指定它；当所有杆件皆为桁架时（只受轴向力），使用TRUSS指令来指定这种结构种类；如果只有某些杆件是属于桁架时，在各别只受轴向力的杆件上使用MEMBER TRUSS指令。 在STAAD中，以MEMBER TENSION或MEMBER COMPRESSION指令来定义纯拉杆件与纯压杆件。1.7 缆线（Cable）CABLE MEMBER指令是用来指定缆线型式的构架杆件。当使用此指令时，必须设定缆线的初始张力。下段将解释缆线的刚性计算。缆线受力时长度的增加受两种因素影响。其一为弹性关系，方程式如下：其二为因几何型式改变而导致的增长，如拉紧或下垂。下式代表其关系：其中：缆线单位长度重量T 缆线张力缆线的轴与水平面的夹角（0缆线为水平；90缆线为垂直）因此缆线的刚性系数决定于架设时的张力或下垂。这两种效应可合并如下：注意：当 T=infinity ， = EA / L T=0 ， = 0由上式可看出，当张力增加（或下垂减小）时，刚性公式渐趋近于纯粹的弹性公式。1.8 杆件偏位（member offset）当结构上的一些杆件不是交会于一点时则会产生偏位，或当连接点对方的尺寸太大，如下图杆件1的实长会相差太多的情况下，就要使用MEMBER OFFSET指令。这是以世界坐标或局部坐标的X，Y，Z来表示（以交会点为原点）。在分析结构及计算杆件力时会加以考虑由于偏位所导致的二次力。杆件上新的偏位型心（offset centroid）可在接合的起点或端点，而新的工作点（working point，wp）将会在杆件的新的起点或终点。图1.161.9主从接点（Master/Slave）对于刚性链接结构系统地板隔板，可使用主从接点的观念（Master/Slave），从接点（slave joints）被设定为与主接点（master joint）有同样的位移。使用者可在不同的自由度上，对从接点的位置设限。如果所有的自由度（Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz）都加以限制，这接点是刚性连接（rigidly connected）。1.10作用力在结构中的作用力分为接点受力，构架杆件受力，温度作用力及固定端受力。STAAD会自动产生结构的自重，它以均匀分布力来模拟构架杆件的自身重量。1.10.1作用力产生器STADD具有产生移动受力及横向地震力（Uniform Building code）的功能，由以下两种方法输入：1）定义作用力系统2）用上次定的作用力系统产生初始受力。下面将叙述移动受力，地震受力及风力产生器的一些重要特征。移动作用力产生器这项功能可在结构上产生移动载重。移动载重包括在使用者自定义的平面上一定长度的受力，在平面的两个方向上移动。用户可设定不同移动受力的顺序，程序在分析时会自动考虑。AASHTO，1983的设计标准可在此使用（American Association of State Highway and Tranportation officials）。UBC地震力产生器STAAD地震力产生器是根据UBC等值横向力方法来分析。横向作用力于X及Z方向而重力是在Y方向。因此对一建筑物而言，Y方向是垂直于地板方向上。用户必须自行建立模型，STAAD会用正确的UBC公式，自动计算横向合力或基底剪力。也可使用UBC1985及1994年的规范。除了使用UBC的近似公式计算建筑物在特定的周期外，也可以使用Raleigh商数法来计算，此周期可用来计算地震系数C。在算出基底剪力（base shear）之后，根据UBC规范，作用力会分布在建筑物各层及屋顶上。在分析设计过程中，横向力会被当成一般受力来计算。风力产生器STAAD的风力产生器根据使用者设定的风力强度（intensity）及受风系数（exposure factor）来计算作用于结构上的力。在不同的高度可以有不同的风力强度。建筑物的开口可以受风系数来模拟。受风系数设定在每一接点上，其定义为结构体中受风力影响面积的比例。程序可以自动计算在空间结构上的风力并将此横向力分布在接点上。1.11 STAAD提供之分析方法1）刚性分析线性静态分析2）二次静态分析P-DELTA分析非线性分析多线性弹簧支承纯拉杆件/纯压杆件3）动态分析历时分析（Time History）反应谱分析（Response Spectrum）以下详述各种分析法的特征。理论基础及详细分析方法可参考结构工程教科书。刚性分析线性静态分析SATAAD的刚性分析是以矩阵位移法为基础。在构架矩阵分析时，首先将结构化为不连续分量的组合（杆件或元素），每一分量假定位移必须满足力学平衡及接点位移兼容两种条件。像水泥板(slab)，平板(plate)，或桩脚(spread footings)等，将外力向两个方向传递。这些结构必须被切割成数个有限元素，以节点相互连接。外力可以均匀压力作用于元素面或以集中力作用于接点上。平面应力及平板弯曲在分析时都加以考虑。分析方法假设在对结构做完整分析，矩阵是根据以下的假设：1） 结构必须是理想化成杆件（beam）与平板（plate）及实体(solid)三种元素以节点连接在一起。这组合在节点上受集中作用力及反应力。这些受力可以是在任意方向的力或力矩。2） 杆件（beam）为一长型结构杆件，具有不变，对称，或近似对称三种截面，杆件永远受轴向力。杆件也可承受作用于任意两个垂直面上的剪力及弯矩，或是扭力。3） 平板（plate）是一个三或四节点的等厚平面。实体元素(solid)是一48节点的三维元素。4） 作用于任一节点上的内力或外力必须在平衡状态。假如有扭矩或弯矩时，每一节点的6个自由度都必须加以考虑（三个平移和三个转动自由度）以建立矩阵。如果是桁架杆件（truss member）时，因只受轴向力，所以在每个节点只考虑三个自由度（平移）。5） 局部坐标与世界坐标都被用来产生矩阵。为了将元素劲度矩阵的计算功夫减小及一般化。局部坐标轴须在每一元素上建立而且加以旋转。世界坐标是所有理想化元素的共同数据，因此元素力及位移可以建立在此共同的构架上。基本公式将不同杆件及元素的劲度矩阵系数做对称相加，便可形成一个完整的结构劲度矩阵。作用在结构上的外力则以作用在节点上的不连续力来表示。劲度矩阵与外力及节点位移的关系如下：此关系式包括所有的接点，不管是可自由移动的或是被支点限制住的。可自由移动的接点的位移分量称为自由度，自由度的数目即为分析时未知数的数目。位移的解法多元联立方程式有许多种解法。在结构中常用分解法，STAAD也是采用此方法。所有的线性弹性结构的劲度矩阵永远是对称的，利用修正过的Cholesky法来分解十分便捷。在解联立方程式时，修正过的Cholesky分解法非常精确快速而且完全适合于高斯消去法（Gaussian elimination process）。带宽的考虑用分解法来解带宽矩阵时效果非常的好。因为在带宽部分之外所有的值皆为零，所以只需要很少的计算。STAAD充分利用带宽来求解。所以使用最小带宽可以使解答最快速。因此STAAD具有在内部从新安排接点顺序的功能，以使带宽变小。二次静态分析STAAD能够做二次稳定分析。以下将叙述两种方法：简单的一种称为P-Delta分析，复杂的一种称为非线性分析。P-Delta分析因为垂直力作用点的移动，受横向力的结构体通常会受二次力的影响。这种效应称为P-Delta效应，在结构分析中这相当重要。STAAD使用单一的程序将P-Delta分析包含在整个分析过程中。此过程包括以下步骤：1）从外力计算原始位移。2）将原始位移与原来的作用力结合产生二次力。改变外力向量使之包括二次力。请注意正确的P-Delta效应是纵向力与横向力作用一致时发生，而REPEAT LOAD(参考原文手册5.32.11)功能只允许用户将前一原始作用力与现有作用力结合而产生一新的作用力。3）新的刚性系数分析是以修正后的力向量产生新位移为基础。4）以新的位移为基础计算杆件受力及支承反力。此种计算会产生非常精确的结果，可计算到很小的位移量。如果需要的话，STAAD可以反复用P-Delta的过程来计算，使用者可自定义反复加载的次数。ACI 318、 AISC LRFD及IS 456-1978规范建议以P-Delta方法代替力矩放大法（moment magnification methods）以计算更实际的力及力矩。非线性分析STAAD提供几何的非线性分析。非线性分析法结合了几何劲度系数及二次力。非线性分析法一般用于大位移的结构，大位移会使得作用点的移动变得不可忽视，因此二次力是一个重要的考虑。此外，几何劲度系数应用于考虑修正后的几何形状。由于几何劲度系数是由位移产生，因此他们的值会随作用力的不同而不同。非线性分析是随作用力而变的。STAAD的非线性分析方法包括以下几个步骤：1）由作用力计算初始位移。2）将几何劲度系数应用在以观察位移得来的劲度矩阵。新的整体劲度矩阵即是由校正后的劲度矩阵组成的。3）由初始位移产生的二次效应，修正作用力向量。4）解新的联立方程式而得到新位移。5）杆件/元素上的力及支承反力由新位移而求得。6） STAAD的非线性分析允许用户重复以上程序，直到满意为止。重复的次数由使用者自定义。请注意多次重复需要较大的计算机容量，同时会使计算时间明显的增加。使用非线性分析功能时，请注意下列事项：1）因为整个过程与作用力有关，必须适当地使用SET NL及CHANGE指令。SET NL用来设定初始受力的总数。CHANGE用来重新设定劲度矩阵。2）因为几何校正是以位移为基础，所以非线性分析必须包括所有会产生大位移的行为。3）要设定位移的发散误差，需于节点坐标(Joint Coordinates)前加入SET DISP f 指令。假如任何的位移超过f值，则结果就发散且中断。内定的f值是结构的最大总高、总宽、总深除以120。动态分析现有的动态分析功能可解以下三种问题：自由振动问题（Eigenproblem），反应频谱分析及强迫振动分析。特征值解法（Eigenproblem）考虑包括所有自由度的质量矩阵（Lumped Mass Matrix），可从特征问题解出结构振动频率及模态（Mode），有行列式法及反复法两种，依问题大小而定。质量模型（Mass Modeling）结构的自然频率及振动模态是结构在动态受力之下反应的基本因素。解自由振动问题便是为了求得这两个值