地铁车站结构设计方法比较PPT课件

1,-,地铁车站结构设计-内力计算及配筋设计(SAP2000、Mathcad、Excel的应用),ADCMAUNSELLAECOM题注:本次对上述软件进行介绍，其针对性及技术性偏强,操作性偏弱,如讨论一般操作性的或本次没涉及到的其它技术问题可在介绍后讨论,-,2,主要内容:（根据时间情况可能会压缩部分内容）,SAP2000的基本概述在SAP2000中如何实现平面结构和空间结构的建模-坐标系与轴网在SAP2000中如何实现构件布置在SAP2000中如何实现边界条件的设置在SAP2000中如何实现施加荷载在SAP2000中如何实现非线性分析及线性分析在SAP2000中如何实现地下连续墙刚度折减0.7在SAP2000中如何实现视图功能(查及修改截面、荷载及节点属性)；,-,3,在SAP2000中如何取内力在SAP2000中如何计算移动荷载在SAP2000中如何实现多跨连续梁计算（纵向平面框架计算）在ATHCAD中如何计算荷载构件配筋在Excel中如何实现在换乘站中，直接承受火车荷载的构件配筋在Excel中如何实现（表格目前正在编制中，先介绍其思路）用钢量计算在Excel中如何实现；现场答疑（限于时间，只答疑有关地铁设计方面的内容）,-,4,SAP2000针对通用结构，包括桥梁、体育场馆、高塔、工业厂房、近海结构、管道系统、建筑结构、大坝、土壤、机械部分及其他静力和动力分析SAP2000加载方式灵活(PKPM侧向加载限制较多)与一般大型通用有限元程序不同。SAP2000前后处理较方便(如ANSYS需编写指令等),是完全集成的面向对象的分析、设计、优化和数字环境的结构分析和设计软件。可以采用平面、立面和自定义视平面进行功能强大的3D建模，并且可以导入导出包括AUTOCAD在内的常用格式数据文件；,一.SAP2000的基本概述(有些内容同样适用于ETABS,SAFE,有些方面可能有点区别,其分析内核是一样的)-(内容较多,较枯燥,介绍较快,主要是给大家建立一个初步概念,有兴趣的同事可在业余时间看看),.SAP2000功能大致介绍,-,5,.用SAP2000进行结构分析和设计所需要的一般步骤为：,a创建或修改模型，从数字上定义结构的几何、属性、荷载和分析参数。b进行模型分析c查看分析结果d检查和优化结构设计,-,6,.基本术语及基本概念-术语和概念的理解对初步接触该类软件的人员有一定困难,对使用过该类或有一定编程经验的人员来说,较易接受,对其理解是非常重要,本次不作展开介绍,因实际结构总是由这些要素组成,怎样模拟实际结构,采用怎样的手段来实现实际结构设计因人而不同.,1.对象:点对象，线对象，面对象，实体对象1).点对象，有以下两类节点对象：在所有下面的其他类型对象的角点和端点由程序自动产生，它们可以明确地增加以表示支座或捕捉其他局部行为。接地（一个节点）支座对象：用来模拟特殊支座行为如隔震器、阻尼器、缝、分段线性弹簧，以及其他。2).线对象，有两种,-,7,框架/索对象：用来模拟梁、柱、支撑、桁架和/或索单元。连接（两个节点）连接对象：用来模拟特殊单元行为如隔震器、阻尼器、缝隙、分段线性弹簧，以及其他。与框架/索对象不同的是，连接对象可以具有零长度。3).面对象：壳单元（板、膜、壳）用来模拟墙、楼板、其它薄壁单元，也可以模拟二维固体（平面应力、平面应变、轴对称实体）。4).实体对象：用来模拟三维实体附注:作为一般原则，对象的几何应该和实际单元相一致。这样可以简化模型的可视化并有助于设计过程。2.对象和单元之间的关联,-,8,运行分析时，SAP2000自动将基于对象的模型转换为基于单元的模型来进行分析。基于单元的模型称为分析模型，它由传统的有限单元和节点构成。分析的结果自动传回到基于对象模型。可以控制网格划分方式，如细分的程度，如何处理相交对象的连接。也可以选择手工划分模型网格，这时对象和单元是一一对应的关系。3.组组是用户定义的一组命名对象集合。对每个组，必须提供一个唯一的名字，然后选择构成组的对象。它可以包含任何类型的对象。每个对象可以是一个或多个组中的一部分。所有的对象总是内置组“ALL”的一部分。组在图形用户界面中有很多用途，包括选择、设计优化、定义截面切割、控制输出等等。主要用组来定义阶段施工。附注:黄贝岭站现改为盖挖立柱,宜考虑施工过程影响,可采用组定义来模拟,怡景和太安为明挖施工,可不考虑施工过程影响,施工过程加载分析较复杂,-,9,4.坐标系1).整体坐标系整体坐标系是三维右手直角坐标系。三个轴，标记为X、Y、Z，相互垂直并满足右手准则。模型中所有坐标系最终（直接或间接地）相对于整体坐标系来定义。同样的，所有坐标点最终转换到全局X、Y、Z坐标系，无论它们是怎样定义的。2).向上和水平方向SAP2000总是假设Z是垂直轴，Z向上。点、单元、地面加速度荷载的局部坐标系相对于这个向上的方向来定义。自重荷载总是向下作用，沿Z方向。XY平面是水平的。主水平方向是X，水平面的角度从正X轴度量，当从XY平面向下看时，逆时针方向是正方向角度。如果想要在不同的向上方向里工作，可以定义另外一个坐标系。3).定义坐标系,-,10,定义的每个坐标系必须有一个原点和三个满足右手准则相互垂直的轴。指定整体坐标系中三个坐标来定义原点。4).局部坐标系(对其理解很重要,面内与面外有时响应是不同,如墙柱面内面外的弯矩差别较大,易混淆)结构模型的每部分（节点、单元、束缚）都有自己的局部坐标系用来定义属性、荷载、响应。局部坐标系的轴用1、2、3表示。通常，局部坐标系从节点到节点、单元到单元、束缚到束缚都可以不同。局部坐标系没有一个首选的向上方向。然而，相对整体或其他替代坐标系，向上的Z方向用来定义默认的节点和单元的局部坐标系。对框架、面（壳、板、轴对称）、连接/支座单元，单元的一个局部坐标轴是由单元几何形状所确定。可以指定一个参考向量和/或一个旋转角度定义其余两个轴的方向。特例是一个节点或一个无长度的连接单元，这时需要指定局部坐标轴1。每一框架单元局部坐标轴用1、2、3代表。第一个轴沿单元长度方向；后两轴位于和用户指定的单元方向相垂直的平面内。,-,11,局部轴1总是单元的纵向轴，正方向为由I端至J端。默认方向局部2和3轴的默认方向是根据局部1轴与整体Z轴的关系来确定的：局部1-2平面是垂直的，即平行于Z轴局部2轴具有向上的（+Z）方向，若单元是垂直的，局部2轴被定义为沿水平+X方向局部3轴是水平的，即处于X-Y平面内若局部1轴和Z轴夹角的正弦值小于1.0E-3，则单元被认为是垂直的。局部2轴与垂直轴的夹角和局部1轴与水平面的夹角相同。这意味着，对水平单元而言，局部2轴是垂直向上。截面属性相对于框架单元的局部坐标系按如下定义：方向1是沿着单元的轴线。其垂直于截面且通过截面两中性轴的交点。向2和3是平行于截面中性轴。一般来讲2轴沿着截面主尺寸（深度），3轴沿着其次尺寸（宽度），但这不是必须的。,-,12,-,13,5.截面属性一个框架截面是描述一或多个框架单元截面属性的材料和几何属性的集合。截面独立于单元定义，且被指定给单元。截面属性有两种基本类型：等截面所有属性沿整个单元长度恒定变截面属性可以沿单元长度变化变截面通过引用两个或多个以前定义的等截面来定义。6.材料属性截面材料属性由一个预先定义的材料来指定。使用各向同性材料，即使所选材料被定义为正交各向异性或各向异性。截面使用的材料属性为：弹性模量，E1，用于轴向刚度和弯曲刚度剪切模量，G12，用于扭转刚度和横向剪切刚度温度膨胀系数，a1，用于轴向膨胀和温度弯曲应变重量密度，m，用于计算单元质量重量密度，w，用于计算自重和重力荷载材料属性E1，G12，和a1在每个单独框架单元的材料温度处得到，所以对某一截面不一定是唯一的。,-,14,7.几何属性和截面刚度使用6个（A、J、I33、I22、As2、As3）基本几何属性以及材料属性一起，来产生截面的刚度。他们是：截面面积A，截面的轴向刚度为AEl；在1-2平面关于3轴弯曲的惯性矩I33，和在1-3平面内关于2轴弯曲的惯性矩I22。相应的截面弯曲刚度为I33El和I22El；扭转常数J。截面的扭转刚度为JG12。注意除圆截面外，扭转常数和极惯性矩不同。分别对于在1-2和1-3平面内横向剪力的剪切面积As2和As3。相应的截面横向剪切刚度为As2G12和As3G12。下图给出了计算标准截面剪切面积的公式。设置A、J、I33、I22为零将使相应的截面刚度为零。例如，一桁架单元可通过设置J=I33=I22=0来模拟，平面1-2内的平面框架构件可通过设置J=I22=0来模拟。设置As2或As3为零使相应的横向剪切变形为零。在效果上，一个零剪切面积被理解为无限。若相应的弯曲刚度为零，则横向剪切刚度被忽略。附注：材料参数的调整以及是否考虑地下连续的刚度及其贡献可以在这里进行设置,-,15,-,16,.属性修正用户可定义比例系数来修正所计算的截面属性。例如，为了考虑混凝土开裂或其它用几何及材料属性值不易描述的因素。可是使用下面的八个单独修正值：轴向刚度AE1剪切刚度As2G12和As3G12扭转刚度JG12弯曲刚度I33E1和I22E1截面质量Am+mpl截面重量Aw+wpl用户可在两处定义乘数：作为截面属性定义的一部分对单个单元的指定如果修正值赋予给一个单元，同时赋予给此单元的截面属性，那么两套系数同时乘以截面属性。修改不可直接指定给一变截面属性，但可应用任意修改于构成变截面的面。,-,17,10.端部释放（当柱子按轴压设计时，需释放弯矩）1）.通常，在框架单元每端的三个平动和转动自由度和节点的自由度是连续的，因此和其他连接至此节点的单元的自由度也是连续的。然而，在已知单元自由度相应的力或弯矩为零时，可以释放（断开）一个或几个与节点相连的自由度。释放总是被定义在单元局部坐标系，且不影响连接至此节点的其他单元。如图所示，对角单元在端部I有一弯矩连接，及在端部J有一铰连接。其他两个连接至节点的单元在端部J是连续的。因此，为了在端部J模拟铰的情况，转动R3应该被释放。这确保对角单元的弯矩在铰处为零。2）.不稳定端部释放若单元为稳定的，可对框架单元指定任意的端部释放组合；这确保了所有施加于单元的荷载被传递至结构的其余部分。以下单个或组合的释放是不稳定的，且不允许。在两端同时释放U1;在两端同时释放U2;在两端同时释放U3;在两端同时释放R1;,-,18,在两端同时释放R2且在任一端释放U3；在两端同时释放R3且在任一端释放U2。,-,19,11.非线性属性对框架/索单元有两种非线性属性：拉/压界限和塑性铰。当单元具有非线性属性时，他们只影响非线性分析。从零条件（无应力状态）开始的线性分析表现为好像非线性属性不存在。使用前一个非线性分析结束时刚度的线性分析，将使用前一个非线性分析结束时的非线性属性。12.拉/压界限(对土压力注意此项设置，基底压力不应超过土极限压离，侧压不应超过土的被动土压力）用户可指定框架/索单元可承受的一个最大拉力和或一个最大压力值。通常情况，用户通过指定压力界限为零来定义无压的索或支撑。若用户指定拉力界限，其必须是零或正值。若用户指定一压力界限，其必须是零或一负值。若用户指定一零拉力和压力界限，单元将不承受轴力。拉/压界限表现为弹性。任何超过拉力界限的轴向拉伸和超过压力界限的轴向压缩将产生零轴向刚度。这些变形在零刚度是可弹性恢复的。弯曲、剪切和扭转行为不受轴向非线性的影响。,-,20,12.质量（此次地震计算，按拟静力法设计，须按荷载输入，质量人工手算折算成荷载）在动力分析中，结构的质量用来计算惯性力。框架单元贡献的质量集中在节点i和j。在单元内部不考虑惯性效应。单元的总质量等于沿质量密度m的长度乘以截面积A，加上附加的单位长度质量mpl的积分。对于变截面单元，质量沿单元的每一变截面节段成线性变化，且在端部偏移是恒定的。使用和类似分布横向荷载导致在简支梁端部反力的同样方法，总质量被分配至两个节点。在分配质量时，忽略端部释放。总质量被分配给三个平动自由度：UX，UY，和UZ。对旋转自由度不计算质量惯性矩。13.自重荷载在模型中，自重荷载激发所有单元的自重。对框架单元，自重是沿单元长度的分布力。自重荷载值为重量密度w，乘以截面积a，加上附加单位长度荷载wpl。对于变截面单元，自重沿每一变截面节段成线性变化，且在端部偏移为恒定。自重荷载总是向下作用，沿整体Z方向。用户用一个比例系数来指定自重比例，此比例应用于结构中所有单元。,-,21,一、在SAP2000中如何实现平面结构和空间结构的建模-坐标系与轴网,1、平面模型修改(Edit)(主要介绍如何利用初步设计的模型来修改以满足现设计要求)a.剪切(Cut)(荷载会丢失)；b.粘贴(Paste)(荷载会丢失)；c.带属性复制(Replicate)(荷载保留)；d.移动(move)(荷载保留)；e.删除（Delet)；f.不规则斜向构件建立：可采用上述方法先建立斜向构件两端点，再布置构件，再布置荷载。g.曲线构件：多段折线构件模拟，操作同（题外话：在使用软件时，用曲线建模容易出问题（包括PKPM),原因：在判断曲线的法线是内法线还是外法线，程序认定跟我们指定有出入，曲线构件一般程序也是建议用多段折线构件来模拟）,-,22,2、空间模型建立(Edit)(主要介绍如何利用初步设计的平面模型来建空间模型以满足现设计要求)a.带属性复制(Replicate)(荷载保留)；b.移动(move)(荷载保留)；c.删除（Delet)；d.平面不规则斜向构件建立：先找出该平面,在平面视图可采用上述方法先建立斜向构件两端点，再布置构件，再布置荷载。e.斜平面不规则斜向构件建立：方法一：建立斜平面局部坐标轴；方法二：建立CADD图导入AP2000;可以精确定位；方法三：按投影原理建立，先做斜平面的水平切面或垂直切面，在切面上布置构件，再修改其坐标，改变值为切面之间的距离；，然后布置构件，再布置荷载。（要有空间想象力和数学功底）,-,23,.带属性复制(Replicate)(荷载保留)示意图：,-,24,-,25,1.定义材料属性.定义构件几何属性.中柱按面积等效为中间墙体，按单位长度米进行输入；.内、中、外墙及地下连续墙按梁类构件进行输入，纵向按单位长度米进行输入；.按轴线布置构件,二、在SAP2000中如何实现构件布置,-,26,.定义材料属性示意：,-,27,-,28,.梁类构件布置示意：,-,29,-,30,三.在SAP2000中如何实现边界条件的设置,.定义连接单元及其属性（缝Gap单元和弹簧Spring单元）对于缝(压杆）和钩单元，有效刚度一般应为零或k，视单元在正常状态下是否可能开启或闭合而定.地下连续墙与内墙连接按压杆设计.底板土压力按竖直弹簧设置，刚度取地质报告的竖向的基床系数.地下连续墙外侧设置水平弹簧，刚度取地质报告水平方向的基床系数（整个外墙都设置，含地下嵌固米）.中柱按轴压考虑，释放弯矩,-,31,.弹簧Spring单元设置示意,-,32,-,33,.缝Gap单元设置示意,-,34,-,35,四.在SAP2000中如何实现施加荷载,.定义荷载属性.按轴线布置荷载,-,36,.加均布荷载示意图,-,37,-,38,.加温度荷载示意图,-,39,-,40,五.在SAP2000中如何实现非线性分析及线性分析,.非线性分析（内容可能过于抽象）：.定义材料为非线性单向拉压杆及施工加载顺序.非线性静力分析参数设置，须注意：数学上讲，非线性静力分析不总保证一个单独解。.初始条件初始条件描述了在分析开始时的结构状态，包括：位移和速度内力和应力非线性单元的内部状态变量结构的能量值外部荷载对于静力分析，速度总为零。对于非线性分析，可指定在分析开始时的初始条件。有两个选项：零初始条件：结构的位移和速度为零，所有单元无应力，且无非线性变形的历史。从前一个非线性分析继续：继承前一个分析结束时的位移、速度、应力、荷载、能量和非线性状态历史。,-,41,.输出步一般地，对于非线性静力分析只保存最终状态。这是在施加完整荷载后的结果。用户可选择为保存及时的结果，来观察结构在加载过程的响应保存多个步数若用户选择保存多个步数，分析开始时（第0步）的状态和一些中间的状态将被保存，从术语的角度来讲，保存5步意味着保存6个状态（第0到5步）：步是增量，状态是结果。保存步的数量由以下参数决定：最少被保存的步最多被保存的步只保存正增量非线性解控制指定的施加荷载组合被增量的施加，使用尽可能多的步来满足平衡方程和产生所需保存的输出步数。在每个时间步求解非线性方程。这可能需要重新形成和重新求解刚度矩阵，进行迭代直至解收敛。若不能实现收敛，则程序将步分割为更小的步再次运行。用户可使用几个参数来控制迭代和子步过程。,-,42,最大总步数这是分析中允许的最多步数。它可以包含保存的步和结果未被保存的中间子步。设置此值的目的是给用户对分析时间的控制。每步最大迭代数迭代用来确保在分析的每一步达到平衡。在程序试图使用一个较小的子步前，用户可控制在每步允许的迭代数目。在多数情况默认值为零是适用的.迭代收敛容差迭代用来确保在分析的每一步建立平衡。用户可设置相对收敛容差，来比较作用在结构上的力值和它的误差。.组合非线性分析的结果一般不能进行叠加。所有作用于结构的荷载应该在分析工况中进行组合。非线性分析工况可以链接起来以实现复杂加载次序组合是分析工况结果的命名的组合。组合结果包括节点的所有位移、力和单元的内力或应力。用户可以定义任意数量的组合，对每一个组合要定义一个不同的名称，而且名称不能与分析工况名相同。对每一个响应量，每个组合产生一对数值：最大值和最小值,-,43,.加载仅进行荷载工况组合的加载（含单工况）用户可施加任意荷载工况组合、加速度荷载和模态荷载。指定的荷载组合被同时施加。一般地，荷载从零增加至完全指定的量。.荷载施加控制（仅用于施加加载载黄贝岭站）用户可选择一个荷载控制的或位移控制的非线性静力分析。对于两种选项，作用在结构的荷载模式由指定的荷载组合决定。只有比例是不同的。一般地，用户选择荷载控制。在物理意义上讲，这是很常见的。.荷载控制（仅进行荷载控制怡景和太安站）当用户知道所施加的荷载量，且期望结构能够承担此荷载时，选择荷载控制。例如，施加重力荷载，因为其被自然控制。在荷载控制下，所有荷载从零增加至完全指定的量。.分析顺序（主要用于施工加载黄贝岭站）在下列情况，一个分析工况会依赖于另一个分析工况：一个非线性分析工况从另一个非线性工况结束状态开始。,-,44,.线性分析（内容可能过于抽象）：.定义材料为线性.定义分析工况（单一工况）.荷载组合荷载工况是作用于结构上的按指定方式空间分布的力、位移、温度或其他作用。荷载工况本身不能在结构上产生任何响应。只有在分析工况中包含了荷载工况，才能得到荷载工况的作用结果。分析工况定义了荷载工况的作用方式（如：静力或动力）、结构的响应方式（如：线性或非线性）和分析的方法（如：模态分析法或直接积分法）。分析工况可以是一个荷载工况或荷载的组合。通过定义组合，可以在分析完成之后将分析工况的结果进行组合。组合是不同分析工况的结果的总和或包络。对于线性问题，算术求和型的组合有意义；也可以在分析工况中定义分析工况组合来取代荷载组合，两者区别在于求解时间代价是不同，其结果是相同的；,-,45,.分析工况中进行组合示意图,-,46,-,47,-,48,.（线性分析）荷载组合示意图,-,49,-,50,-,51,六.在SAP2000中如何实现地下连续墙刚度折减0.7