1、第28章 工業(yè)建筑與一般民用公共建筑和住宅建筑相比，工業(yè)建筑所涉及的范圍更廣泛一些，從行業(yè)角度它包括石油、化工、鋼鐵和煤炭等等；從結(jié)構(gòu)體系類型角度它包括了倉儲(chǔ)類、空間桁架類、大體積實(shí)體類、以及復(fù)雜組合類等多種類型結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于不同的行業(yè)環(huán)境和工藝的要求以及不同的結(jié)構(gòu)體系類型，結(jié)構(gòu)分析的側(cè)重點(diǎn)和需要解決的難點(diǎn)都不盡相同。本章從不同的行業(yè)出發(fā)，初步闡述了使用SAP2000解決相關(guān)行業(yè)結(jié)構(gòu)分析所涉及的基本方法和技巧。28.1 工業(yè)建筑問題的一般概念闡述工業(yè)建筑的主要用途是輔助完成相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，因此對(duì)于不同領(lǐng)域的工業(yè)建筑其形態(tài)會(huì)存在比較大的差別，使用有限元程序進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)所主要面對(duì)的關(guān)鍵問題也不

2、同。使用SAP2000程序可以完成大部分工業(yè)建筑的分析設(shè)計(jì)，本節(jié)將就典型的工業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)這方面問題進(jìn)行相關(guān)闡述。28.1.1 廠房類結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑中，工業(yè)廠房是最常見的一類建筑形式，工業(yè)廠房可以為混凝土結(jié)構(gòu)，也可以為鋼結(jié)構(gòu)，其特征是一般跨度比較大，因此結(jié)構(gòu)中可能采用大跨度屋架體系，也可能使用桁架梁體系或網(wǎng)架體系。這些結(jié)構(gòu)體系類型都可以使用SAP2000進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但需要注意SAP2000不作節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。工業(yè)廠房根據(jù)所處的地理位置，一般需要考慮地震作用和風(fēng)荷載作用，如果是有維護(hù)結(jié)構(gòu)，可以考慮維護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載作用。如果是開敞結(jié)構(gòu)，則需要考慮開敞結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載作用，這時(shí)可以直接使用SAP2000進(jìn)行開敞結(jié)

3、構(gòu)風(fēng)荷載施加，也可以將風(fēng)荷載進(jìn)行折算后直接施加在框架單元或節(jié)點(diǎn)位置。除此以外，工業(yè)廠房一般會(huì)存在吊車梁，并需要施加吊車荷載，SAP2000可以模擬施加吊車梁荷載，并完成吊車移動(dòng)荷載的全面分析。有些工業(yè)廠房由于生產(chǎn)的需求可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部空間，或內(nèi)部空間與外部空間較大的溫度差值，這時(shí)可能需要指定結(jié)構(gòu)的溫度荷載或溫度梯度荷載。28.1.2 筒倉類結(jié)構(gòu)筒倉類結(jié)構(gòu)是工業(yè)建筑中另外一種非常常見的結(jié)構(gòu)形式，它的功能主要是儲(chǔ)存大體積的液體（包括油、化學(xué)試劑、水等）、氣體（如天然氣）或粉末顆粒狀固體（比如糧食等）。這一類結(jié)構(gòu)一般為混凝土或鋼結(jié)構(gòu)的筒體，倉筒作用在一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上或框架支座上。在使用SAP2000處

4、理這一類結(jié)構(gòu)時(shí)，首先需要注意其一般為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可以使用程序相關(guān)建模技巧進(jìn)行快速建模。其次，對(duì)于框架附屬部分可以使用框架單元來模擬，對(duì)于筒倉本身需要使用殼元去模擬，一般情況下這種結(jié)構(gòu)體系不需要考慮殼面的平面外剪切變形，因此不需要使用厚殼單元，可以使用薄殼單元，并且單元需要進(jìn)行一定細(xì)度的剖分，可以通過剖分的細(xì)度來控制計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間。筒倉類結(jié)構(gòu)一般需要考慮地震作用和風(fēng)荷載作用，需要考慮內(nèi)部液體或固體對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)壁及底面的壓力，壓力根據(jù)性質(zhì)可以分為自重下產(chǎn)生的壓力或氣體膨脹壓力，氣體膨脹壓力作用在每個(gè)位置的壓強(qiáng)值大致是相等的，而自重下產(chǎn)生的壓強(qiáng)則會(huì)隨著高度不同而發(fā)生變化。并且在必要的時(shí)候需要考慮

5、液體或固體的沖擊荷載作用，而對(duì)于一些特殊工業(yè)用途的倉儲(chǔ)結(jié)構(gòu)則可能需要考慮溫度梯度荷載。28.1.3 高爐類結(jié)構(gòu)高爐類結(jié)構(gòu)是比較特殊的一類結(jié)構(gòu)體系，一般情況下是出現(xiàn)在煉鋼廠。這一類結(jié)構(gòu)一般也是由大體積的殼體組成的，多為一定壁厚的鋼結(jié)構(gòu)殼，其與筒倉類結(jié)構(gòu)不同，首先它的高度和體積一般比筒倉類結(jié)構(gòu)更大，而且由于生產(chǎn)的需求一般殼壁不同的位置將會(huì)設(shè)置不同尺度的洞口，比如進(jìn)風(fēng)口、出鋼口等。因此這一類的結(jié)構(gòu)的建模和分析會(huì)比筒倉類結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。在高爐結(jié)構(gòu)的有限元分析，對(duì)于殼壁上的洞口，根據(jù)洞口直徑的大小，有些比較小的洞口對(duì)于結(jié)構(gòu)影響比較小，不會(huì)產(chǎn)生殼上的應(yīng)力集中或應(yīng)力變化，因此可以忽略。但是對(duì)于大的洞口，則會(huì)產(chǎn)

6、生較大的影響而不能忽略。高爐類結(jié)構(gòu)需要考慮爐內(nèi)壓力荷載，而且不同的標(biāo)高位置壓強(qiáng)可能是不同的。由于高爐工業(yè)生產(chǎn)的需求，爐內(nèi)空氣與爐外空氣一般會(huì)產(chǎn)生比較大的溫度差之，因此在爐體應(yīng)力分析中一般需要考慮溫度梯度荷載，并且不同的標(biāo)高位置溫度梯度可能是不同的。28.1.4 水池類結(jié)構(gòu)水池類結(jié)構(gòu)也是工業(yè)建筑中一種典型結(jié)構(gòu)類型，并且不僅在工業(yè)建筑，一些民用建筑中也會(huì)涉及到水池類結(jié)構(gòu)。水池結(jié)構(gòu)一般模型比較簡單，但是結(jié)構(gòu)分析相對(duì)來講比較復(fù)雜，特別是如果考慮結(jié)構(gòu)和土體間的相互作用則分析會(huì)更加復(fù)雜。水池類結(jié)構(gòu)根據(jù)體形一般分為圓型水池和方形水池，根據(jù)位置和受力狀態(tài)分為地下水池和地上水池，兩種情況存在著比較大的差異，地上

7、水池主要考慮池內(nèi)存不同體積的液體對(duì)于結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，而地下水池則需要考慮池內(nèi)充滿液體的情況，也需要考慮池內(nèi)為空時(shí)，土對(duì)于結(jié)構(gòu)的壓力作用工況。除此以外，地下和地上水池都需要考慮土體對(duì)于水池池底的邊界約束條件，有時(shí)需要考慮地基的不均勻沉降。使用SAP2000可以處理以上所提到的兩種類型的水池，對(duì)于內(nèi)部液體的壓應(yīng)力狀態(tài)和外部土體的壓應(yīng)力狀態(tài)可以同時(shí)或分別進(jìn)行考慮。當(dāng)需要考慮土對(duì)于水池的邊界約束條件時(shí)，則可以將土模擬為彈簧單元，彈簧剛度使用土的剛度進(jìn)行模擬，使用SAP2000中的彈簧單元進(jìn)行考慮。28.1.5 石油化工類結(jié)構(gòu)石油化工類結(jié)構(gòu)是工業(yè)建筑中比較特殊的一類結(jié)構(gòu)體系，在這一類結(jié)構(gòu)體系中，工業(yè)設(shè)

8、備和建筑結(jié)構(gòu)之間往往會(huì)比較復(fù)雜的組合在一起，從模型特征方面講設(shè)備模型與建筑結(jié)構(gòu)部分的模型會(huì)有很大的區(qū)別，兩個(gè)部分的荷載屬性也會(huì)有很大的區(qū)別。除此以外，設(shè)備和結(jié)構(gòu)相連接的部位往往是整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，是否能夠真實(shí)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的連接屬性也是非常關(guān)鍵的問題。在石油、化工以及煤炭等工業(yè)設(shè)計(jì)院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)備的體積和自重一般比較大，設(shè)備不同的幾何形狀和質(zhì)量分布狀態(tài)決定了其自身的動(dòng)力特性，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，是否能夠真實(shí)的考慮設(shè)備的動(dòng)力屬性，并且真實(shí)考慮結(jié)構(gòu)與設(shè)備的共同作用就顯得比較重要了。使用SAP2000可以對(duì)于這一類結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較真實(shí)的處理。SAP2000程序可以通過相關(guān)功能分別建立設(shè)備部分和結(jié)

9、構(gòu)部分的模型，并且可以通過很簡便的方法可以將二者組裝成整體模型。SAP2000對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，能夠真實(shí)考慮結(jié)構(gòu)體系不同類型的作用及相互結(jié)合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體的有限元分析并輸出所需細(xì)節(jié)。28.1.6 核工業(yè)類結(jié)構(gòu)核工業(yè)類結(jié)構(gòu)是一類比較特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)體系，但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于低污染能源的需求，并且隨著核電技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，這一類的工業(yè)結(jié)構(gòu)的數(shù)量也在不斷的增加。核工業(yè)結(jié)構(gòu)安全要求與一般的工業(yè)結(jié)構(gòu)存在著比較大的差別，一般工業(yè)結(jié)構(gòu)是允許結(jié)構(gòu)在一定條件下結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)展到塑性狀態(tài)，但是核工業(yè)類結(jié)構(gòu)是不允許的。一般的結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下是允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定限度的裂縫的，但是這在核工業(yè)結(jié)構(gòu)中，特別是反應(yīng)爐主

10、體卻是絕對(duì)不允許的。核工業(yè)類結(jié)構(gòu)對(duì)于配套設(shè)施可能需要使用相關(guān)單元進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但對(duì)于反應(yīng)爐本身則是一個(gè)大體積的構(gòu)件，一般是混凝土材料，需要使用實(shí)體元進(jìn)行模擬，SAP2000程序提供了實(shí)體單元類型，可以完成核工業(yè)整體結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)。28.1.7 復(fù)雜幾何相交類結(jié)構(gòu)工業(yè)結(jié)構(gòu)中，有些結(jié)構(gòu)可能并不是有一種幾何形式所構(gòu)成的，這時(shí)即使使用程序的復(fù)制、拉伸等工具也是很難完成結(jié)構(gòu)整體模型，特別是對(duì)于不同幾何體相交的結(jié)合部位，因此需要更復(fù)雜的過程或借助于其它工具來完成。常見的幾何相交結(jié)構(gòu)中，有一部分是市政工程所需要的管類結(jié)構(gòu)，這一類結(jié)構(gòu)可以使用本書前面所提到的模板來快速生成一部分模型，包括一些常見的相交連接形

11、式和底部節(jié)點(diǎn)支承形式（見圖28-1）。另一部分為一些幾何維度較大的殼體工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)，比如說鋼鐵企業(yè)所常見的爐體，由于工業(yè)生產(chǎn)的需求有可能需要進(jìn)氣口、通風(fēng)口、工業(yè)介質(zhì)流出通道的開洞或引管，這時(shí)就需要使用柱面與結(jié)構(gòu)主體部分進(jìn)行相交得到連接部分的幾何模型。圖28-1 SAP2000提供的管道連接模板對(duì)于這一類結(jié)構(gòu)體系的建模，如果具備模型細(xì)節(jié)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用SAP2000復(fù)制旋轉(zhuǎn)等功能得到兩個(gè)單獨(dú)幾何模型，然后使用SAP2000空間繪制功能，根據(jù)模型細(xì)節(jié)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將模型一步一步繪制完成。但是建筑所提供的模型數(shù)據(jù)一般包含了兩種體系的幾何數(shù)據(jù)和位置關(guān)系，但是對(duì)于交線或交面數(shù)據(jù)卻很少直接提供，

12、因此這種方法雖然簡單直接，但是在實(shí)際工程中并不一定能夠?qū)崿F(xiàn)。在SAP2000建立這一類模型，更多的是建議大家使用相關(guān)輔助工具來建立模型。首先可以使用工程師最熟悉的AutoCAD輔助來完成，AutoCAD可以使用相關(guān)幾何信息直接建立各種形式的幾何模型，并且使用幾何模型之間進(jìn)行的布爾運(yùn)算完成模型之間的組合工作，可以在模型中直接生成兩個(gè)幾何模型的交線或交面，并將其導(dǎo)入到SAP2000準(zhǔn)確的模型位置，然后根據(jù)這些交線和交面的數(shù)據(jù)輔助完成模型的建立工作。SAP2000可以與其它有限元程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，比如IGES.igs、CIS/2 STEP、以及Frameworks Plus等等文件格式，關(guān)于這一方面

13、的細(xì)節(jié)問題，可以通過本書其它章節(jié)進(jìn)行了解。SAP2000程序并沒有給出幾何體布爾運(yùn)算的功能，但是對(duì)于專業(yè)的建模軟件，或者對(duì)于市政、管道類結(jié)構(gòu)更專用的軟件一般是可以進(jìn)行這一運(yùn)算的，因此對(duì)于復(fù)雜幾何體的相交結(jié)構(gòu)，可以借助于專業(yè)幾何建模軟件或其它專業(yè)軟件來完成模型的建立，并將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，SAP2000程序就可以將該格式的模型數(shù)據(jù)讀入，并完成進(jìn)一步的有限元分析。圖28-2給出的某鋼鐵行業(yè)的大型爐體工程的局部，我們可以看到不同的細(xì)節(jié)部分都涉及到幾何體相交問題。對(duì)于這一模型，我們就是使用Ansys進(jìn)行了幾何建模并完成布爾運(yùn)算后，將模型數(shù)據(jù)通過IGES.igs的格式導(dǎo)入到SAP2000中并完

14、成相關(guān)分析的。圖28-2 某爐體結(jié)構(gòu)局部28.2 工業(yè)結(jié)構(gòu)分析幾個(gè)關(guān)鍵問題的實(shí)現(xiàn)在使用SAP2000處理工業(yè)結(jié)構(gòu)時(shí)，所碰到的問題從性質(zhì)上講可能與民用結(jié)構(gòu)是完全不同的，而且不同類型的工業(yè)結(jié)構(gòu)需要考慮的關(guān)鍵問題也不同。本節(jié)將選擇幾種典型的工業(yè)結(jié)構(gòu)，闡述使用SAP2000進(jìn)行有限元分析時(shí)所需要重點(diǎn)處理的問題。28.2.1 廠房類結(jié)構(gòu)吊車荷載的實(shí)現(xiàn)在廠房類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于模型建立和一般荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析不會(huì)存在太多問題，可以根據(jù)本書前面所談到的基本方法進(jìn)行很好的解決，因此這里就不再多說了。本小節(jié)主要處理廠房中大家比較關(guān)心的吊車梁荷載在SAP2000程序中的實(shí)現(xiàn)。由于工廠生產(chǎn)的需要，廠房類結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會(huì)

15、存在吊車荷載，吊車荷載分為水平荷載和豎向荷載，水平荷載根據(jù)作用方向分為縱向水平荷載和橫向水平荷載。在使用SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，吊車水平荷載可以根據(jù)規(guī)范等效靜荷載方式施加到排架柱相應(yīng)位置，而豎向荷載可以通過移動(dòng)靜荷載進(jìn)行施加。此處我們主要介紹通過橋梁輔助工具定義吊車豎向移動(dòng)荷載的具體方法。吊車豎向荷載在SAP2000中是借助橋梁荷載方式來完成，吊車荷載與橋梁車輛荷載同屬于移動(dòng)荷載，但一般情況下吊車荷載比車輛荷載簡單，定義吊車荷載需要的步驟如下：1定義吊車軌道車道的定義目的是定義移動(dòng)荷載所作用的軌跡，定義吊車荷載時(shí)可以把它理解為定義小車軌道。定義車道時(shí)，將彈出如圖28-3對(duì)話框。圖28-3

16、 添加車道對(duì)話框在對(duì)話框中選擇“從框架添加已定義的新車道”定義車道，將彈出下圖28-4對(duì)話框。圖28-4 定義車道對(duì)話框在以上對(duì)話框中可以定義吊車荷載的移動(dòng)軌跡，首先需要基于吊車梁框架編號(hào)確定吊車的基本移動(dòng)軌跡，然后使用中心線偏移來定義吊車荷載的偏移布置（實(shí)際工程中一般不存在偏移，所以一般為0），對(duì)于吊車荷載車道寬度影響可以忽略不計(jì)，因此第三項(xiàng)車道寬度一般為0。2定義小車荷載通過定義車輛荷載來定義小車豎向荷載值，因?yàn)榕c橋梁設(shè)計(jì)不同，因此吊車荷載一般選擇使用添加一般車輛荷載進(jìn)行添加，選擇此項(xiàng)添加車輛荷載時(shí)將彈出如下圖28-5對(duì)話框。圖28-5 定義車輛對(duì)話框可以通過上面對(duì)話框中輪軸荷載來定義移動(dòng)

17、小車荷載，關(guān)于該對(duì)話框中各項(xiàng)的含義及使用在本書橋梁使用一章有詳細(xì)描述。3定義車輛類別限于橋梁荷載施加的使用要求，吊車荷載的實(shí)現(xiàn)需要定義車輛類別（圖28-6）。圖28-6 定義車輛類別對(duì)話框因?yàn)椴淮嬖跇蛄阂?guī)范所需要的多種車輛類別的定義，因此為了實(shí)現(xiàn)車輛荷載，只需要如上面對(duì)話框，選擇已經(jīng)定義好的吊車荷載的車輛名稱，將比例系數(shù)定義為1就可以了。4指定車輛反應(yīng)分量在車道荷載定義完成之后，為了全面輸出吊車梁及其它結(jié)構(gòu)對(duì)象的影響線，需要對(duì)框架指定車輛反應(yīng)分量，具體過程是選擇需要輸出結(jié)果的框架梁，使用指定框架/索/鋼束荷載命令中車輛反應(yīng)分量選項(xiàng)進(jìn)行定義，此時(shí)將彈出圖28-7對(duì)話框。圖28-7 指定車輛反應(yīng)分

18、量對(duì)話框在圖28-7中選擇需要指定的反應(yīng)位置，然后點(diǎn)擊指定選擇覆蓋類型按鈕，將彈出圖28-8對(duì)話框，在該對(duì)話框中，可以對(duì)于結(jié)構(gòu)單元的六種反應(yīng)分量進(jìn)行定義。圖28-8 車輛反應(yīng)分量覆蓋項(xiàng)對(duì)話框每一項(xiàng)都可以選擇“Do Not Use”、“Use Positive Values”、“Use Negative Values”和“Use All Values”四項(xiàng)，分別表示“不進(jìn)行輸出”、“輸出正值”、“輸出負(fù)值”和“輸出所有值”，可以根據(jù)需要選擇輸出的類型。5定義移動(dòng)荷載分析工況上面的工作完成之后，最后為了在結(jié)構(gòu)中實(shí)施移動(dòng)荷載分析，需要在定義分析工況中添加定義移動(dòng)荷載分析工況。也就是圖28-9所看到的

19、對(duì)話框，該對(duì)話框中各項(xiàng)定義方式和意義與橋梁模塊中是完全相同的，因此可以參閱本書相應(yīng)章節(jié)。圖28-9 定義移動(dòng)荷載分析工況對(duì)話框28.2.2 筒倉及高爐類結(jié)構(gòu)建模技巧因?yàn)橥矀}類結(jié)構(gòu)一般都是軸對(duì)稱體系，因此使用SAP2000程序相應(yīng)技巧可以大大提高建模的效率，這些技巧包括各種復(fù)制功能、低維度對(duì)象向高維度對(duì)象的擴(kuò)展生成（包括節(jié)點(diǎn)拉伸成線、線拉伸成面）功能等。比如說下面圖28-10，我們可以先通過立面繪制出筒倉的剖面線，然后通過線拉伸成面的命令，通過旋轉(zhuǎn)拉伸形成筒倉的幾何模型，然后再使用截面定義命令將筒倉截面指定給結(jié)構(gòu)模型。圖28-10 筒倉結(jié)構(gòu)建模技巧示意圖如果工業(yè)設(shè)備本身已經(jīng)具備CAD或其它通用格

20、式的模型數(shù)據(jù)，也可以使用SAP2000對(duì)于數(shù)據(jù)共享情況來建立工業(yè)設(shè)備部分的模型。SAP2000程序可以導(dǎo)入DXF文件、CSI/2 STEP數(shù)據(jù)文件、IFC數(shù)據(jù)文件等模型文件格式。對(duì)于一般的筒倉類結(jié)構(gòu)的厚度是均勻的，但是有些情況下厚度可能是不均勻的，此時(shí)厚度一般隨之標(biāo)高的增加逐漸變小。因此這對(duì)于倉儲(chǔ)類結(jié)構(gòu)模型也是一個(gè)難點(diǎn)，可以使用SAP2000程序中厚度覆蓋項(xiàng)的功能對(duì)厚度進(jìn)行控制定義，當(dāng)厚度隨坐標(biāo)漸變時(shí)，也可以進(jìn)行分析得到函數(shù)關(guān)系并使用程序節(jié)點(diǎn)樣式功能進(jìn)行方便的定義。節(jié)點(diǎn)樣式的意義和定義方式參見本書其它章節(jié)的詳細(xì)說明，當(dāng)基于殼厚度的節(jié)點(diǎn)樣式定義完成后，可以使用指定面厚度覆蓋項(xiàng)（殼）命令進(jìn)行漸變厚

21、度的定義，此時(shí)將彈出如下圖28-11對(duì)話框。圖28-11 面厚度和節(jié)點(diǎn)樣式偏移指定對(duì)話框使用上面對(duì)話框選擇自定義厚度為節(jié)點(diǎn)樣式指定，并選擇已經(jīng)定義的節(jié)點(diǎn)樣式即可。如果厚度漸變使用節(jié)點(diǎn)樣式定義并不方便時(shí)，也可以使用殼單元四個(gè)角點(diǎn)控制，這時(shí)需要選擇自定義厚度由對(duì)象指定。28.2.3 水池類結(jié)構(gòu)中壓力荷載及土體約束作用1自重產(chǎn)生的壓力荷載的定義方式水池類結(jié)構(gòu)的水壓一般是自重下產(chǎn)生的壓強(qiáng)作用，并且壓強(qiáng)作用是一個(gè)關(guān)于水深的線性函數(shù)，同樣土體的壓力也是土的重度相關(guān)線性函數(shù)，因此水壓和土壓荷載使用一般靜荷載是很難準(zhǔn)確施加的。在SAP2000中提供節(jié)點(diǎn)樣式函數(shù)定義方式，其意義是基于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定義一組函數(shù)關(guān)系，并

22、在相關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)象屬性或荷載定義中使用相關(guān)函數(shù)。我們可以看圖28-12所示池壁所受地下水壓力荷載示意圖。 圖28-12 水池壁水壓力示意圖 圖28-13 節(jié)點(diǎn)樣式定義水壓力首先我們可以得到該荷載關(guān)于全局坐標(biāo)Z軸的函數(shù)關(guān)系，然后使用SAP2000的節(jié)點(diǎn)樣式定義工具進(jìn)行節(jié)點(diǎn)樣式的定義，對(duì)于上圖28-12中池壁土壓力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)P=50-10*Z（全局坐標(biāo)原點(diǎn)在池底位置，因此可以使用坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)樣式定義為如圖28-14的數(shù)據(jù)方式。圖28-14 節(jié)點(diǎn)樣式定義對(duì)話框（1）當(dāng)然SAP2000對(duì)于這種由自重所引起的壓力作用，給出了更為直接的定義方式：圖28-15 節(jié)點(diǎn)樣式定義對(duì)話框（2）上面對(duì)話框中，Z坐標(biāo)給出的是

23、壓力零點(diǎn)的標(biāo)高，Wt給出的該壓力產(chǎn)生物質(zhì)的密度值，Restriction給出了顯示值的范圍：使用全部數(shù)據(jù)、僅正值或僅負(fù)值。最后在壓力靜荷載定義位置使用該節(jié)點(diǎn)樣式定義靜荷載的變化屬性（如圖28-16）。圖28-16 表面壓力荷載定義對(duì)話框?qū)υ捒蛑?，可以通過面的名稱切換選擇受壓面的名稱，可以通過節(jié)點(diǎn)樣式乘數(shù)來控制最終壓力荷載的值，壓力值等于節(jié)點(diǎn)樣式的值乘以乘數(shù)值。2結(jié)構(gòu)彈性土約束的模擬方式在一般建筑上部結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)過程中，可以假定地基對(duì)于結(jié)構(gòu)施加的是一定位置的固定約束條件，我國規(guī)范也給出了建筑結(jié)構(gòu)底部嵌固位置的確定方式，所以一般不需要考慮土和結(jié)構(gòu)的相互作用。但是對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，或一些工業(yè)

24、建筑結(jié)構(gòu)，例如水池、壩體等結(jié)構(gòu)形式，則經(jīng)常需要涉及結(jié)構(gòu)與土體的相互作用問題。從真實(shí)的單元形式來講，土體是一種非常復(fù)雜的非線性單元形式，它的密度及重度不均勻并富含空隙、具有一定限度的塑性壓縮能力、壓縮過程中彈性模量不恒定等特有的屬性。因此真實(shí)的模擬土和結(jié)構(gòu)相互作用是十分復(fù)雜的問題。在SAP2000中，基于目前的功能，可以使用線性彈簧或非線性（多線性連接單元）連接單元考慮。對(duì)于面對(duì)象彈簧以及非線性連接單元的定義方式，本書的其它章節(jié)中已經(jīng)涉及，這里就不在重復(fù)，一般情況，使用這些功能可以滿足一定精度的涉及到土體約束結(jié)構(gòu)的有限元分析。3一個(gè)水池結(jié)構(gòu)的算例此處給出一個(gè)無蓋水池的算例模型（圖28-17所示）

25、，該水池長28.6m。寬12.3m，長方向中間由池壁分隔為大小相等的兩個(gè)正方形部分，水池深6.15m，池壁頂部與室外地坪平齊，因此水池需要考慮土體側(cè)向壓力作用。圖28-17 水池算例模型對(duì)于該水池我們需要考慮兩個(gè)部分均注滿水的受力狀態(tài)；一個(gè)部分注滿水，而另一個(gè)部分空置時(shí)的受力狀態(tài)；以及兩個(gè)部分均沒有水時(shí)，水池在自重作用下及側(cè)向土壓力作用下受力狀態(tài)等幾個(gè)單獨(dú)工況。圖28-18分別給出了幾個(gè)單獨(dú)工況的變形圖。（a）恒載作用 （b）單池水壓作用（c）全池水壓作用 （b）土壓作用圖28-18 幾種工況下的變形圖圖28-19給出了水池在幾種荷載組合狀態(tài)下的最大正應(yīng)力分布狀態(tài)：（a）恒載與土壓作用 （b）

26、單池水壓與土壓作用（c）全池水壓與土壓作用 （d）恒載、全池水壓與土壓作用圖28-19 幾種工況下的變形圖28.2.4 石化類結(jié)構(gòu)建模技巧和細(xì)部處理石化類結(jié)構(gòu)一般情況下是由建筑結(jié)構(gòu)和工業(yè)設(shè)備兩種不同體系組成的，因此在使用SAP2000對(duì)其進(jìn)行建模時(shí)，最好的方式是將兩種體系進(jìn)行分塊建模。當(dāng)然對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)部分使用常規(guī)的建模方式可以很方便的完成模型的建立，對(duì)于工業(yè)設(shè)備部分就需要使用SAP2000所提供的更復(fù)雜的建模方式，包括各種復(fù)制功能、低維度對(duì)象向高維度對(duì)象的擴(kuò)展生成（包括節(jié)點(diǎn)拉伸成線、線拉伸成面）等。圖28-20 SAP2000中模型組裝需要注意在模型中，設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)部分的連接部位的圓洞厚樓板

27、是很難直接使用SAP2000的繪制命令完成的，因?yàn)樗婕暗骄植慨愋詷前褰：推史謫栴}，如下圖28-21所示。圖28-21 樓板開洞部分模型對(duì)于這一部分模型，SAP2000提供了直接的模板輸入功能，可以使用編輯從模板中添加到模型命令來進(jìn)行操作，這時(shí)將彈出新模型初始化對(duì)話框，選擇“管和板”結(jié)構(gòu)體系，選擇異形開洞樓板進(jìn)行插入即可。當(dāng)兩個(gè)部分的模型建立好以后，可以使用程序?qū)肽Ｐ凸δ軐蓚€(gè)模型組裝成為一個(gè)模型，一般情況下是將設(shè)備模型導(dǎo)入到建筑結(jié)構(gòu)模型。在導(dǎo)入組裝時(shí)需要考慮兩個(gè)模型的單位制情況，導(dǎo)入時(shí)所使用的單位應(yīng)該與被導(dǎo)入的模型初始單位一致。當(dāng)然為了避免組裝時(shí)產(chǎn)生單位制問題，一般情況下最好兩部分模型使

28、用相同的初始單位制。在導(dǎo)入模型過程中還需要注意坐標(biāo)關(guān)系，程序在默認(rèn)情況下將把被導(dǎo)入模型的原點(diǎn)導(dǎo)入現(xiàn)有模型的原點(diǎn)，也就是保持兩個(gè)模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置原有坐標(biāo)。另外，程序還可以設(shè)置該原點(diǎn)導(dǎo)入到現(xiàn)有模型的指定坐標(biāo)位置，通過這一坐標(biāo)的設(shè)置就可以將設(shè)備模型一次性準(zhǔn)確的導(dǎo)入到建筑模型準(zhǔn)確的位置完成組裝。當(dāng)然，根據(jù)習(xí)慣不同，也可以先將模型導(dǎo)入進(jìn)來，然后再使用相關(guān)移動(dòng)編輯命令移動(dòng)到準(zhǔn)確位置。模型組裝之后，還需要對(duì)設(shè)備與建筑結(jié)構(gòu)之間的連接部位進(jìn)行細(xì)部處理，因?yàn)橐话闱闆r下，設(shè)備的體積和自重一般都比較大，因此它與結(jié)構(gòu)的連接部位往往是需要加強(qiáng)的，比如有時(shí)設(shè)備直接通過樓板與結(jié)構(gòu)相連，會(huì)將局部的板厚加大很多，必要的時(shí)候會(huì)將臨

29、近的梁柱截面進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。一般情況下工業(yè)設(shè)備的高度會(huì)比較高，可能會(huì)穿過建筑結(jié)構(gòu)若干樓層，有些時(shí)候設(shè)備和結(jié)構(gòu)每一樓層之間會(huì)使用一些彈性連接，或使用具有一定減振作用的阻尼器相連。也存在設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間不做任何連接的情況，這時(shí)如果結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間有一定的預(yù)留變形空間，一般情況下可以不考慮結(jié)構(gòu)之間的碰撞問題，如果預(yù)留空間比較小，并且結(jié)構(gòu)和設(shè)備存在比較大的柔性變形，這時(shí)可能需要考慮結(jié)構(gòu)與設(shè)備的碰撞問題。在SAP2000中，可以使用程序中提供的連接單元來模擬體系連接細(xì)節(jié)中的彈性連接、阻尼器連接、以及結(jié)構(gòu)之間的碰撞連接。我們可以使用非線性Damper單元來模擬阻尼器單元，可以根據(jù)設(shè)備廠家提供的參數(shù)來控制阻尼的內(nèi)

30、部參數(shù)。在動(dòng)力分析中，程序?qū)⒄鎸?shí)的考慮阻尼器的耗能作用。對(duì)于碰撞模擬，我們使用的是縫隙單元的形式，當(dāng)縫隙的寬度降為零以后，結(jié)構(gòu)相關(guān)節(jié)點(diǎn)之間將發(fā)生接觸，單元內(nèi)部將產(chǎn)生壓力，并將壓力傳遞到結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備體系中。建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備部分所作用的荷載一般情況會(huì)有較大的區(qū)別，建筑結(jié)構(gòu)上會(huì)作用相關(guān)附加恒載、活載和其它荷載形式，而工業(yè)設(shè)備上一般作用內(nèi)部壓力荷載、溫度梯度荷載、以及保溫層、內(nèi)部構(gòu)筑物等荷載形式。因此需要分別對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和工業(yè)設(shè)備施加所需要的不同類型的荷載形式。28.2.5 工業(yè)設(shè)備的常見荷載作用施加1內(nèi)部壓力荷載在工業(yè)設(shè)備中，經(jīng)常會(huì)碰到的一種荷載形式為壓力荷載，它是設(shè)備和管道中的液體或氣體由于自重或體

31、積膨脹趨勢而作用在側(cè)壁上的靜荷載。因此內(nèi)部壓力荷載也可以根據(jù)特征分成幾種形式，第一種是由于自重產(chǎn)生的壓力荷載，這種壓力類似于水池工程中的水壓荷載與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)全局坐標(biāo)Z軸存在線性函數(shù)關(guān)系，因此可以使用相同的節(jié)點(diǎn)樣式方法進(jìn)行施加；另一種是由于體積膨脹產(chǎn)生的壓力荷載，此時(shí)由于自重載整個(gè)壓強(qiáng)影響中非常小，因此可以忽略，可以認(rèn)為系統(tǒng)中任意位置的壓強(qiáng)是相等的，因此可以直接使用均勻壓力靜荷載進(jìn)行施加；還有一種壓力荷載是在設(shè)備中不同標(biāo)高范圍內(nèi)壓強(qiáng)體現(xiàn)出不同的值，比如煉鋼高爐中由于爐體本身的高度是非常大的，在生產(chǎn)中不同高度范圍內(nèi)的氣體密度和溫度都不相同，因此在不同的標(biāo)高范圍內(nèi)部壓力是不同的，此時(shí)可以通過分段指定的

32、方法在SAP2000中進(jìn)行這一類壓力值的指定。2溫度及溫度梯度荷載溫度荷載和溫度梯度荷載是另外一種常見的工業(yè)荷載類型。在SAP2000中可以對(duì)于框架線單元、殼單元和實(shí)體單元指定溫度荷載和溫度梯度荷載（圖28-22）。（a）框架對(duì)象 （b）面對(duì)象圖28-22 溫度及溫度梯度荷載指定對(duì)話框我們可以對(duì)框架單元和殼面單元直接指定均勻溫度荷載，也可以使用節(jié)點(diǎn)樣式來控制結(jié)構(gòu)不同位置不同的溫度荷載值，但此時(shí)框架單元截面內(nèi)兩個(gè)主軸方向、以及殼面單元中厚度方向（3軸）的溫度變化是均勻的，這也是在SAP2000中溫度荷載和溫度梯度荷載核心區(qū)別。當(dāng)需要指定框架單元截面內(nèi)兩個(gè)主軸方向、以及殼面單元中厚度方向（3軸）的

33、溫度變化為不均勻時(shí)，所需要進(jìn)行的就是溫度梯度荷載的指定。對(duì)于這兩種荷載最直觀的區(qū)別是溫度荷載指產(chǎn)生軸向（框架單元）或面內(nèi)（殼面單元）拉壓應(yīng)力或變形，而溫度梯度荷載還可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)彎曲變形或彎曲應(yīng)力。也可以使用節(jié)點(diǎn)樣式指定不同位置結(jié)構(gòu)對(duì)象某一方向的不同的溫度梯度值。圖28-23 實(shí)體對(duì)象溫度荷載指定對(duì)話框?qū)τ趯?shí)體單元，因?yàn)樗哂腥齻€(gè)主軸方向真實(shí)的幾何維度尺寸，因此不需要溫度梯度來定義?？梢酝ㄟ^單元對(duì)于實(shí)體單元指定單元內(nèi)均勻的溫度荷載，也可以通過節(jié)點(diǎn)樣式來定義不同位置實(shí)體單元溫度變化值，從而得到結(jié)構(gòu)不均勻溫度變化所產(chǎn)生的全部響應(yīng)結(jié)果。3流體沖擊荷載有時(shí)候工業(yè)設(shè)備中需要考慮流體沖擊荷載，相對(duì)于流體壓力

34、靜荷載，需要考慮流體對(duì)于設(shè)備的動(dòng)力沖擊作用。流體與一般的單元形式不同，在SAP2000中，沒有提供模擬流體的有限元單元形式，因此無法模擬流體在設(shè)備中流動(dòng)以及與設(shè)備之間的動(dòng)力相互作用。在使用SAP2000程序進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要考慮流體沖擊作用時(shí)，可以使用相關(guān)近似方法進(jìn)行模擬。當(dāng)流體對(duì)設(shè)備的沖擊作用動(dòng)力特征比較明顯時(shí)，可以使用SAP2000時(shí)程作用及分析去模擬，此時(shí)需要知道沖擊作用的峰值及周期變換情況，當(dāng)然一般使用正弦曲線和余弦曲線模擬就可以了。當(dāng)不需要考慮沖擊的動(dòng)力效應(yīng)時(shí)，可以采用沖擊荷載放大系數(shù)的方法，也就是通過將靜力荷載放大一定的比例系數(shù)來考慮沖擊作用。4預(yù)應(yīng)力荷載工業(yè)設(shè)備和廠房結(jié)構(gòu)體系

35、中，還可能需要考慮預(yù)應(yīng)力荷載形式，預(yù)應(yīng)力作用施加的是通過結(jié)構(gòu)中某些結(jié)構(gòu)對(duì)象的預(yù)變形來實(shí)現(xiàn)的，其主要目的是控制結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài)變形響應(yīng)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力作用可能帶來結(jié)構(gòu)對(duì)象的預(yù)變形可能是軸向變形、也可能是剪切變形或彎曲變形，這些在SAP2000程序中都可以進(jìn)行模擬。（a）框架對(duì)象 （b）面對(duì)象圖28-24 應(yīng)變荷載指定對(duì)話框在SAP2000中，可以對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象（框架單元、殼面單元和實(shí)體元）施加應(yīng)變作用，這一應(yīng)變作用可以真實(shí)直接的模擬結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力荷載作用。對(duì)于框架可以考慮主軸方向的主應(yīng)變和主軸與兩個(gè)次軸方向的剪切應(yīng)變和三個(gè)方向的彎曲應(yīng)變。對(duì)于殼面單元，可以考慮面內(nèi)兩個(gè)方向的主應(yīng)變、面內(nèi)剪切應(yīng)變；面內(nèi)兩個(gè)方向的

36、彎曲應(yīng)變、兩個(gè)主軸耦合彎曲應(yīng)變；以及平面外兩個(gè)主軸方向的剪切應(yīng)變。對(duì)于實(shí)體單元，可以考慮三個(gè)主軸方向的主應(yīng)變和三個(gè)主軸之間的剪切應(yīng)變。圖28-25 實(shí)體對(duì)象應(yīng)變荷載指定對(duì)話框28.2.6 系統(tǒng)總體分析及結(jié)果評(píng)價(jià)在SAP2000中完成的是整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的綜合分析，相比較民用建筑，這一點(diǎn)在工業(yè)建筑的有限元分析中尤為重要，因?yàn)樵诠I(yè)建筑往往會(huì)出現(xiàn)設(shè)備與一般類結(jié)構(gòu)體系組成復(fù)雜系統(tǒng)的情況，特別是對(duì)于上面所提到的石化類結(jié)構(gòu)。目前在相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計(jì)中，往往建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與設(shè)備的設(shè)計(jì)是在不同的部門完成的，一般土建室負(fù)責(zé)建筑結(jié)構(gòu)的模型處理和分析設(shè)計(jì)，而工藝室完成設(shè)備的模型及分析和設(shè)計(jì)，因此工藝室除了對(duì)于相關(guān)工藝

37、的設(shè)計(jì)外，還承擔(dān)了設(shè)備體系安全度方面的分析和設(shè)計(jì)。在整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，工藝完成設(shè)備的設(shè)計(jì)并將相關(guān)設(shè)備作用荷載提交給土建室，土建室基于已有建筑結(jié)構(gòu)模型，將設(shè)備等效荷載直接作用于結(jié)構(gòu)相關(guān)連接部位，然后完成建筑結(jié)構(gòu)部分的分析和設(shè)計(jì)。從上面的工作流程可以看出，工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)并沒有考慮結(jié)構(gòu)為其提供的實(shí)際邊界條件的情況，而建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也沒有考慮設(shè)備對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。唯一聯(lián)系二者的交互信息是設(shè)備的等效荷載，而這一等效荷載往往是基于設(shè)備與結(jié)構(gòu)連接部位的剛性約束得到的，因此這一等效荷載很難給出一個(gè)精確的結(jié)果。整個(gè)分析過程忽視了結(jié)構(gòu)與設(shè)備整體協(xié)調(diào)變形，并且實(shí)際上工業(yè)設(shè)備質(zhì)量和剛度分布一般比較復(fù)

38、雜，其對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響是非常大的，因此在這種分塊進(jìn)行處理的方式中，很難得到設(shè)備和結(jié)構(gòu)的真實(shí)精確的分析結(jié)果。在使用SAP2000程序?qū)τ诠I(yè)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，從前面內(nèi)容已經(jīng)看到可以對(duì)于這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體建模和細(xì)部處理。對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元分析，SAP2000所完成的是整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有限元分析，分析中考慮結(jié)構(gòu)和設(shè)備直接完整的靜力和動(dòng)力相互作用，因此是更真實(shí)準(zhǔn)確的分析方法。28.3 工業(yè)結(jié)構(gòu)算例分析工業(yè)結(jié)構(gòu)的類型比較多，本章前面給出了一些類型工業(yè)結(jié)構(gòu)使用SAP2000程序的問題解決，由于篇幅所限，結(jié)合我們所談到問題，本節(jié)我們給出了兩種類型的工業(yè)結(jié)構(gòu)算例，供讀者參考。28.3.1 筒倉類

39、結(jié)構(gòu)算例本節(jié)首先給出了一個(gè)筒倉類結(jié)構(gòu)模型的算例，該結(jié)構(gòu)主體為三個(gè)相同形狀的儲(chǔ)液罐，其直徑為5m，高為9.2m，壁厚0.3m，罐底厚度為0.8m。儲(chǔ)液罐坐落于單層混凝土框架上，框架高4.5m，雙向跨度5.8m，支撐板與罐底厚度相同為0.8m。圖28-26 模型算例三維圖1模型處理對(duì)于該倉儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，框架部分可以使用SAP2000平面和三維建模方式進(jìn)行建立，罐體部分可以使用本章前面所給出的技巧使用線旋轉(zhuǎn)拉伸成面進(jìn)行方便的建立。比較復(fù)雜的部分是支撐樓板位置，因?yàn)闃前迨蔷匦蔚?，但是它的剖分要考慮與圓型罐體的單元節(jié)點(diǎn)連接，如果直接使用矩形樓板剖分是很難實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可以使用SAP2000編輯命令中使

40、用從模板中添加模型功能，選擇“管和板”模板，將帶有圓洞的矩形板和圓形板（圖28-27）進(jìn)行組合。圖28-27 模型底板開洞及罐體底板示意圖需要注意圓洞和圓板的R選擇為罐體的半徑2.5m，兩個(gè)部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠史?，然后組合形成如圖28-28的厚板模型。圖28-28 模型模型底板及剖分示意圖我們可以看到圓板與圓洞的邊界部分大部分節(jié)點(diǎn)并沒有匹配，因此需要使用程序中面單元的自動(dòng)線約束功能，以保證有限元分析中面單元節(jié)點(diǎn)的連續(xù)性。2荷載施加本算例考慮了以下荷載作用：（1）地震作用：地震烈度8度，最大影響系數(shù)為0.16；場地特征周期0.4s。（2）風(fēng)荷載作用：地面粗糙度B類，基本風(fēng)壓0.45kN/m2（3）內(nèi)

41、部液體的壓力荷載，內(nèi)部液體重度為10kN/m3（4）溫度梯度：考慮罐體內(nèi)部與外部溫差為50度圖28-29模型液體內(nèi)部壓力底板部分定義需要注意的是對(duì)于該結(jié)構(gòu)，地震和風(fēng)荷載作用需要考慮結(jié)構(gòu)罐體充滿液體和完全空置兩種狀態(tài)，不考慮罐內(nèi)液體流動(dòng)的減震效果。由于結(jié)構(gòu)是柱面體系，并且結(jié)構(gòu)沒有明顯的剛性隔板，因此風(fēng)荷載考慮使用面對(duì)象進(jìn)行施加，體型系數(shù)使用如圖28-30所示的值。圖28-30 模型風(fēng)荷載體形系數(shù)定義示意圖3、分析結(jié)果（1）模態(tài)分析對(duì)于該結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，我們使用兩個(gè)模型考慮了兩種情況（罐體中充滿液體和空置）兩種極端狀態(tài)的模態(tài)分析。表28-1給出的是兩種情況下結(jié)構(gòu)前十二個(gè)振型的模態(tài)基本信息。表28-

42、1 兩種情況的模態(tài)信息振型序號(hào)充滿液體時(shí)空置時(shí)周期（s）周期（s）10.2718030.06332820.2484330.05520330.2454030.0546940.2305490.05102350.2273350.04854560.2216260.04724370.0915230.03213580.0905130.03077290.0846410.028916100.0844140.021357110.0839570.020323120.0834050.019668從表中我們可以看到由于罐體內(nèi)是否存在液體，對(duì)于結(jié)構(gòu)的自重影響是非常大的，因此對(duì)于模態(tài)周期的結(jié)果，兩種模型的自振周期相差是非

43、常大的，每個(gè)振型周期基本相差了45倍，由此帶來結(jié)構(gòu)地震作用的影響是不容忽視的。雖然兩種情況下結(jié)構(gòu)的振型周期相差是比較大的，但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系比較簡單，無論是否充滿液體，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量都是集中在上部罐體部分，因此結(jié)構(gòu)的振型形狀是比較相近的。圖28-31給出了結(jié)構(gòu)在罐體空置狀態(tài)下前四個(gè)振型的振型變形圖。圖28-31 算例前四階振型變形圖（2）地震作用下結(jié)構(gòu)效應(yīng)同樣對(duì)于地震作用效應(yīng)我們也考慮了儲(chǔ)液罐中充滿液體和空置兩種狀態(tài)，為了綜合的比較分析結(jié)果，我們給出了框架部分（包括斜撐）的地震作用效應(yīng)和罐體以及底部承臺(tái)板的應(yīng)力狀態(tài)。表28-2 框架部分地震作用效應(yīng)項(xiàng)目X方向剪力Y方向剪力X方向傾覆力矩Y方向傾覆力矩

44、充滿液體8752.089762.867853.6711367.42空置時(shí)715.93809.69638.32928.21從框架部分的地震作用效應(yīng)可以看出，結(jié)構(gòu)在兩種狀態(tài)下的地震作用相差是巨大的，考慮液體充滿時(shí)地震作用下的剪力和傾覆力矩比空置時(shí)大了十倍以上。這主要是來源于兩個(gè)方面，一個(gè)方面是由于前面我們所看到兩種結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果差異，兩種情況下的第一振型周期都沒有超過場地特征周期Tg=0.4s，并且在空置狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的第一周期只有0.06s，小于0.1s，因此根據(jù)我國規(guī)范反應(yīng)譜曲線的信息，可以知道兩種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)存在比較大的差異，而且是充滿液體狀態(tài)比空置狀態(tài)大。另外在充滿液體時(shí)結(jié)構(gòu)的

45、質(zhì)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空置時(shí)的質(zhì)量（在程序中使用的是附加質(zhì)量來考慮的），因此這也導(dǎo)致了地震作用的差異。（a）第一種情況 （b）第二種情況圖28-32 算例水平雙向地震作用下最大主應(yīng)力圖從上圖28-32給出的結(jié)構(gòu)兩種狀態(tài)罐體和承臺(tái)板的應(yīng)力狀態(tài)可以看出，兩種狀態(tài)的應(yīng)力差值相差是比較大的，而且從結(jié)構(gòu)整體來看，結(jié)構(gòu)罐體部分應(yīng)力相對(duì)是比較小的，而極值主要發(fā)生在承臺(tái)板部位，因此我們單獨(dú)將底板提出來進(jìn)行了相關(guān)比較分析。第一種情況底部承臺(tái)板的應(yīng)力狀態(tài)（圖28-33）：（a）S11 （b）S22（c）S13 （d）S23圖28-33 模型1地震作用下底板正應(yīng)力和剪應(yīng)力圖第二種情況底部承臺(tái)板的應(yīng)力狀態(tài)（圖28-34）：（

46、a）S11 （b）S22（c）S13 （d）S23圖28-34 模型2地震作用下底板正應(yīng)力和剪應(yīng)力圖從上面圖28-33和圖28-34可以看出在兩種情況下，水平地震作用下承臺(tái)板應(yīng)力分布特征是相似的，正應(yīng)力極值主要出現(xiàn)在罐體和承臺(tái)板相交的圓環(huán)范圍內(nèi)，并且是在罐體底板范圍以外，而剪應(yīng)力主要發(fā)生在承臺(tái)板罐體與框架梁之間，二者距離越短的位置剪應(yīng)力越大，這也是符合這一結(jié)構(gòu)的基本特征的。雖然分布特征相似，但是兩種狀態(tài)下，兩個(gè)方向正應(yīng)力和兩個(gè)方向的剪應(yīng)力絕對(duì)值相差卻是比較大的，相同的位置兩種狀態(tài)下的應(yīng)力值相差在45倍之間，應(yīng)力極值相差為5倍作用，與框架部分的效應(yīng)相同，罐體充滿液體的時(shí)候應(yīng)力值要大，原因與我們前

47、面所描述的相同。對(duì)于此算例結(jié)構(gòu)體系地震作用分析，從動(dòng)力學(xué)角度講，在一定的地震頻率作用下，罐體內(nèi)部液體可能會(huì)發(fā)揮減震的效果，因此可能反而會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震更有利，這在一些其它專業(yè)文獻(xiàn)中也有關(guān)討論。這種作用的發(fā)揮取決于液體自振周期與地震作用周期的擬和程度，而液體的自振周期與液體的深度有關(guān)，因此從結(jié)構(gòu)最不利條件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，并不應(yīng)該考慮這一作用。此外，液體充滿整個(gè)罐體時(shí)是對(duì)結(jié)構(gòu)最不利的狀態(tài)，而這時(shí)液體的流動(dòng)自振將受到限制而很難發(fā)揮作用，因此在本算例計(jì)算分析時(shí)沒有考慮這一作用。（3）風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)于該結(jié)構(gòu)由于罐體的高度比較高，而且罐體直徑比較大，迎風(fēng)面積較大，因此需要對(duì)風(fēng)荷載作用下的效應(yīng)進(jìn)行考慮。由

48、于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，我們只考慮X方向風(fēng)荷載作用，圖28-35給出了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的變形圖。圖28-35 模型X方向風(fēng)荷載作用變形圖圖28-36給出了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下南立面框架柱彎矩圖，另一個(gè)立面框架柱彎矩與此相同。從圖中可以看到，風(fēng)荷載作用下框架部分的彎矩是比較小的，特別是與地震作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)相比，風(fēng)荷載幾乎是可以忽略的。圖28-36 X風(fēng)荷載作用下框架柱彎矩圖圖28-37給出了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布狀態(tài)，罐體和承臺(tái)板的正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較小，正應(yīng)力極值沒有超過0.1MPa，剪應(yīng)力極值沒有超過0.01MPa，因此不起控制作用。圖28-37 X風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖從風(fēng)荷載的

49、分析結(jié)果可以看出，相對(duì)于比較大的地震作用荷載和水壓力荷載，風(fēng)荷載的作用效應(yīng)是比較小的。因此風(fēng)荷載在這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中不起控制作用。（4）水壓力作用下結(jié)構(gòu)效應(yīng)在罐體內(nèi)儲(chǔ)存一定的液體時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)體系、特別是罐體和承臺(tái)板較大的液體壓力作用，而且這一壓力作用隨著液體量的增加而增大，因此這里我們給出了罐體內(nèi)充滿液體的壓力作用結(jié)果。（a） 罐體空置時(shí)框架柱軸力圖（b） 罐體充滿液體時(shí)框架柱軸力圖圖28-38 自重及液體壓力作用下框架柱軸力圖圖28-38給出了南立面框架柱在罐體空置狀態(tài)下（恒載作用下）和充滿液體狀態(tài)下（恒載+靜水壓力作用）軸力值，可以看出由于液體壓力作用使框架柱的軸力平均增加了百分之五十以

50、上，當(dāng)然對(duì)于框架部分的設(shè)計(jì)，可以考慮上部附加恒載來考慮液體的自重作用，但是在SAP2000程序中可以通過節(jié)點(diǎn)樣式施加真實(shí)的液體壓力狀態(tài)，通過液體壓力可以真實(shí)的反映液體自重對(duì)于下部框架部分的內(nèi)力影響。下圖28-39給出了罐體和承臺(tái)板部分殼體在靜水壓力作用下的最大正應(yīng)力作用和最大剪應(yīng)力作用：圖28-39液體壓力作用下結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力圖由于罐體本身是軸對(duì)稱體系，因此在靜水壓力帶來的罐體部分的剪應(yīng)力是比較小的，極值發(fā)生在罐體底部，為0.15MPa；而正應(yīng)力發(fā)生在底部四分之一高度位置，因?yàn)榈装宓募s束作用并非發(fā)生在底板連接部位，極值為0.67MPa。而相對(duì)而言底板的正應(yīng)力和剪應(yīng)力相對(duì)是比較大的。因此

51、此處單獨(dú)輸出了承臺(tái)板在靜水壓力和恒載綜合靜力作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)。第一種情況底部承臺(tái)板的應(yīng)力狀態(tài)（a）SMAX-頂面 （b）SMAX-底面（c）SMAXV-頂面 （d）SMAXV-底面圖28-40 靜荷載作用下結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力圖圖28-40（a）和（b）給出了靜載作用下的承臺(tái)板上下表面正應(yīng)力分布狀態(tài)，上表面罐體范圍內(nèi)為壓應(yīng)力，極值在-0.6MPa左右，罐體與框架梁之間為拉應(yīng)力，極值在1.8MPa；下表面罐體范圍內(nèi)為拉應(yīng)力，極值在0.9MPa左右，罐體與框架梁之間為壓應(yīng)力，極值在-0.4MPa。圖（c）和（d）給出了靜載作用下承臺(tái)板的剪應(yīng)力分布狀態(tài)，為了對(duì)比結(jié)果同時(shí)輸出了單獨(dú)恒載作用下剪應(yīng)力的分布狀

52、態(tài)，可以看出兩者的應(yīng)力分布狀態(tài)是相近的，極值出現(xiàn)在罐體與框架梁之間的部位，但是絕對(duì)值相差較大，單獨(dú)恒載作用下剪應(yīng)力極值為0.29MPa；恒載與水壓力荷載作用下剪應(yīng)力極值為0.56MPa，大致差了一倍左右。28.3.2 石化類結(jié)構(gòu)算例為了能夠說明SAP2000對(duì)石化類工業(yè)結(jié)構(gòu)的處理，我們給出如下某工程算例，該工程為化工類建筑，由框架結(jié)構(gòu)和工業(yè)設(shè)備組成。框架部分高78.38m，共十一層，其中底部三層為混凝土結(jié)構(gòu)，四層以上為鋼結(jié)構(gòu)。設(shè)備總高為45m，由鋼殼體組成，壁厚12mm16mm不等，內(nèi)部有附加恒載作用，考慮附加恒載的設(shè)備部分總重量為3540kN。設(shè)備通過局部厚板作用于三層混凝土框架上，圖28-

53、41中（a）為框架部分三維模型；（b）為設(shè)備部分的三維模型；（c）給出了結(jié)構(gòu)體系三維模型。（a）框架部分模型 （b）設(shè)備部分模型 （c）組合后算例模型圖28-41 石化類結(jié)構(gòu)算例模型三維圖1建模及模型組裝對(duì)于此模型，使用我們前面所描述的分塊建模然后組裝的方法。框架部分比較簡單，可以直接在程序的三維建模空間來完成，設(shè)備部分相對(duì)比較復(fù)雜，需要注意直徑的變化和連接部位的處理。當(dāng)兩個(gè)部分的模型建好以后，可以使用程序?qū)蓚€(gè)模型組裝成為一個(gè)模型，一般情況下是將設(shè)備模型導(dǎo)入到建筑結(jié)構(gòu)模型。2結(jié)構(gòu)及設(shè)備連接部位處理及分析算例中，設(shè)備直接通過樓板與結(jié)構(gòu)相連，局部的板厚進(jìn)行了加大，如圖28-42，該部分局部板厚為

54、1.2m。圖28-42 連接厚板局部模型與算例中模型相似，工業(yè)設(shè)備的高度可能會(huì)比較高，穿過建筑結(jié)構(gòu)若干樓層，設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間在大部分樓層位置不做任何連接的情況，結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間有一定的預(yù)留變形空間可以不考慮結(jié)構(gòu)之間的碰撞問題。圖28-43 設(shè)備穿越樓板部分局部模型但由于設(shè)備本身質(zhì)量分布存在嚴(yán)重的偏心，因此在懸挑部位中間部位使用雙向兩拉桿與框架梁相連（如圖28-44所示），拉桿兩端為鉸接。并且在該標(biāo)高位置使用恒力桿與結(jié)構(gòu)相連，根據(jù)恒力桿的特性在模型中直接使用荷載進(jìn)行模擬（如圖28-44所示）。 圖28-44組合結(jié)構(gòu)體系細(xì)部處理3結(jié)構(gòu)及設(shè)備作用的分別定義本算例考慮了以下荷載作用：（1）地震作用：地震烈

55、度8度，最大影響系數(shù)為0.16；考慮豎向地震作用（2）風(fēng)荷載作用：場地類別為B類，基本風(fēng)壓0.45kN/m2（3）設(shè)備內(nèi)部壓力荷載，內(nèi)部液體重度為10kN/m3（4）設(shè)備部分溫度梯度荷載：考慮設(shè)備內(nèi)部與外部溫差為50度4分析及結(jié)果討論結(jié)構(gòu)體系相關(guān)作用定義完成之后，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的整體分析。為了綜合比較傳統(tǒng)等效荷載方法和SAP2000整體分析方法的結(jié)果差異，在本算例中我們使用SAP2000進(jìn)行三種模型的分析：考慮設(shè)備等效荷載的傳統(tǒng)方法（簡稱M1）、設(shè)備部分單獨(dú)分析設(shè)計(jì)的模型（簡稱M2）和整體體系綜合分析模型（M3）。在本算例中，我們比較了模態(tài)分析結(jié)果，以及水平地震作用和豎向地震作用結(jié)果，因?yàn)轱L(fēng)荷載對(duì)于該結(jié)構(gòu)不起控制作用，并且風(fēng)荷載