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sap2000的特殊功能——截面切割與節點區
李立張洪偉
(北京金土木軟體技術**** 100044)
1 截面切割
「截面切割」是sap2000中用於求解合力的有效工具。通常，截面切割有三種使用方式：1）直接繪製；2）定義組輸出；3）定義四邊形切割面。下面以乙個算例來說明三種方式的具體應用。
如圖1，工字形截面的簡支梁，線單元模型計算分析後得到自重作用下的跨中彎矩為 。以麵單元建立乙個完全相同的模型，試通過截面切割的方法求解跨中彎矩。
圖1 線單元模型跨中彎矩
方法1 ：直接繪製
顯示應力雲圖，將3d 檢視（圖2上）調整為立面效果，此時仍具備3d 的投影關係（圖2下），在此檢視中，沿梁的跨中位置繪製截面切割線，在彈出的對話方塊中即可得到合力結果。如圖3，通過方法1計算得到的跨中彎矩為9.69 。
圖2 面單元模型應力圖
在顯示合力結果的對話方塊（圖3）中，需注意以下幾點： 1）截面切割線的起始點、結束點用於確定求和範圍。其座標值一般需要重新輸入，以確保準確的切割位置。
這裡需要輸入點的x 、y 座標，對應螢幕上水平和豎直兩個方向，注意不要和模型整體座標系的x 、y 方向混淆。
2）合力點位置在預設情況下取起始、結束兩點座標的平均值，根據實際情況可人為修改。「角度」值為截面切割合力的1軸與整體座標系x 軸的夾角，正值代表從上向下看逆時針方向的夾角。因而「角度」就確立了合力1、2軸的方向。
圖3 繪製截面切割結果顯示框
3）當「角度」值為零時，合力1、2、z 軸代表整體座標系的x 、y 、z 。左、右側分別代表截面切割線的兩側，左右的區分與切割線的方向和「角度」相關。一般地，可以通過合力值的正負號來判斷左、右兩側會更加方便。
本例中，首先進行了檢視調整，這是由於「直接繪製」法更適用於平面/立面顯示的檢視，或具有平面效果的3d 檢視，這樣才能準確地描述切割的範圍和物件。在乙個任意方向顯示的3d 檢視中繪製截面切割，通常是沒有明確意義的。此外，截面切割線不宜通過單元節點，這樣會給合力統計帶來問題。
所以在繪製截面切割時要避開節點位置。
方法2： 定義組輸出。
選擇位於跨中的面物件以及相應臨近跨中一側的節點（圖4），將其定義為一組。再使用定義截面切割命令，選擇截面切割的定義來自於組（圖5）。通過「顯示**」命令中「結構輸出」一項中「section cut forces 」**即可檢視合力。
如圖6，通過方法2得到的跨中彎矩值為9.70 。
圖4 選擇麵物件及節點定義到組
圖5 定義截面切割來自於組
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圖6 組的合力結果輸出
該方法的關鍵是組的合理定義。組中不僅包括求和的物件，還應有物件在求和位置上的節點。例如本例中，選擇跨中附近的面物件及其靠近跨中一側的節點（圖4），sap2000將在所選節點的位置進行求和。
方法3：定義四邊形切割面。
在圖5中可以看到，定義截面切割的另一種方式——來自四邊形切割面。本例中，定義乙個空間中位於跨中附近、平行於y 、z 軸的切割面（如圖7中四邊形節點座標值所示）。同樣通過「顯示**」命令可檢視切割面切到的所有單元的合力。
如圖8，通過方法3得到的跨中彎矩值為9.70 knm 。
圖7 定義切割面
圖8 切割面的合力輸出
注意，在定義切割麵時，x 座標輸入值為2.99m ，而不是跨中的x 座標3m 。這是由於x ＝3m 處存在單元節點，而切割面的空間位置不宜通過單元節點，故取相鄰位置。
方法2，3都是通過命令「定義》截面切割」來實現合力計算，合力點的位置和合力方向在對話方塊中確定。預設情況下，合力點的位置是所有物件點座標的平均值，合力方向（分析內力）1、2、3軸與整體座標的x 、y 、z 相對應。
綜上，繪製截面切割（方法1）簡單易行，但要注意選擇合適的顯示檢視；定義截面切割（方法2、3）使得求和物件明確，使用更靈活。當統計某個構件區域性的內力或若干構件共同承擔的合力時，截面切割都是乙個便捷的工具。 we learn we go
2 節點區
節點區在sap2000中主要是用來模擬鋼結構節點的非剛性連線屬性。在結構分析中，對於整體澆築的混凝土結構，假定節點區為剛性是符合實際的，但是對於鋼結構，其節點連線剛性普遍不如混凝土的剛性大，並且採用不同的連線形式的節點，剛性差異也比較大，故鋼結構的節點假定為剛體是不符合實際的，為了真實地模擬出鋼結構節點連線的這種非剛性連線屬性，需要對該節點進行節點區的指定。通過節點區的指定可以定義相交桿件在節點位置剛性的主次關係
和剛度大小，輸出的結果也是按照兩個節點分別輸出，雖然這兩個節點在幾何位置上是乙個點，但作為主、次桿件的兩個端點將分別得到內力和位移。
圖9 定義節點區對話方塊
(1)連線性的定義
節點區的連線性定義節點區連線構件的屬性，連線性區域中有兩個選項：樑到其它物件、支撐到其它物件，即梁和其它物件、支撐和其它物件的連線節點區。對於節點連線，sap2000將產生兩個分離的節點來模擬節點區，所有梁構件與這兩個節點中的乙個相連，而所有的柱構件與另乙個節點相連。
這兩個節點通過與具有節點區指定屬性的乙個零長度彈簧相連，該彈簧的屬性可通過連線屬性來定義。
圖10 連線性示意圖
(2)連線屬性的定義
a. 來自柱的彈性屬性。選擇該項，相當於是把柱子的主軸和次軸彎曲剛度賦值給節點區的零長度彈簧。
b. 來自柱和疊合板的彈性屬性。選擇該項時，需要指定乙個疊合板的厚度，相當於是把柱的腹板厚度改為最初的腹板厚度加上乙個疊合板的厚度，並計算這個修改後的截面屬性。
程式會根據這個修改後的主軸和次軸的彎曲剛度賦值給節點區的零長度彈簧。
c. 來自指定的彈簧屬性。選擇該項時，需要給節點區的零長度彈簧賦予主軸和次軸的彎曲剛度，單位為： 或者 等，依據主單位而定。該值的計算可依據彎矩與曲率之間的關係：
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ei m =
，並由此得到彎曲剛度為：
m =ei 。
d. 來自指定的連線屬性。該選項主要是為節點區指定乙個連線單元屬性，代替程式預設的零長度彈簧。首先要定義乙個連線單元才能啟用該選項。
注意對於前三項定義的節點區連線屬性是針對梁、柱節點而言的，第四項不僅可以定義梁、柱節點的連線屬性，還可以定義支撐到其它物件的節點區的連線屬性。
(3)節點區的輸出約定
sap2000可以輸出節點區的位移、變形和內力分析結果，sap2000中對輸出結果有確定的輸出約定。
a.位移輸出約定。給節點指定節點區後，程式在節點區會產生兩個節點（如前述的1、2節點），這兩個節點之間可以產生差異平移。
因而sap2000中可以輸出模型中節點區兩個節點全部6個自由度方向的位移。
圖11 節點位移輸出
b.內部變形輸出約定。給節點指定節點區後，節點區內部分離出來的兩個節點之間會產生差動平移和旋轉，使節點區產生內部變形。sap2000可以輸出節點區的內部變形。
圖12 節點區變形輸出
c.節點區內力約定。節點區內力輸出的意義在於：
顯示有多少不平衡的荷載通過節點區傳遞。如：連線梁柱節點的節點區內力可說明有多少不平衡彎矩從橫樑傳遞到柱。
節點區單元是零長度單元，其內力計算同連線單元的內力計算。
圖13 節點區內力輸出
利用sap2000節點區這一特殊功能，可以較為真實地模擬出鋼結構節點的非剛性連線屬性，這對於鋼結構的節點設計具有一定的參考和指導意義。
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