SAP2000在工程結(jié)構(gòu)分析專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用★

胡瀟 何凌

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059;2.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都 610039)

0 引言

SAP2000是由美國Computers and Structures Inc.(CSI)公司開發(fā)研制的集成化的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件，它可以對建筑結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、橋梁、管道、大壩等不同體系類型的結(jié)構(gòu)進行分析和設(shè)計，也可以根據(jù)需要完成各個地區(qū)的結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計。它的應(yīng)用具有以下優(yōu)點:

1)集成化的環(huán)境。SAP2000提供了一個集成化的視圖環(huán)境，學(xué)生可以在同一界面中完成模型的建立、運行、設(shè)計以及分析結(jié)果的輸出顯示。由于操作界面是三維環(huán)境，在多視圖環(huán)境下可以進行平面、立面、三維建模以及實時動態(tài)顯示，配合功能強大的視圖管理功能，是真正意義上“可視化”的結(jié)構(gòu)分析軟件。

2)強大的分析功能。SAP2000強大的計算功能已得到國際業(yè)界的公認，它幾乎囊括了所有結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)的最新結(jié)構(gòu)分析功能，多年的發(fā)展，使得該軟件積累了豐富的結(jié)構(gòu)計算分析經(jīng)驗，為工程師提供最可靠的計算分析結(jié)果。

3)一體化的設(shè)計功能。在設(shè)計能力方面，SAP2000是一個一體化的設(shè)計程序，可以完成各種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計，全面輸出結(jié)構(gòu)體系分析和設(shè)計整體結(jié)果和構(gòu)件設(shè)計詳細信息;在設(shè)計方式方面，SAP2000采用傳統(tǒng)設(shè)計方式與交互式圖形方式相結(jié)合進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用多種國際結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，使得SAP2000的結(jié)構(gòu)設(shè)計功能更加強大和有效。

基于以上優(yōu)點以及SAP2000的易學(xué)、易懂、易用的特性，我們將它引入到了“結(jié)構(gòu)分析與仿真I”這門課程的教學(xué)中，采用了西南交通大學(xué)彭俊生老師編寫的《結(jié)構(gòu)概念分析與SAP2000應(yīng)用》這本教材，學(xué)生只要具備了結(jié)構(gòu)分析的基本力學(xué)概念、結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)知識，通過這門課的學(xué)習(xí)很快就能夠熟練掌握SAP2000的基本分析與計算。

1 工程結(jié)構(gòu)分析專業(yè)的特點及教學(xué)要求

本校工程結(jié)構(gòu)分析專業(yè)的特點是專門培養(yǎng)具有扎實的力學(xué)理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)分析及程序設(shè)計能力、大型工程軟件應(yīng)用與開發(fā)能力和實驗技能，又可以對有一定工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識和基本工程技能訓(xùn)練的高級專門技術(shù)人才進行強化培訓(xùn)。培養(yǎng)出的學(xué)生能勝任企業(yè)、設(shè)計部門、科研單位從事工程結(jié)構(gòu)分析、工程軟件開發(fā)、應(yīng)用及設(shè)計等工作，可以從事土木工程、機械工程、化工及運載工具、核工程、航空航天等各種工程結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及安全性評估等工作，也可在教育部門從事研究和教學(xué)工作。

在工程結(jié)構(gòu)分析教學(xué)過程中，結(jié)構(gòu)力學(xué)是與結(jié)構(gòu)分析計算息息相關(guān)的學(xué)科。在計算機出現(xiàn)之前，人們多以手算為主，將精力集中在如何構(gòu)造一些巧妙的分析求解方法，這些方法反映了結(jié)構(gòu)力學(xué)中豐富的學(xué)術(shù)精髓，但也受到了計算手段的限制，而隨著計算機的出現(xiàn)，當今計算軟件的快速發(fā)展，在學(xué)生學(xué)習(xí)了矩陣位移法和有限元法為代表的計算方法以后，我們完全可以借助優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)分析軟件，快速可靠地進行結(jié)構(gòu)分析計算與仿真，并且還可以延伸到實際工程結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計、科學(xué)研究中去。因此將結(jié)構(gòu)力學(xué)與計算機軟件相結(jié)合進行教學(xué)，便是“結(jié)構(gòu)分析與仿真I”這門課的核心內(nèi)容。

“結(jié)構(gòu)分析與仿真I”課程的教學(xué)要求是希望學(xué)生能夠熟練掌握SAP2000的基本用法與操作，能夠運用軟件獨立進行結(jié)構(gòu)計算分析與設(shè)計，由于教學(xué)對象是本科學(xué)生，所以這里的計算分析僅局限于線性靜力分析。

2 教材選用

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)分析專業(yè)的學(xué)科特點，課程要求，學(xué)生層次，我們嘗試將通用的商品程序SAP2000引入本科教學(xué)中，采用西南交通大學(xué)彭俊生老師編寫的《結(jié)構(gòu)概念分析與SAP2000應(yīng)用》作為教材，其內(nèi)容如下:

目錄

第一章 結(jié)構(gòu)分析的計算機方法

第二章 桿系結(jié)構(gòu)的矩陣位移方法

第三章 SAP2000的功能及單元庫

第四章 SAP2000結(jié)構(gòu)分析模型

第五章 SAP2000圖形用戶界面

第六章 梁式結(jié)構(gòu)的靜力分析

第七章 框架結(jié)構(gòu)的靜力分析

第八章 桁架結(jié)構(gòu)的靜力分析

第九章 拱式結(jié)構(gòu)的靜力分析

第十章 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的靜力分析

第十一章 移動荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析

第十二章 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的分析

第十三章 橋梁結(jié)構(gòu)的靜力分析

第十四章 結(jié)構(gòu)的塑性與結(jié)構(gòu)破壞過程的分析

第十五章 計算模型及構(gòu)造性能

第十六章 結(jié)構(gòu)分析課程設(shè)計

這里的結(jié)構(gòu)概念分析，是指對基礎(chǔ)力學(xué)課程中所學(xué)內(nèi)容的共同特點進行抽象、概括與總結(jié)，著重從概念上分析各類結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和特點，而后借助軟件程序?qū)Ω黝惤Y(jié)構(gòu)進行變形、內(nèi)力的計算，通過對這些計算結(jié)果的分析與展現(xiàn)，使學(xué)生真正了解各類結(jié)構(gòu)的特性，而不是一味的沉溺于軟件本身的操作當中。

3 課程設(shè)置

本課程安排在第5學(xué)期，即大三上學(xué)期，之前學(xué)生已經(jīng)上過理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等課程，都為這門課的學(xué)習(xí)打下了堅實的力學(xué)基礎(chǔ)。

本課程的教學(xué)學(xué)時為32學(xué)時，學(xué)生上機為8學(xué)時，每學(xué)期人數(shù)為30人左右，并配有相應(yīng)的上機實踐習(xí)題冊。課程最后的成績由筆試和結(jié)構(gòu)分析課程設(shè)計報告兩部分組成。

4 學(xué)時安排

根據(jù)本專業(yè)的教學(xué)要求，學(xué)時安排如表1所示。

表1 學(xué)時安排

5 說明

1)前1，2項，由于矩陣位移法與有限元法的內(nèi)容在之前已經(jīng)學(xué)習(xí)完畢，所以這部分內(nèi)容概括講述，目的是復(fù)習(xí)之前的基本知識。2)中間3項～5項，主要是介紹SAP2000的用戶界面，基本命令功能，模型建立，運行分析，輸出比較，使學(xué)生能夠初步了解一個簡單力學(xué)問題的分析過程與步驟，從中熟悉SAP2000軟件的基本用法。3)最后6項～10項，是運用SAP2000對各類靜力學(xué)問題的定性分析。在教學(xué)中，運用軟件的“機算”結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)的“手算”結(jié)果互相驗證、對照，即是結(jié)構(gòu)理論分析與計算機實踐相結(jié)合，不但能夠掌握軟件的應(yīng)用，同時也對結(jié)構(gòu)力學(xué)這門課程的基本概念、計算方法有更深刻的認識。4)教材其他章節(jié)關(guān)于SAP2000在工程結(jié)構(gòu)上的分析運用，則安排到選修課，針對有興趣的學(xué)生進行進一步提高學(xué)習(xí)。

6 結(jié)語

將SAP2000通用結(jié)構(gòu)分析程序與結(jié)構(gòu)力學(xué)相結(jié)合進行教學(xué)，對初學(xué)者而言:力學(xué)知識具有一定的難度，而力學(xué)結(jié)構(gòu)分析軟件的學(xué)習(xí)過程存在枯燥、乏味等特點，所以在教學(xué)中如何提高學(xué)生興趣，如何達到軟件的易學(xué)、易懂、易用，如何增強學(xué)生主動學(xué)習(xí)、思考、鉆研問題的能力是本專業(yè)教學(xué)急需解決的問題，我的總結(jié)如下。

6.1 應(yīng)用多媒體教學(xué)

利用軟件的可視化，可以讓學(xué)生直觀了解用戶界面的布置以及各種菜單、工具功能的應(yīng)用;通過演示，力學(xué)問題的建模，分析運行，結(jié)果輸出都一目了然展示在學(xué)生面前，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

豐富的圖形可以顯示結(jié)構(gòu)整體的變形圖、內(nèi)力圖(彎矩圖、剪力圖和軸力圖)和單根桿件的變形圖、內(nèi)力圖以及各截面內(nèi)力數(shù)值。同時還可以用動畫顯示幾何可變體系、變形圖、振型等動態(tài)圖形，使得分析計算更加豐富、生動。

結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)知識進行問題的定性分析，通過課堂上軟件的應(yīng)用，可討論多種變化條件的力學(xué)問題，通過演示進行對比分析，試驗或驗證，得出正確結(jié)論，提高學(xué)生的參與性與能動性。

結(jié)合以上方式，加上教師深入淺出的講解，能達到使學(xué)生在課堂上易學(xué)、易懂的教學(xué)目的。

6.2 課后實踐

課后安排學(xué)生充裕的上機時間以及大量的例題進行實踐演練，同時也提供定量結(jié)構(gòu)力學(xué)習(xí)題要求學(xué)生得出其變形圖、支座性質(zhì)的動態(tài)顯示;整體、單桿內(nèi)力圖繪制、截面內(nèi)力顯示;支座反力、荷載的顯示。通過大量例題與習(xí)題的分析計算，不僅鞏固了課堂上的所學(xué)知識，還可以幫助學(xué)生輕松駕馭該軟件的操作，同時加深對結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的理解和提高思考問題的能力。

以上兩者相結(jié)合的教學(xué)方式，使學(xué)生最終熟練掌握SAP2000的基本應(yīng)用與結(jié)構(gòu)分析，加深理論知識的理解以及應(yīng)用，同時也有利于本科學(xué)生今后將它直接延伸到實際工程結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計、科學(xué)研究中去。

［1］彭俊生，羅永坤，彭 地.SAP2000在高校教學(xué)中的應(yīng)用［A］.金土木結(jié)構(gòu)軟件全國用戶大會CUC’08論文集［C］.2008:268-272.

［2］北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標準技術(shù)研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］彭俊生，羅永坤.結(jié)構(gòu)概念分析與SAP2000應(yīng)用［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2005.