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结构力学仿真软件：SAP2000：非线性分析基础

1绪论

1.1非线性分析的定义和重要性

非线性分析在结构力学领域中，是指结构在荷载作用下，其响应与荷载之

间不遵循线性关系的分析方法。这种分析方法考虑了材料的非线性、几何的非

线性以及边界条件的非线性，能够更准确地预测结构在极端条件下的行为，如

地震、风荷载或重载作用下。非线性分析的重要性在于它能够揭示结构的真实

性能，帮助工程师设计更安全、更经济的结构。

1.2SAP2000软件介绍

SAP2000是一款由ComputersandStructures,Inc.开发的高级结构分析和设

计软件。它提供了全面的线性和非线性分析功能，能够处理各种类型的结构，

包括桥梁、高层建筑、工业设施等。SAP2000的非线性分析模块特别强大，能

够模拟复杂的材料和几何非线性，以及大位移效应，是进行结构非线性分析的

理想工具。

2非线性分析在SAP2000中的应用

2.1材料非线性

在SAP2000中，材料非线性可以通过定义非线性材料模型来实现。例如，

混凝土和钢材的非线性行为可以通过多种模型来描述，如多线性模型、弹塑性

模型或损伤模型。下面是一个使用SAP2000定义混凝土非线性材料模型的例子：

#定义混凝土非线性材料模型

Material=sap2000api.Material

Material.AddMaterial(Concrete,sap2000api.eMaterialTypeConcrete)

Material.SetMaterialProperty(Concrete,1,24000,0.2,1.5e7,0.003,0.0035,0.003,0.0035,0.00

3,0.0035,0.003,0.0035)

在这个例子中，我们首先通过AddMaterial函数定义了一个名为“Concrete”

的混凝土材料。然后，我们使用SetMaterialProperty函数来设置混凝土的非线

性属性，包括密度、泊松比、弹性模量、以及在不同应力水平下的应变值。

2.2几何非线性

几何非线性分析考虑了结构在大位移或大转动下的变形效应。在SAP2000

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中，可以通过选择非线性分析类型来激活几何非线性。例如，使用AnalysisType

函数可以设置分析类型为非线性大位移分析：

#设置分析类型为非线性大位移分析

Analysis=sap2000api.Analysis

Analysis.SetAnalysisType(sap2000api.eAnalysisTypeNonlinearLargeDisplacement)

通过设置分析类型为非线性大位移，SAP2000将在分析过程中考虑结构的

几何非线性，确保分析结果的准确性。

2.3边界条件非线性

边界条件非线性通常涉及到接触、间隙或摩擦等效应。在SAP2000中，可

以通过定义非线性约束来模拟这些效应。例如，定义一个接触约束：

#定义接触约束

Constraint=sap2000api.Constraint

Constraint.AddConstraint(Contact,sap2000api.eConstraintTypeContact)

Constraint.SetConstraintProperty(Contact,1,0.3,0.001,0.001,0.001,0.001,0.001,0.001)

在这个例子中，我们首先通过AddConstraint函数定义了一个名为“Contact”

的接触约束。然后，我们使用SetConstraintProperty函数来设置接触约束的属性，

包括摩擦系数、间隙大小等。

3非线性分析案例

假设我们有一个简单的两层框架结构，需要进行非线性分析以评估其在地

震荷载下的性能。以下是使用SAP2000进行非线性分析的步骤：

1.定义结构模型：在SAP2000中建立结构模型，包括节点、单元、

材料和截面。

2.定义荷载：应用地震荷载，可以是时程分析或反应谱分析。

3.设置非线性分析参数：选择非线性分析类型，定义材料、几何和

边界条件的非线性。

4.运行分析：执行非线性分析，SAP2000将自动迭代求解