摘  要：弦支穹頂結(jié)構(gòu)作為預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)與施工過(guò)程分析具有參數(shù)化性與迭代性。而SAP2000廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但其前、后處理功能相對(duì)較弱。自從V11版后開放API接口功能，即應(yīng)用軟件的編程接口。通過(guò)API可以方便的調(diào)用SAP2000軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的自動(dòng)建立、分析與結(jié)果輸出。本文以弦支穹頂結(jié)構(gòu)在SAP2000軟件設(shè)計(jì)與施工過(guò)程分析基礎(chǔ)，介紹API技術(shù)在提高弦支穹頂設(shè)計(jì)效率的應(yīng)用。通過(guò)分析三亞體育中心體育館工程張拉施工過(guò)程證明了程序的可行性，也表明API技術(shù)結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SAP2000   API  弦支穹頂結(jié)構(gòu)  設(shè)計(jì)  施工過(guò)程分析 

1 SAP2000•API技術(shù)簡(jiǎn)介

SAP2000是一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件工具，能夠應(yīng)付幾乎所有的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的要求。但在實(shí)際應(yīng)用SAP2000進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，前后處理的工作會(huì)占用工程師的大量時(shí)間和精力。

自從V11版后開放API接口功能，即應(yīng)用軟件的編程接口，通過(guò)API可以方便的調(diào)用SAP2000軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的自動(dòng)建立、分析與結(jié)果輸出對(duì)比。為此工程師僅僅需要知道一些簡(jiǎn)單的Basic編程語(yǔ)法即可利用API技術(shù)在Office軟件（Word、Excel等）上自動(dòng)生成計(jì)算書和分析圖表，在AutoCAD上自動(dòng)繪制施工圖等重復(fù)性強(qiáng)的工作。

2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過(guò)程分析流程

弦支穹頂概念于1994年由日本法政大學(xué)川口衛(wèi)教授首次提出。它是由R.B. Fuller 在20 世紀(jì)40 年代提出的張拉整體結(jié)構(gòu)演變而來(lái)，但由于當(dāng)時(shí)施工條件、材料及理論水平的限制張拉整體結(jié)構(gòu)很難大范圍的推廣。

弦支穹頂結(jié)構(gòu)由上層單層球面網(wǎng)殼和下層環(huán)索、斜索通過(guò)豎桿連接而成的雜交空間結(jié)構(gòu)形式。下部索桿體系的拉索為高強(qiáng)材料，使鋼材的利用更加充分，結(jié)構(gòu)自重及造價(jià)因此降低，通過(guò)對(duì)下部索桿體系的拉索施加預(yù)張力，對(duì)上部網(wǎng)殼產(chǎn)生反向的變形和內(nèi)力，使之在荷載作用下桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移均小于相應(yīng)的單層網(wǎng)殼。同時(shí)邊界約束也大為降低，使弦支穹頂在跨越更大跨度方面具有較大潛力。

同時(shí)弦支穹頂結(jié)構(gòu)具有建筑美觀、結(jié)構(gòu)節(jié)省、施工簡(jiǎn)單、綜合性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。在中國(guó)應(yīng)用不過(guò)十余年的光景，工程項(xiàng)目十余個(gè)，其前景非常廣泛。

作為一種新型雜交的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系，弦支穹頂結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工具有其特殊性。由于預(yù)應(yīng)力的引入將調(diào)整結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力分布，在前期的初步設(shè)計(jì)階段需作大量的對(duì)比分析工作對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)選，例如矢跨比、撐桿高度、網(wǎng)格和撐桿體系密度等。如果依靠手工調(diào)整計(jì)算模型及數(shù)據(jù)整理，設(shè)計(jì)周期會(huì)非常長(zhǎng)，但借助API技術(shù)可將設(shè)計(jì)變?yōu)椤皡?shù)化”設(shè)計(jì)過(guò)程，因?yàn)樵诔醪皆O(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)取決于幾個(gè)關(guān)鍵的計(jì)算結(jié)果。為此在參數(shù)化設(shè)計(jì)之前，有必要了解弦支穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)及施工過(guò)程分析流程。

2.1弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比，弦支穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要素還包括索桿體系的布置及初始預(yù)應(yīng)力等。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下表所示。

表1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制目標(biāo)包括：剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、索力等。

表2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)上表可知，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵控制目標(biāo)是結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和拉索在全生命過(guò)程的索力值。

2.2弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程分析流程

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)和普通鋼結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)需主動(dòng)對(duì)索（拉桿）施力，而普通鋼結(jié)構(gòu)僅是被動(dòng)承受重力荷載等。根據(jù)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工和使用過(guò)程，其狀態(tài)可分為以下三個(gè)階段：放樣態(tài)、預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)、工作狀態(tài)。

同時(shí)弦支穹頂結(jié)構(gòu)不同于張弦結(jié)構(gòu)，其下部索桿體系呈空間分布，在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程每一圈索桿都是相互影響的。因此確定合理的張拉順序是確保張拉完成后的內(nèi)力分布是與設(shè)計(jì)結(jié)果一致的有利保障，并且也可以減小現(xiàn)場(chǎng)人工“迭代”的次數(shù)，即張拉前應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工過(guò)程仿真分析。此外在預(yù)應(yīng)力張拉施工過(guò)程分析之前必需通過(guò)“找力”分析確定結(jié)構(gòu)的初始預(yù)應(yīng)力。

圖3正裝法預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程分析流程

3 SAP2000•API技術(shù)在弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工分析通常利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行整體屋蓋穩(wěn)定分析及施工過(guò)程驗(yàn)算，利用Midas或SAP2000有限元軟件時(shí)進(jìn)行體系靜動(dòng)力分析、構(gòu)件截面驗(yàn)算等。由于ANSYS的參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL給設(shè)計(jì)人員很大的發(fā)揮空間，同時(shí)也提升了弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)門檻。

然而自從SAP2000的API技術(shù)推出之后弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工分析工作也可在SAP2000的平臺(tái)上變得“參數(shù)化”，同時(shí)操作界面較ANSYS也更加習(xí)慣、友好，更加有益于推廣弦支穹頂結(jié)構(gòu)在大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

下面以弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過(guò)程的分析項(xiàng)目為例，基于SAP2000的API技術(shù)在Excel的VBA開發(fā)平臺(tái)上介紹正裝法施工過(guò)程分析以及輔助設(shè)計(jì)程序的開發(fā)。

3.1正裝法施工過(guò)程分析

弦支穹頂結(jié)構(gòu)張拉順序通常從外環(huán)到內(nèi)環(huán)進(jìn)行第一階段90%的預(yù)應(yīng)力張拉，然后支撐體系主動(dòng)卸載，最后從內(nèi)環(huán)到外環(huán)進(jìn)行第二階段100%的預(yù)應(yīng)力張拉。

由于每個(gè)階段每環(huán)索力相對(duì)于最終張態(tài)索力均成等比例變化，以三亞體育館中心體育館的張拉施工過(guò)程為例，通過(guò)張拉環(huán)索共8個(gè)子步建立預(yù)應(yīng)力，在預(yù)緊階段（STEP1）環(huán)索建立10%的目標(biāo)索力，主動(dòng)落架后（STEP5）為90%的目標(biāo)索0力，張拉完成后（STEP8）索力達(dá)到100%。可見利用SAP2000的施工過(guò)程分析通過(guò)迭代試算關(guān)鍵荷載步的初應(yīng)變（通過(guò)應(yīng)力與應(yīng)變換算公式求得），即可控制STEP1、STEP5和STEP8的環(huán)索力。程序的編制思路如下圖所示。

表3 預(yù)應(yīng)力張拉各階段環(huán)索索力

圖4 程序運(yùn)行流程

圖5 源代碼

圖6 Excel交互式輸入界面

3.2其它輔助設(shè)計(jì)程序的開發(fā)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合工況包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、溫度荷載等。按照《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.1.3和3.1.4款的規(guī)定：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)包括預(yù)計(jì)應(yīng)力施工（單次或多次預(yù)應(yīng)力方案）階段和使用階段的各種工況。對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及連接強(qiáng)度的計(jì)算，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合，對(duì)變形的計(jì)算，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合值。預(yù)應(yīng)力效應(yīng)屬永久荷載效應(yīng)。

在進(jìn)行諸如弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合計(jì)算包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、溫度荷載等。按照以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，恒荷載有1種，活荷載有2~3種，風(fēng)荷載有4~8種，地震荷載有3~6種，溫度荷載有2種，針對(duì)上述的荷載作用，保守估計(jì)設(shè)計(jì)人員需要填寫的極限承載力狀態(tài)荷載組合數(shù)有48種。若人工輸入費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且容易出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤，影響最終的結(jié)果判斷。但若通過(guò)SAP2000•API的SAPObject.SAPModel.RespCombo.Add函數(shù)并配以嵌套循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)荷載工況的DIY組合，方便快鍵，省時(shí)高效。

圖7自動(dòng)荷載組合輸入與輸出界面

4 結(jié)論

本文介紹了SAP2000的API技術(shù)以及弦支穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程分析流程。并且以弦支穹頂結(jié)構(gòu)在SAP2000軟件設(shè)計(jì)與施工過(guò)程分析基礎(chǔ)，

介紹API技術(shù)在提高弦支穹頂設(shè)計(jì)效率的應(yīng)用。通過(guò)分析三亞體育中心體育館工程張拉施工過(guò)程證明了程序的可行性，也表明API技術(shù)結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域有較好的實(shí)用價(jià)值。

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