中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
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。通過分析三亞體育中心體育館工程張拉施工過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)用價值。
關(guān)鍵詞：SAP2000 API 弦支穹頂結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 施工過程分析
1 SAP2000•API技術(shù)簡介
SAP2000是一個功能強(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)的過程中，前后處理的工作會占用工程師的大量時間和精力。
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)模型的自動建立、分析與結(jié)果輸出對比。為此工程師僅僅需要知道一些簡單的Basic編程語法即可利用API技術(shù)在Office軟件（Word、Excel等）上自動生成計(jì)算書和分析圖表，在AutoCAD上自動繪制施工圖等重復(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，但由于當(dāng)時施工條件、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)自重及造價因此降低，通過對下部索桿體系的拉索施加預(yù)張力，對上部網(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。
同時弦支穹頂結(jié)構(gòu)具有建筑美觀、結(jié)構(gòu)節(jié)省、施工簡單、綜合性價比高等優(yōu)點(diǎn)。在中國應(yīng)用不過十余年的光景，工程項(xiàng)目十余個，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)階段需作大量的對比分析工作對結(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)周期會非常長，但借助API技術(shù)可將設(shè)計(jì)變?yōu)椤皡?shù)化”設(shè)計(jì)過程，因?yàn)樵诔醪皆O(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否的評判標(biāo)準(zhǔn)取決于幾個關(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程的索力值。
2.2弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工過程分析流程
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)需主動對索（拉桿）施力，而普通鋼結(jié)構(gòu)僅是被動承受重力荷載等。根據(jù)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工和使用過程，其狀態(tài)可分為以下三個階段：放樣態(tài)、預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)、工作狀態(tài)。
同時弦支穹頂結(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)力張拉施工過程仿真分析。此外在預(yù)應(yīng)力張拉施工過程分析之前必需通過“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
目前國內(nèi)對弦支穹頂結(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)定分析及施工過程驗(yàn)算，利用Midas或SAP2000有限元軟件時進(jìn)行體系靜動力分析、構(gòu)件截面驗(yàn)算等。由于ANSYS的參數(shù)化編程語言APDL給設(shè)計(jì)人員很大的發(fā)揮空間，同時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的平臺上變得“參數(shù)化”，同時操作界面較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)平臺上介紹正裝法施工過程分析以及輔助設(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。
由于每個階段每環(huán)索力相對于最終張態(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程為例，通過張拉環(huán)索共8個子步建立預(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的施工過程分析通過迭代試算關(guān)鍵荷載步的初應(yīng)變（通過應(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，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，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)時費(fèi)力，并且容易出現(xiàn)輸入錯誤，影響最終的結(jié)果判斷。但若通過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，省時高效。
圖7自動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。通過分析三亞體育中心體育館工程張拉施工過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)用價值。
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