浅析SAP与MIDAS 软件在结构设计中的应用

卜伟斐，胡继超

（1.中南大学土木工程学院，长沙410083；2.江西工业工程职业技术学院建筑工程系，萍乡337055）

随着电子计算机的发展，结构设计也由原先的手算发展为电算，目前市面上常用的有PKPM、SAP2000、MIDAS、ETABS等，这些软件均有人性化的界面，使用者通过人机交互输入一些参数，软件套用内部已经设计好的程序进行计算，大大提高了设计速度，可见此类软件在结构设计领域的作用是举足轻重的，然而每种软件程序在设计过程中都不可避免地存在这样或那样的疏忽或错误，如果设计者不知道“黑匣子”内部的运算原理将不能凌驾于软件之上正确地分析错误原因所在，因此一个合格的设计师应当明白软件的计算原理、过程及参数的设置。本文就SAP2000和MIDAS在设计工作过程中存在的问题及应当注意的一些细节提出自己的看法，以供设计参考。

1 SAP与MIDAS软件结构设计过程中存在的问题

1.1 MIDAS对自定义截面的构件不能进行结构设计

SAP2000和MIDAS均具有用截面设计器自定义截面库中没有的截面的功能，使得结构设计更为广泛。然而在实际的操作过程中发现这样的细节问题：

（1）SAP2000中构件截面用截面设计器定义之后，无论构件板厚多少，其材料强度设计值均取其牌号中最小的强度设计值。这样计算是出于保守考虑。

（2）用MIDAS对自定义截面的构件进行设计时会出现错误提示信息：构件截面不存在；构件类型不存在，无法进行结构设计。由此可见MIDAS对自定义截面的构件不能进行结构设计，此为MIDAS软件亟需完善的部分之一。

1.2 SAP2000对无侧移框架的结构分析不准确

为了对比2种软件有、无侧移计算的有效性，建一简单框架，简图如图1所示。对同一模型分别选择有侧移和无侧移计算选项，因其计算数内容较多，现只将对比结果分析如下：

图1 计算简图

（1）SAP2000中无侧移计算结果与有侧移计算结果相同。

（2）MIDAS中无侧移结果与有侧移计算结果不同。由此对比结果可知：SAP2000不能准确计算无侧移框架的内力。

2 SAP与MIDAS软件结构设计中应注意的事项

2.1 SAP2000中程序可以准确计算、传递楼板自重

过去使用SAP时，楼板的自重均按单、双向板将楼板的面荷载折成线荷载加载到梁上来考虑。如果楼层数量较少，此法还算可行，否则此过程必将烦琐且容易出错。因此验算程序能否准确计算并传递楼板自重就显得很必要。现建一简单模型，如图2所示：柱高为3m，柱距分别为6m和2m，板厚为100mm。

首先用面荷载折成线荷载的方法：将板属性中的自重系数调为0，将楼板自重按面荷载折成线荷载加到长为6m的梁上，经运行分析得跨中弯距为2.32kN·m，梁端为－4.66kN·m。

手动输入面荷载的方法：将板自重调为0，将楼板自重2.35kN／m2以面荷载加到楼板面上，经计算得6m长梁跨中弯距为2.33kN·m，梁端为－4.56kN·m。

程序自动计算楼板荷载的方法：将板自重系数调为1，不加任何外荷载，只计算楼板自重，经运行计算6m长梁跨中弯距为2.33kN·m，梁端为－4.56kN·m。

图2 计算简图

对3种方法的计算结果对比可知：程序自动计算楼板自重的结果与手动输入面荷载的计算结果一致，与近似方法—面荷载折成线荷载的结果偏差小于2.2%。计算结果表明，SAP2000自动计算楼板自重是可行的，以后的结构设计中可以采用此法以提高设计速度和准确度。

2.2 SAP2000计算结果错误提示

用SAP2000进行规范检查，常见的错误提示有：“λy＞is less than or equal to zero；section is slender”。遇到这些错误提示，只有正确地理解错误的原因，才能有效地修改模型。

经过多次试算发现，SAP2000计算φb时，无论截面是轧制还是焊接，均采用B.5近似公式进行计算，而此公式的计算前提是所以当构件的时，SAP出现了错误提示，但此时构件不一定会整体失稳。此时不一定非得调整构件截面或长度，而是对局部有错误提示的构件，据其截面形式和成型条件，选择合适的计算公式手算，若手算可以通过，即可忽略此条错误信息。

（2）phib is less than or equal to zero

根据计算公式：φb＝1.07当φb＝0时，λy＝217。当构件的120＜λy＜217时，显示第一条错误提示；当λy＞217时，显示本条错误信息，此时构件的长细比过大，需要缩短构件计算长度或调整截面扩大截面的回转半径。

（3）section is slender

GB 50017—2003《钢结构设计规范》4.3.8条规定：梁受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度t之比应符合时，SAP提示本条错误信息，意为构件截面不满足构造要求，将发生局部失稳，此时应调整截面翼缘的宽厚比。

2.3 风荷载的施加

风荷载可以手动施加也可以程序自动施加。SAP中的风力作用来自刚性楼板范围的施加方法和MIDAS的施加方法是一致的，都必须先定义刚性楼板。风荷载最终施加到各层的刚性楼板的质心。此法的弊端是不能分层指定风荷载的体型系数。对于复杂结构的建筑，因其有多种体型系数，用上述方法施加风荷载就不合理。SAP可以采用风荷载来自面对象，通过设置虚面，对不同的虚面指定不同的风荷载体型系数来施加。而MIDAS只能通过手算以附加风荷载的形式手动添加到模型中。与SAP相比，MIDAS在施加复杂结构的风荷载时就显得不简捷。

2.4 非线性组合问题

结构设计中我们常说的组合为线性组合，对于线性问题，线性结果是可以叠加的，即荷载工况组合与分析工况组合的结果是一致的。对于非线性问题，其结果通常是不能叠加的，在计算之前必须要将荷载进行组合以形成一种荷载工况。SAP和MIDAS都可以正确处理，SAP在分析工况中定义非线性组合工况实现，而MIDAS在荷载／由荷载组合建立荷载工况实现。两者异曲同工。

3 结语

通过对SAP2000和MIDAS软件的对比分析，得到如下结论：

（1）SAP自动计算楼板自重，其计算结果准确可行。

（2）SAP中稳定系数仅以 GB 50017—2003《钢结构设计规范》B.5的近似公式计算，而MIDAS仅以GB 50017—2003《钢结构设计规范》B.2表进行计算。

（3）MIDAS不能对自定义截面的构件进行设计。

（4）SAP用截面设计器定义截面后，其强度设计值取各牌号强度设计值的最小值。

（5）MIDAS使用程序自动添加风荷载时，先应设置刚性楼板。

（6）SAP不能计算无侧移框架结构。

[1]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2]北京金土木软件有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006：141－152.

[3]北京迈达斯技术有限公司.分析与设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：10－15.