SAP2000在工程结构分析专业教学中的应用★

胡潇 何凌

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059;2.西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039)

0 引言

SAP2000是由美国Computers and Structures Inc.(CSI)公司开发研制的集成化的通用结构分析与设计软件，它可以对建筑结构、工业建筑、桥梁、管道、大坝等不同体系类型的结构进行分析和设计，也可以根据需要完成各个地区的结构规范设计。它的应用具有以下优点:

1)集成化的环境。SAP2000提供了一个集成化的视图环境，学生可以在同一界面中完成模型的建立、运行、设计以及分析结果的输出显示。由于操作界面是三维环境，在多视图环境下可以进行平面、立面、三维建模以及实时动态显示，配合功能强大的视图管理功能，是真正意义上“可视化”的结构分析软件。

2)强大的分析功能。SAP2000强大的计算功能已得到国际业界的公认，它几乎囊括了所有结构工程领域内的最新结构分析功能，多年的发展，使得该软件积累了丰富的结构计算分析经验，为工程师提供最可靠的计算分析结果。

3)一体化的设计功能。在设计能力方面，SAP2000是一个一体化的设计程序，可以完成各种结构体系的设计，全面输出结构体系分析和设计整体结果和构件设计详细信息;在设计方式方面，SAP2000采用传统设计方式与交互式图形方式相结合进行结构设计，运用多种国际结构设计规范，使得SAP2000的结构设计功能更加强大和有效。

基于以上优点以及SAP2000的易学、易懂、易用的特性，我们将它引入到了“结构分析与仿真I”这门课程的教学中，采用了西南交通大学彭俊生老师编写的《结构概念分析与SAP2000应用》这本教材，学生只要具备了结构分析的基本力学概念、结构设计的基础知识，通过这门课的学习很快就能够熟练掌握SAP2000的基本分析与计算。

1 工程结构分析专业的特点及教学要求

本校工程结构分析专业的特点是专门培养具有扎实的力学理论基础、结构分析及程序设计能力、大型工程软件应用与开发能力和实验技能，又可以对有一定工程结构基础知识和基本工程技能训练的高级专门技术人才进行强化培训。培养出的学生能胜任企业、设计部门、科研单位从事工程结构分析、工程软件开发、应用及设计等工作，可以从事土木工程、机械工程、化工及运载工具、核工程、航空航天等各种工程结构的强度设计、结构优化设计及安全性评估等工作，也可在教育部门从事研究和教学工作。

在工程结构分析教学过程中，结构力学是与结构分析计算息息相关的学科。在计算机出现之前，人们多以手算为主，将精力集中在如何构造一些巧妙的分析求解方法，这些方法反映了结构力学中丰富的学术精髓，但也受到了计算手段的限制，而随着计算机的出现，当今计算软件的快速发展，在学生学习了矩阵位移法和有限元法为代表的计算方法以后，我们完全可以借助优秀的结构分析软件，快速可靠地进行结构分析计算与仿真，并且还可以延伸到实际工程结构的分析、设计、科学研究中去。因此将结构力学与计算机软件相结合进行教学，便是“结构分析与仿真I”这门课的核心内容。

“结构分析与仿真I”课程的教学要求是希望学生能够熟练掌握SAP2000的基本用法与操作，能够运用软件独立进行结构计算分析与设计，由于教学对象是本科学生，所以这里的计算分析仅局限于线性静力分析。

2 教材选用

根据工程结构分析专业的学科特点，课程要求，学生层次，我们尝试将通用的商品程序SAP2000引入本科教学中，采用西南交通大学彭俊生老师编写的《结构概念分析与SAP2000应用》作为教材，其内容如下:

目录

第一章 结构分析的计算机方法

第二章 杆系结构的矩阵位移方法

第三章 SAP2000的功能及单元库

第四章 SAP2000结构分析模型

第五章 SAP2000图形用户界面

第六章 梁式结构的静力分析

第七章 框架结构的静力分析

第八章 桁架结构的静力分析

第九章 拱式结构的静力分析

第十章 高层建筑转换层结构的静力分析

第十一章 移动荷载作用下的结构分析

第十二章 预应力结构的分析

第十三章 桥梁结构的静力分析

第十四章 结构的塑性与结构破坏过程的分析

第十五章 计算模型及构造性能

第十六章 结构分析课程设计

这里的结构概念分析，是指对基础力学课程中所学内容的共同特点进行抽象、概括与总结，着重从概念上分析各类结构的构造和特点，而后借助软件程序对各类结构进行变形、内力的计算，通过对这些计算结果的分析与展现，使学生真正了解各类结构的特性，而不是一味的沉溺于软件本身的操作当中。

3 课程设置

本课程安排在第5学期，即大三上学期，之前学生已经上过理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学等课程，都为这门课的学习打下了坚实的力学基础。

本课程的教学学时为32学时，学生上机为8学时，每学期人数为30人左右，并配有相应的上机实践习题册。课程最后的成绩由笔试和结构分析课程设计报告两部分组成。

4 学时安排

根据本专业的教学要求，学时安排如表1所示。

表1 学时安排

5 说明

1)前1，2项，由于矩阵位移法与有限元法的内容在之前已经学习完毕，所以这部分内容概括讲述，目的是复习之前的基本知识。2)中间3项～5项，主要是介绍SAP2000的用户界面，基本命令功能，模型建立，运行分析，输出比较，使学生能够初步了解一个简单力学问题的分析过程与步骤，从中熟悉SAP2000软件的基本用法。3)最后6项～10项，是运用SAP2000对各类静力学问题的定性分析。在教学中，运用软件的“机算”结果与结构力学的“手算”结果互相验证、对照，即是结构理论分析与计算机实践相结合，不但能够掌握软件的应用，同时也对结构力学这门课程的基本概念、计算方法有更深刻的认识。4)教材其他章节关于SAP2000在工程结构上的分析运用，则安排到选修课，针对有兴趣的学生进行进一步提高学习。

6 结语

将SAP2000通用结构分析程序与结构力学相结合进行教学，对初学者而言:力学知识具有一定的难度，而力学结构分析软件的学习过程存在枯燥、乏味等特点，所以在教学中如何提高学生兴趣，如何达到软件的易学、易懂、易用，如何增强学生主动学习、思考、钻研问题的能力是本专业教学急需解决的问题，我的总结如下。

6.1 应用多媒体教学

利用软件的可视化，可以让学生直观了解用户界面的布置以及各种菜单、工具功能的应用;通过演示，力学问题的建模，分析运行，结果输出都一目了然展示在学生面前，提高学生学习兴趣。

丰富的图形可以显示结构整体的变形图、内力图(弯矩图、剪力图和轴力图)和单根杆件的变形图、内力图以及各截面内力数值。同时还可以用动画显示几何可变体系、变形图、振型等动态图形，使得分析计算更加丰富、生动。

结合结构力学知识进行问题的定性分析，通过课堂上软件的应用，可讨论多种变化条件的力学问题，通过演示进行对比分析，试验或验证，得出正确结论，提高学生的参与性与能动性。

结合以上方式，加上教师深入浅出的讲解，能达到使学生在课堂上易学、易懂的教学目的。

6.2 课后实践

课后安排学生充裕的上机时间以及大量的例题进行实践演练，同时也提供定量结构力学习题要求学生得出其变形图、支座性质的动态显示;整体、单杆内力图绘制、截面内力显示;支座反力、荷载的显示。通过大量例题与习题的分析计算，不仅巩固了课堂上的所学知识，还可以帮助学生轻松驾驭该软件的操作，同时加深对结构力学知识的理解和提高思考问题的能力。

以上两者相结合的教学方式，使学生最终熟练掌握SAP2000的基本应用与结构分析，加深理论知识的理解以及应用，同时也有利于本科学生今后将它直接延伸到实际工程结构的分析、设计、科学研究中去。

［1］彭俊生，罗永坤，彭 地.SAP2000在高校教学中的应用［A］.金土木结构软件全国用户大会CUC’08论文集［C］.2008:268-272.

［2］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准技术研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］彭俊生，罗永坤.结构概念分析与SAP2000应用［M］.成都:西南交通大学出版社，2005.