SAP2000在工程結構分析專業教學中的應用★

胡瀟 何凌

(1.成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都 610059;2.西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039)

0 引言

SAP2000是由美國Computers and Structures Inc.(CSI)公司開發研制的集成化的通用結構分析與設計軟件，它可以對建筑結構、工業建筑、橋梁、管道、大壩等不同體系類型的結構進行分析和設計，也可以根據需要完成各個地區的結構規范設計。它的應用具有以下優點:

1)集成化的環境。SAP2000提供了一個集成化的視圖環境，學生可以在同一界面中完成模型的建立、運行、設計以及分析結果的輸出顯示。由于操作界面是三維環境，在多視圖環境下可以進行平面、立面、三維建模以及實時動態顯示，配合功能強大的視圖管理功能，是真正意義上“可視化”的結構分析軟件。

2)強大的分析功能。SAP2000強大的計算功能已得到國際業界的公認，它幾乎囊括了所有結構工程領域內的最新結構分析功能，多年的發展，使得該軟件積累了豐富的結構計算分析經驗，為工程師提供最可靠的計算分析結果。

3)一體化的設計功能。在設計能力方面，SAP2000是一個一體化的設計程序，可以完成各種結構體系的設計，全面輸出結構體系分析和設計整體結果和構件設計詳細信息;在設計方式方面，SAP2000采用傳統設計方式與交互式圖形方式相結合進行結構設計，運用多種國際結構設計規范，使得SAP2000的結構設計功能更加強大和有效。

基于以上優點以及SAP2000的易學、易懂、易用的特性，我們將它引入到了“結構分析與仿真I”這門課程的教學中，采用了西南交通大學彭俊生老師編寫的《結構概念分析與SAP2000應用》這本教材，學生只要具備了結構分析的基本力學概念、結構設計的基礎知識，通過這門課的學習很快就能夠熟練掌握SAP2000的基本分析與計算。

1 工程結構分析專業的特點及教學要求

本校工程結構分析專業的特點是專門培養具有扎實的力學理論基礎、結構分析及程序設計能力、大型工程軟件應用與開發能力和實驗技能，又可以對有一定工程結構基礎知識和基本工程技能訓練的高級專門技術人才進行強化培訓。培養出的學生能勝任企業、設計部門、科研單位從事工程結構分析、工程軟件開發、應用及設計等工作，可以從事土木工程、機械工程、化工及運載工具、核工程、航空航天等各種工程結構的強度設計、結構優化設計及安全性評估等工作，也可在教育部門從事研究和教學工作。

在工程結構分析教學過程中，結構力學是與結構分析計算息息相關的學科。在計算機出現之前，人們多以手算為主，將精力集中在如何構造一些巧妙的分析求解方法，這些方法反映了結構力學中豐富的學術精髓，但也受到了計算手段的限制，而隨著計算機的出現，當今計算軟件的快速發展，在學生學習了矩陣位移法和有限元法為代表的計算方法以后，我們完全可以借助優秀的結構分析軟件，快速可靠地進行結構分析計算與仿真，并且還可以延伸到實際工程結構的分析、設計、科學研究中去。因此將結構力學與計算機軟件相結合進行教學，便是“結構分析與仿真I”這門課的核心內容。

“結構分析與仿真I”課程的教學要求是希望學生能夠熟練掌握SAP2000的基本用法與操作，能夠運用軟件獨立進行結構計算分析與設計，由于教學對象是本科學生，所以這里的計算分析僅局限于線性靜力分析。

2 教材選用

根據工程結構分析專業的學科特點，課程要求，學生層次，我們嘗試將通用的商品程序SAP2000引入本科教學中，采用西南交通大學彭俊生老師編寫的《結構概念分析與SAP2000應用》作為教材，其內容如下:

目錄

第一章 結構分析的計算機方法

第二章 桿系結構的矩陣位移方法

第三章 SAP2000的功能及單元庫

第四章 SAP2000結構分析模型

第五章 SAP2000圖形用戶界面

第六章 梁式結構的靜力分析

第七章 框架結構的靜力分析

第八章 桁架結構的靜力分析

第九章 拱式結構的靜力分析

第十章 高層建筑轉換層結構的靜力分析

第十一章 移動荷載作用下的結構分析

第十二章 預應力結構的分析

第十三章 橋梁結構的靜力分析

第十四章 結構的塑性與結構破壞過程的分析

第十五章 計算模型及構造性能

第十六章 結構分析課程設計

這里的結構概念分析，是指對基礎力學課程中所學內容的共同特點進行抽象、概括與總結，著重從概念上分析各類結構的構造和特點，而后借助軟件程序對各類結構進行變形、內力的計算，通過對這些計算結果的分析與展現，使學生真正了解各類結構的特性，而不是一味的沉溺于軟件本身的操作當中。

3 課程設置

本課程安排在第5學期，即大三上學期，之前學生已經上過理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學等課程，都為這門課的學習打下了堅實的力學基礎。

本課程的教學學時為32學時，學生上機為8學時，每學期人數為30人左右，并配有相應的上機實踐習題冊。課程最后的成績由筆試和結構分析課程設計報告兩部分組成。

4 學時安排

根據本專業的教學要求，學時安排如表1所示。

表1 學時安排

5 說明

1)前1，2項，由于矩陣位移法與有限元法的內容在之前已經學習完畢，所以這部分內容概括講述，目的是復習之前的基本知識。2)中間3項～5項，主要是介紹SAP2000的用戶界面，基本命令功能，模型建立，運行分析，輸出比較，使學生能夠初步了解一個簡單力學問題的分析過程與步驟，從中熟悉SAP2000軟件的基本用法。3)最后6項～10項，是運用SAP2000對各類靜力學問題的定性分析。在教學中，運用軟件的“機算”結果與結構力學的“手算”結果互相驗證、對照，即是結構理論分析與計算機實踐相結合，不但能夠掌握軟件的應用，同時也對結構力學這門課程的基本概念、計算方法有更深刻的認識。4)教材其他章節關于SAP2000在工程結構上的分析運用，則安排到選修課，針對有興趣的學生進行進一步提高學習。

6 結語

將SAP2000通用結構分析程序與結構力學相結合進行教學，對初學者而言:力學知識具有一定的難度，而力學結構分析軟件的學習過程存在枯燥、乏味等特點，所以在教學中如何提高學生興趣，如何達到軟件的易學、易懂、易用，如何增強學生主動學習、思考、鉆研問題的能力是本專業教學急需解決的問題，我的總結如下。

6.1 應用多媒體教學

利用軟件的可視化，可以讓學生直觀了解用戶界面的布置以及各種菜單、工具功能的應用;通過演示，力學問題的建模，分析運行，結果輸出都一目了然展示在學生面前，提高學生學習興趣。

豐富的圖形可以顯示結構整體的變形圖、內力圖(彎矩圖、剪力圖和軸力圖)和單根桿件的變形圖、內力圖以及各截面內力數值。同時還可以用動畫顯示幾何可變體系、變形圖、振型等動態圖形，使得分析計算更加豐富、生動。

結合結構力學知識進行問題的定性分析，通過課堂上軟件的應用，可討論多種變化條件的力學問題，通過演示進行對比分析，試驗或驗證，得出正確結論，提高學生的參與性與能動性。

結合以上方式，加上教師深入淺出的講解，能達到使學生在課堂上易學、易懂的教學目的。

6.2 課后實踐

課后安排學生充裕的上機時間以及大量的例題進行實踐演練，同時也提供定量結構力學習題要求學生得出其變形圖、支座性質的動態顯示;整體、單桿內力圖繪制、截面內力顯示;支座反力、荷載的顯示。通過大量例題與習題的分析計算，不僅鞏固了課堂上的所學知識，還可以幫助學生輕松駕馭該軟件的操作，同時加深對結構力學知識的理解和提高思考問題的能力。

以上兩者相結合的教學方式，使學生最終熟練掌握SAP2000的基本應用與結構分析，加深理論知識的理解以及應用，同時也有利于本科學生今后將它直接延伸到實際工程結構的分析、設計、科學研究中去。

［1］彭俊生，羅永坤，彭 地.SAP2000在高校教學中的應用［A］.金土木結構軟件全國用戶大會CUC’08論文集［C］.2008:268-272.

［2］北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準技術研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］彭俊生，羅永坤.結構概念分析與SAP2000應用［M］.成都:西南交通大學出版社，2005.