鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：弦支穹頂結構作為預應力空間結構，其設計與施工過程分析具有參數化性與迭代性。而SAP2000廣泛應用于工程設計領域，但其前、后處理功能相對較弱。自從V11版后開放API接口功能，即應用軟件的編程接口。通過API可以方便的調用SAP2000軟件實現結構模型的自動建立、分析與結果輸出。本文以弦支穹頂結構在SAP2000軟件設計與施工過程分析基礎，介紹API技術在提高弦支穹頂設計效率的應用。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技術結構分析領域有較好的實用價值。
關鍵詞：SAP2000 API 弦支穹頂結構 設計 施工過程分析
1 SAP2000•API技術簡介
SAP2000是一個功能強大的軟件工具，能夠應付幾乎所有的結構分析計算的要求。但在實際應用SAP2000進行工程設計的過程中，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，即應用軟件的編程接口，通過API可以方便的調用SAP2000軟件實現結構模型的自動建立、分析與結果輸出對比。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技術在Office軟件（Word、Excel等）上自動生成計算書和分析圖表，在AutoCAD上自動繪制施工圖等重復性強的工作。
2 弦支穹頂結構設計與施工過程分析流程
弦支穹頂概念于1994年由日本法政大學川口衛教授首次提出。它是由R.B. Fuller 在20 世紀40 年代提出的張拉整體結構演變而來，但由于當時施工條件、材料及理論水平的限制張拉整體結構很難大范圍的推廣。
弦支穹頂結構由上層單層球面網殼和下層環索、斜索通過豎桿連接而成的雜交空間結構形式。下部索桿體系的拉索為高強材料，使鋼材的利用更加充分，結構自重及造價因此降低，通過對下部索桿體系的拉索施加預張力，對上部網殼產生反向的變形和內力，使之在荷載作用下桿件內力和節點位移均小于相應的單層網殼。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。
同時弦支穹頂結構具有建筑美觀、結構節省、施工簡單、綜合性價比高等優點。在中國應用不過十余年的光景，工程項目十余個，其前景非常廣泛。
作為一種新型雜交的預應力空間結構體系，弦支穹頂結構在設計與施工具有其特殊性。由于預應力的引入將調整結構桿件的內力分布，在前期的初步設計階段需作大量的對比分析工作對結構形式進行優選，例如矢跨比、撐桿高度、網格和撐桿體系密度等。如果依靠手工調整計算模型及數據整理，設計周期會非常長，但借助API技術可將設計變為“參數化”設計過程，因為在初步設計階段結構設計合理與否的評判標準取決于幾個關鍵的計算結果。為此在參數化設計之前，有必要了解弦支穹頂的設計及施工過程分析流程。
2.1弦支穹頂結構設計流程
與網殼結構相比，弦支穹頂結構的設計要素還包括索桿體系的布置及初始預應力等。主要設計內容如下表所示。
表1 弦支穹頂結構主要設計內容
結構設計控制目標包括：剛度、強度、穩定性、索力等。
表2 弦支穹頂結構結構設計目標
通過上表可知，與傳統鋼結構相比弦支穹頂結構設計關鍵控制目標是結構整體穩定性和拉索在全生命過程的索力值。
2.2弦支穹頂結構施工過程分析流程
預應力鋼結構和普通鋼結構的本質區別是預應力鋼結構需主動對索（拉桿）施力，而普通鋼結構僅是被動承受重力荷載等。根據弦支穹頂結構的施工和使用過程，其狀態可分為以下三個階段：放樣態、預應力平衡態、工作狀態。
同時弦支穹頂結構不同于張弦結構，其下部索桿體系呈空間分布，在預應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力分布是與設計結果一致的有利保障，并且也可以減小現場人工“迭代”的次數，即張拉前應進行預應力張拉施工過程仿真分析。此外在預應力張拉施工過程分析之前必需通過“找力”分析確定結構的初始預應力。
圖3正裝法預應力張拉過程分析流程
3 SAP2000•API技術在弦支穹頂結構設計與施工中的應用
目前國內對弦支穹頂結構設計與施工分析通常利用ANSYS有限元軟件進行整體屋蓋穩定分析及施工過程驗算，利用Midas或SAP2000有限元軟件時進行體系靜動力分析、構件截面驗算等。由于ANSYS的參數化編程語言APDL給設計人員很大的發揮空間，同時也提升了弦支穹頂結構設計的設計門檻。
然而自從SAP2000的API技術推出之后弦支穹頂結構設計與施工分析工作也可在SAP2000的平臺上變得“參數化”，同時操作界面較ANSYS也更加習慣、友好，更加有益于推廣弦支穹頂結構在大跨度結構中的應用。
下面以弦支穹頂結構設計與施工過程的分析項目為例，基于SAP2000的API技術在Excel的VBA開發平臺上介紹正裝法施工過程分析以及輔助設計程序的開發。
3.1正裝法施工過程分析
弦支穹頂結構張拉順序通常從外環到內環進行第一階段90%的預應力張拉，然后支撐體系主動卸載，最后從內環到外環進行第二階段100%的預應力張拉。
由于每個階段每環索力相對于最終張態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，通過張拉環索共8個子步建立預應力，在預緊階段（STEP1）環索建立10%的目標索力，主動落架后（STEP5）為90%的目標索0力，張拉完成后（STEP8）索力達到100%。可見利用SAP2000的施工過程分析通過迭代試算關鍵荷載步的初應變（通過應力與應變換算公式求得），即可控制STEP1、STEP5和STEP8的環索力。程序的編制思路如下圖所示。
表3 預應力張拉各階段環索索力
圖4 程序運行流程
圖5 源代碼
圖6 Excel交互式輸入界面
3.2其它輔助設計程序的開發
在進行結構設計時，結構計算荷載組合工況包括恒荷載、活荷載、風荷載、地震荷載、溫度荷載等。按照《預應力鋼結構技術規程》第3.1.3和3.1.4款的規定：預應力鋼結構應包括預計應力施工（單次或多次預應力方案）階段和使用階段的各種工況。對構件強度、穩定性以及連接強度的計算，應采用荷載效應的基本組合，對變形的計算，應采用荷載效應的標準組合值。預應力效應屬永久荷載效應。
在進行諸如弦支穹頂結構設計時，結構計算荷載組合計算包括恒荷載、活荷載、風荷載、地震荷載、溫度荷載等。按照以往類似工程經驗，恒荷載有1種，活荷載有2~3種，風荷載有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，保守估計設計人員需要填寫的極限承載力狀態荷載組合數有48種。若人工輸入費時費力，并且容易出現輸入錯誤，影響最終的結果判斷。但若通過SAP2000•API的SAPObject.SAPModel.RespCombo.Add函數并配以嵌套循環，即可實現荷載工況的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 結論
本文介紹了SAP2000的API技術以及弦支穹頂結構的設計和施工過程分析流程。并且以弦支穹頂結構在SAP2000軟件設計與施工過程分析基礎，
介紹API技術在提高弦支穹頂設計效率的應用。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技術結構分析領域有較好的實用價值。
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