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标  题: 结构分析通用程序SAP84 
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结构分析通用程序SAP84 Windows 版本5.1
北京大学力学与工程科学系
袁明武 陈 璞 孙树立 郑 东 等 陈 斌 刘剑飞 邸 元 李水乡
　 微机结构分析通用程序SAP84是国内最受欢迎的微机结构分析通用程序之一。它具有
力学模型合理、使用方便、功能强、结果准确等优点，国内已有数千个工程项目使用SA
P84进行了计算，得到了用户的一致好评。其中最典型的应用有：长江三峡大坝的初步设
计、黄河小浪底枢纽工程抗震分析、北京西客站主体结构的计算、秦山核电站安全壳抗
震分析、湖北郧县汉江斜拉桥、深圳中银大厦、北京崇文门四塔楼新世纪大厦、天津云
顶大厦、大连云山大厦、成都王府井大厦、重庆中建大厦、上海大剧院钢屋顶、上海浦
东机场候机厅悬索屋顶、北京植物园展览温室和厦门国际展览中心等重大工程。 SAP84
适用于土建、水利、电力、交通、机械、航空、矿冶、铁路、石化等广泛工程部门大型
复杂结构的静力和动力分析，它也可以作为高校有关专业的师生教学科研的手段。该程
序由约三十万条FORTRAN和C源程序构成。程序的组织结构科学、严谨、合理、灵活，能
适应实际工程结构各种特殊的、多变的外形和多种边条件。SAP84采用了最近计算力学、
数值方法和程序设计方面的一些成果，开发了丰富的单元库和先进的求解器使得该程序
能在32位微机上高效率地求解大型和超大型工程课题。SAP84在总体功能上达到了国际先
进水平。 　 SAP84尤其适用于大型、特种、复杂、具有不规则结构形式的土建结构，如
多层和高层建筑、多塔楼高层建筑、具有大开洞、错层、转换层等各种特殊构造的大型
建筑物以及大型网架等，具有一般专用软件所达不到的计算能力。SAP84还开发了适用于
多种单元的图形输入前处理系统GIS和Windows环境下的图形输入前处理系统WGIS，使SA
P84建模的数据准备极大地简化。SAP84具有二维平面和板壳有限元网格自动生成及建模
程序AutoMESH 2D 和三维实体单元网格自动生成及建模程序AutoMESH 3D。这两个程序模
块使采用SAP84的平面单元、板壳单元和三维实体元对大型和超大型复杂结构进行分析成
为现实。用于钢筋混凝土房屋结构的内力、配筋作图的程序模块ASD以及钢筋归并和画配
筋图的程序模块CADS可以用于高层和多层建筑物的后处理。以上这些程序的Windows界面
使得用户的使用格外方便，输出格外简单。SAP84还对桥梁的动载荷开发了专用模块BRI
DGE和前处理模块BGIS。 SAP84版本5.1又推出了考虑土壤非线性性能和横向载荷随位移
改变的计算单桩和群桩的程序模块GPILE及其前处理模块（包括在WGIS中）。SAP84无论
在理论上还是技术上都达到了国际和国内先进水平。 SAP84的运行环境及功能如下： S
AP84的硬件环境是PC机，软件环境是Windows 95，98， NT和2000，建议内存为32M以上
。 SAP84的解题容量几乎是无限的，它目前的限制在于Windows系统单个文件的最大尺寸
是2G。建议硬盘为10G以上。 SAP84版本5.1采用了效率极高的细胞存储稀疏算法并带有
双向循环展开技术的静动力求解器，达到了国际先进水平。 SAP84具有分块子空间迭代
法、分块Ritz向量WYD法和分块Lanczos法求解特征值和特征向量。SAP84允许用振型迭加
法或逐步积分法来求解任意瞬态载荷下结构的动力响应。可以在多点以不同的载荷曲线
如地震和风对结构进行激发。SAP84可按反应谱理论求地震响应，并可与静力、瞬态响应
一起组合。反应谱曲线包括工民建规范、水工规范和输入用户指定的谱曲线。在动力分
析中可以把流体动压力对结构的影响作为附加质量来处理。SAP84可以根据随机振动理论
进行频域上的动力分析和可靠度分析。 SAP84的单元库包括：三维框架单元、三维桁架
单元、变断面直梁单元、平面曲梁单元、平面单元(平面应力、平面应变、空间膜、轴对
称体和可受扭矩的轴对称体)、三维实体单元(4~21节点包括三棱柱和任意四面体的协调
元、8节点非协调元、16节点非协调元以及带有旋转自由度的8节点48个自由度的非协调
元)、4节点24个自由度的板壳单元和以其为基础的带有细化功能的空间墙单元、管道单
元和伪单元(可处理任意自由度之间线性约束的罚单元、读入刚度单元和可指定沿非坐标
轴方向位移的单元)。SAP84带有旋转自由度的空间墙单元可以协调地与三维框架单元连
接，以准确的模型精确地计算任意框剪结构而没有力学上的不协调。SAP84版本5.1的罚
单元可以处理节点位移之间的任意线性约束，这使得每个节点具有不同自由度个数的不
同类型单元能顺利连接，它可用于处理高层建筑中的转换层。当采用SAP84中带有旋转自
由度的8节点48个自由度的非协调元来处理高层建筑中的转换层时，可以不用罚单元，这
样不仅节省了约束的处理，而且改善了方程的病态。SAP84版本5.1可以在一个大型复杂
结构中使用多种单元并且完全协调。 SAP84的所有单元均可以利用静力和动力子结构的
功能来进行静力分析和动力分析。其中动力子结构的算法是准确的，即计算的是整体结
构的特征值和特征向量。这一功能目前在国际上是独一无二的。 SAP84可以对框架和桁
架单元考虑P－效应从而把几何刚度的非线性影响包括在内。SAP84也可以对以框架、桁
架、板壳等单元组成的结构进行稳定性分析，计算局部和总体失稳的临界载荷和屈曲模
态。 SAP84的三维框架单元(梁、柱以及斜柱)可以按1990年颁布的“混凝土结构设计规
范(GBJ10-89)”和“建筑结构抗震设计规范(GBJ11-89)”进行混凝土配筋。墙单元可以
按(GBJ10-89)规范进行配筋。 SAP84的彩色图形后处理程序段EPLOT(DOS)和WEPLOT(Win
dows)可以绘结构图、变形图、振型图、流体网格图和动力响应图。具有缩放、按观察点
变换视角、旋转和消隐的功能。结构的变形图和特征向量可以用动画方式显示。它可以
改变前景色和背景色，可以对各种分辨率的屏幕自适应。它可以通过DXF文件在AutoCAD
的环境下输出。EPLOT和WEPLOT都可以画平面单元、8~21节点三维实体单元以及板壳单元
的彩色等应力区，对8~21节点三维实体单元可绘任意剖面上的等应力图，并可以存放在
文件上。EPLOT和WEPLOT还可以画三维框架逐个单元的内力图以及载荷图，也可以画三维
框架标记式的内力和配筋图。通过SAP84的WEPLOT在屏幕上显示的所有计算结果都可以在
Windows支持的打印机上输出，实现了“所见即所得”。 SAP84实现了真32位的运算，因
此它的寻址范围大大增加，可使用的内存容量提高了一个数量级，分块解法的每一块的
尺寸可以达到上万个自由度，I/O空前减少，因此在程序解题的规模和速度上实现了大幅
度的跃进。SAP84的计算效率在国内一直处于领先的地位。 SAP84的图形输入模块GIS可
以通过交互式图形方式生成SAP84的数据文件，也可以读入已编辑好的数据文件进行再加
工。它包括三维框架、板壳和三维墙的几何生成以及材料、载荷的指定，它的工作平台
可以是楼层平面、空间立面或三维空间。它可以对楼板作刚性平面假定或部分楼板作刚
性平面假定；允许不同塔楼的不同层采用各自独立的刚性楼板或弹性楼板的假定，使得
能够准确地处理具有大开洞的楼板、多塔楼等复杂结构。它也可以自动生成厚板转换层
的三维实体单元网格以及与框架、剪力墙之间的罚单元数据，使得厚板转换层能与框架
剪力墙完全变形协调。它有平移拷贝、层间拷贝、旋转拷贝和镜面反射拷贝等多种拷贝
功能以及图形块任意粘贴和多种生成功能，使用极为方便。许多超大型结构的数据准备
工作在一两天内即可全部完成。 SAP84开发了Windows 环境下前处理的WGIS。它是利用
OpenGL重新开发的GIS模块。现在已基本上实现了GIS (for DOS)的大部分功能，它的操
作更为简便，输出更为简单。SAP84版本5.1包括了桩基计算模块GPILE的前处理程序Pre
PILE。 SAP84可与钢结构强度和稳定性校核以及断面性质自动查询模块SS88配接。它可
以对我国规范中列出的钢材特性和数万种断面形状自动输入材料和截面性质，在使用SA
P84进行分析后，利用SS88进行强度和稳定性校核。 SAP84有基于影响线和影响面的可处
理公路和铁路移动载荷的桥梁模块BRIDGE，版本5.1还有桥梁前处理程序BGIS。 SAP84开
发了Windows环境下AutoCAD平台上的二维网格自动生成模块AutoMESH 2D。它可以对平面
任意区域自动生成三角形、四边形或三角形/四边形混合网格，并有网格局部编辑和细化
功能。它提供点、线加密手段，并对边界和内节点实现自适应加密。同时它还具有交互
式有限元建模功能，可对SAP84的平面单元和板壳单元定义单元类型、载荷、约束和材料
信息，可自动生成SAP84数据文件。 SAP84版本5.1开发了AutoCAD2000平台上的三维实体
网格自动生成模块AutoMESH 3D。当使用SAP84对三维实体进行分析时，它实现了（四面
体单元）网格的自动生成、载荷、约束和材料信息的交互式图形输入。AutoMESH 3D的网
格自动剖分功能，从理论到实际性能都居国际先进水平。有了这个工具，用户只需用Au
toCAD构造物体的几何模型，然后再设定网格的全局尺寸及局部加密尺寸，程序将迅速生
成高质量的四面体网格。对于需要加密的区域，程序将自动进行网格加密和疏密过渡。
AutoMESH 3D可自动生成SAP84数据。 在SAP84版本5.1中，我们与美国Akron大学岩土力
学专家梁应科教授(Robert Liang)合作开发了单桩和群桩分析的模块GPILE。该模块一方
面把桩用SAP84的框架单元来模拟，另一方面把土用非线性弹簧来模拟。对于土对桩的横
向压力将按照随位移而改变的P-Y曲线进行迭代。每求解一次位移，要修改一次压力，然
后修改数据再求解位移，直到收敛为止。数据的修改和迭代过程的运行由程序自动完成
。对于桩的承台可以用SAP84的板壳单元来计算，对于承台以上的任意结构则可采用SAP
84的其它单元来模拟，进行整体计算。对于桩的位移和内力，同样可以用SAP84的后处理
程序来显示。程序还考虑了群桩的影响。 对于钢筋混凝土的楼房结构，SAP84开发了平
面图输出程序ASD和归并选筋及配筋绘制程序CADS。这两个模块都是在Windows环境下的
AutoCAD平台上开发的。它们可以对经过SAP84计算的钢筋混凝土房屋建筑按层用图形输
出。ASD 版本1.0可以逐层绘出结构的计算简图（单元号及节点号）、结构构件的属性图
(梁单元的截面、柱单元的截面、墙单元的厚度、各类单元的材料等)、楼板的荷载图、
配筋标注图、最大配筋对应的内力标注图、柱子最大内力标注图、柱子轴压比标注图。
结合CADS的使用，可以进行楼层间梁、柱归并，以平面整体表示法绘出结构平面施工图
。ASD 版本1.0还能够绘出结构整体原形图和位移变形图，并提供了节点位移和相对位移
等信息的查询功能，可用于获得结构层间位移和整体位移。 　SAP84版本5.1特别适用于
多种类型单元的大型复杂组合结构，是目前国内拥有用户最多的通用结构分析程序。在
SAP84开发的图形输入前处理和后处理功能已达到国际先进水平，它的许多功能在目前是
独一无二的。全国已有数千个工程实际课题采用SAP84来计算并作为设计的依据。

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