问题描述:
对下图所示的简单框架结构施加水平方向的自动地震荷载,分析结果如下:
☆ 结构总质量:38.762t
☆ 水平地震影响系数:0.1405
☆ 总的水平地震力(即基底剪力):44.363kN
但是,根据中国抗震设计规范中底部剪力法的计算公式,基底剪力值如下:
请问,为何上述 SAP2000 的分析结果与手算结果有所差别(44.363 vs 45.398)呢?到底是程序计算存在误差还是手算过程不够严谨呢?
解答:
首先,出现上述差异的原因并非 SAP2000 的求解器存在 Bug。当然,我们手算的过程也并无严重的纰漏,只是在结构总质量的处理上有欠妥当。具体如下:
在常规的手算过程中,结构总质量即参与地震动(或承受地震加速度荷载)的全部质量。例如:抗震规范中的串联质点系模型的总质量不会考虑地面固定端处的集中质量,如下图所示。
不过,在 SAP2000 等有限元计算程序中,结构总质量将转换为节点集中质量。由于用户对部分节点指定支座约束(如下所示),故这些节点集中质量并不参与地震动(或承受地震加速度荷载),但却会包含在结构的总质量之中。
综上,程序给出的基底剪力为扣除约束质量后的计算结果,而上述手算过程却未扣除约束质量,故二者存在差异。对于该模型,扣除底部约束节点质量(即底层柱质量的一半)后的结构质量为:38.762 - 0.869 = 37.893t。据此重新手算基底剪力,即:
该手算结果与程序结果(44.363kN)一致。