问题描述:
在稳态分析结果的后处理中,无论是显示结构变形图或构件内力图,还是定义绘图函数等操作,对话框中均存在【幅值】和【相位角】两个单选框,如下所示。众所周知,“幅值”即:在特定频率的简谐荷载作用下某响应量的最大值。那么,此处供用户输入的相位角又作何解释呢?
解答:
在特定频率的简谐荷载作用下,由于异步荷载或结构阻尼的存在,任何稳态响应量均具有各自的幅值 M(Magnitude)和相位角 φ(Phase Angle)。幅值 M 和相位角 φ 又可以转换为同步响应分量 MR(In of Phase)和异步响应分量 MI(Out of Phase),也称为实部分量(Real)和虚部分量(Imag)。其中,(M, φ)与(MR, MI)的转换关系如下:
可以看出,上述相位角 φ 是由 SAP2000 程序内部自动计算的一个角度值,但并未提供直接的输出和显示。不过,根据程序提供的实部分量和虚部分量也可以反算该角度值,即:Arctan(φ) = MI /
MR(注意角度象限)。
而【题目描述】中提及的“相位角”即:稳态响应量的幅值在由相位角确定的特定方向上进行矢量分解。换言之,也就是幅值沿特定方向的投影。因此,0° 相位角对应稳态响应量的实部,90° 相位角对应稳态响应量的虚部。如果将根据实部分量和虚部分量反算的相位角直接输入此处,即可显示与【幅值】选项完全相同的结果。对于用户输入的任意相位角 α,SAP2000 根据以下公式计算幅值沿特定方向的投影:
为了验证上述判断,我们可以导出某节点在 0Hz~4Hz 频率范围内的 Z 向位移,如下所示。可以看到,0° 和 90° 相位角的位移值分别与实部分量和虚部分量一致,而 30° 相位角的位移值也与手算值一致,即:MR x cos30° + MI x sin30°。