问题描述:
请问,SAP2000中的超静定荷载工况有什么用途呢?具体应用时又有哪些注意事项呢?
解答:
超静定(Hyperstatic)荷载工况主要用于考虑预应力荷载的次内力。静定结构与非静定结构在预应力荷载作用下的结构内力具有显著区别,具体如下:
由于静定结构可以自由变形且预应力荷载为自平衡荷载,故支座反力为零。此时,结构在预应力荷载作用下产生的内力称为主内力(或主效应)。由于超静定结构的多余约束限制其自由变形,故支座反力非零。根据结构力学中力法的基本概念,以移除超静定结构多余约束后的静定结构作为“基本结构”,则原超静定结构在预应力荷载作用下产生的内力可分为两部分:
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预应力荷载在基本结构中产生的主内力。
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支座反力在基本结构中产生的内力,称为次内力(或次效应)。
除预应力荷载外,可以对超静定结构产生次效应的外部因素还包括:温度荷载、支座沉降以及装配荷载等等。不过,后几种外部因素在静定结构中不产生主内力,故次内力即全部内力。
在对预应力结构进行结构设计时,通常会在设计组合中专门考虑预应力荷载引起的次效应。例如,《公路桥涵设计通用规范》第4.2.2条规定:“在结构进行承载力极限状态设计时,预加力不作为作用,而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分,但在连续梁等超静定结构中,仍需考虑预加力引起的次效应。”鉴于此,SAP2000提供超静定荷载工况用于考虑预应力荷载的次效应。如下图所示:
超静定荷载工况的计算原理和步骤如下:
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首先,移除超静定结构的所有支座约束后得到一个“伪结构”。这里,我们称之为“伪结构”而非“基本结构”是因为它仅用于计算结构内力但本身并无承载能力,不同于静定结构形式的“基本结构”。但二者在计算结构内力时得到的结果是完全一致的!
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然后,将预应力荷载工况(如上图中的 Pres)中的支座反力作为外荷载作用于“伪结构”上并计算结构内力,即预应力荷载产生的次内力。
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最后,用户可根据需要定义相应的荷载组合用于结构设计。
这里需要注意几点:
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超静定荷载工况只能进行线性分析,无法考虑任何非线性因素。
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预应力荷载工况必须是线性静力工况。不过,该工况中的荷载也可以是非自平衡荷载(即:除预应力荷载和温度荷载之外的其他荷载形式)。当然,多数情况下的非自平衡荷载并无实际意义,故很少采用。
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超静定荷载工况中的结构刚度与预应力荷载工况中的结构刚度完全相同,可以考虑相同的P-Delta、阶段施工以及其非线性因素对结构刚度的影响。