问题描述:
对两端固定的等截面梁施加转角位移荷载(RY=1),如下图所示。注意,左右两个模型的几何长度、材料属性、支座约束以及位移荷载完全相同,仅构件的截面尺寸有所不同。
从理论上讲,以上两个模型的变形曲线应完全相同。但是,从 SAP2000 的计算结果来看,跨中节点的转角位移差别很大,如下图所示。请问,如何解释该结果呢?
解答:
事实上,上述“从理论上讲,以上两个模型的变形曲线应完全相同”的结论是错误的!该结论得以成立的充分条件是“结构刚度的等比例变化”,但“仅截面尺寸不同”并不满足该条件。就单一杆件而言,其“结构刚度”应包括拉压刚度、扭转刚度、剪切刚度以及弯曲刚度,而截面尺寸的改变无法保证这四种刚度同时缩放相同的倍数(即“等比例变化”)。以题目中的两个模型为例,虽然该构件未发生扭转和拉压变形,但却同时存在弯曲变形和剪切变形。现对比两个截面的抗弯刚度和剪切刚度,具体如下:
可以看到,截面尺寸的改变无法保证构件刚度的等比例变化。在这种情况下,即使构件在两个固定端的转角位移相同,梁内部的位移也不一定相同。在这里,我们进一步考虑“如果不考虑构件的剪切变形呢?”。通常来讲,对于细长杆件可以忽略剪切变形,多数的手算和教科书也均采用该假定。不过,对于短粗杆件却不宜忽略剪切变形,如深梁。如果忽略剪切变形,则题目中的模型只有弯曲变形。此时,截面尺寸的改变必然导致构件刚度的等比例变化。基于此,两个模型的弯曲变形才会完全相同,如下图所示。
最后提一下,在 SAP2000 中忽略框架的剪切变形的方法有两种:
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修正框架对象的剪切面积为零
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修正框架截面的剪切面积为零
注意:以上两种方法同时使用将产生“倍乘”效果。例如,当同时指定框架对象及框架截面的修正系数为 0.1 时,实际构件的相应刚度将折减为 0.1 x 0.1 = 0.01。因此,用户应根据实际情况选择合适的方法,尽量避免无意义的“倍乘”效果。