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剪切变形与无质量自由度
创建者:张志国,编辑者:张志国,最近更新:2016/06/07 14:12:42

问题描述:

        在上图所示的部分墙体之间布置剪切型阻尼器,并考虑 U2 U3 方向(即水平方向)的非线性属性。基于此,SAP2000 在运行里兹向量法的模态分析时却提示“荷载作用于无质量自由度”的警告信息,如下所示。

        注意:该模态工况中只考虑连接单元的变形荷载,故并不存在《里兹向量法与非节点荷载》中提及的非节点荷载等效转换的问题。当然,SAP2000 中也不会出现《质量源定义与阻尼器布置》中提及的质量源选项的问题。那么,在这种情况下出现上述警告信息的原因到底是什么呢?

解答:

        首先,连接单元的变形由两端节点的位移产生,具体如下所示。注意:这里的位移包括平动位移转动位移。例如,以下左图所示的 1-2 平面内的剪切变形由两部分组成:沿 2 轴的平动位移和绕 3 轴的转动位移。

        在里兹向量法的模态分析中,如果用户指定连接单元的非线性变形荷载,程序将施加相应的节点荷载使其产生平动或转动位移。对于轴向变形,程序只需施加集中力荷载即可产生平动位移;对于扭转或纯弯曲变形,程序只需要施加集中力矩荷载即可产生转动位移;而对于剪切变形,程序需要同时施加集中力和集中力矩荷载,用以产生平动位移和转动位移。

        然而,如《里兹向量法与非节点荷载》中所述,在 CSI 有限元程序(包括 SAP2000ETABSCSiBridge 等)中,单元质量矩阵只包含节点的平动质量,并不包含节点的转动质量(即转动惯量)。因此,造成上述“无质量自由度”警告信息的原因在于:连接单元的剪切变形所需要的集中力矩荷载作用在无转动惯量的节点上。从连接单元的剪切变形计算公式可以看出,只要同时满足以下两点即可避免上述警告信息:

  • 连接单元的长度(L)等于零
  • J 节点到剪切变形集中点的距离(dj2 dj3)等于零

        当满足以上两点时,转动位移对剪切变形的贡献为零,程序将不再施加相应的集中力矩荷载,“无质量自由度”的警告信息也就无从产生。另外,在《CSI 分析参考手册》的“连接单元 > 质量”章节中,作者也曾明确指明非线性剪切变形与转动惯量的“共存”条件,如下所示。

        事实上,对于题目中墙体间的剪切型阻尼器,用户完全可以摒弃“在几何模型中保留有限高度的缝隙,然后绘制连接单元”的做法。建议尝试以下方法:

  1. 直接绘制连续(不留缝隙)的墙体,并利用节点的【断开连接】和【连接】命令创建边界重合但并未连接的两部分墙体。具体操作可参阅本知识库的另一篇文档《多跨简支板的模拟》。
  2. 将连接属性中非线性剪切变形的 dj2 dj3 设置为零。
  3. 在几何位置重合的两个节点间绘制零长度的连接单元。
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