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排架柱的偏心模拟(二)
创建者:张志国,编辑者:张志国,最近更新:2016/12/08 19:51:29

问题描述:

        如下所示,采用《排架柱的偏心模拟(一)》中所推荐的方法模拟排架柱的偏心。以结构的内力结果而言,无论是弯矩图、剪力图或者轴力图,SAP2000 输出的结果与理论解均完全一致。

        不过,与结构内力不同的是,SAP2000 输出的柱底处的节点反力似乎与理论解相悖。理论上讲,柱底内力与节点反力在数值上应保持一一对应的关系,即:柱底的轴力与剪力对应两个水平方向的反力,柱底的弯矩则对应立面内的反力矩。但是,下图所示的结果却并不完全符合上述结论,具体来讲:

        1,柱底的轴力和剪力分别与 Z 向和 X 向的节点反力相等,分别为 30kN 2.84kN

        2,柱底的弯矩与节点反力矩在数值上并不相等(0.49 vs 8.51),且作用方向相反。

        以上第 1 项与上述结论相符,但第 2 项却并不相符。

        请问,如何理解第 2 项结果呢?如何才能得到正确的节点反力?

解答:

        上述柱底处节点反力异常的原因在于:SAP2000 基于节点输出反力结果,而基于截面形心输出单元内力。在将插入点由默认位置(截面形心)修改为“偏心 0.3m”后,截面形心与节点将不再重合,节点反力矩与柱底弯矩也会由于 0.3m 的偏心和 30kN 的轴力而出现数值和方向上的差异。事实上,由于截面形心和节点间以刚臂相连,必然存在“节点反力矩 + 柱底弯矩 = 轴力 x 偏心距”的关系,也就是 0.49kN·m + 8.51 = 30 x 0.3 = 9.0kN·m

        综上可以看出,SAP2000 输出的柱底处的节点反力矩并非不正确,只是与工程师习惯的理解方式有所不同。因此,对于以插入点模拟偏心的排架柱,用户在输出和解读节点反力矩时需要特别谨慎!

        如果用户需要导出节点反力作为外荷载进行基础设计,那么上述排架柱偏心的模拟方法显然并不合适。此时,我们可以考虑直接修改排架柱的几何位置来考虑偏心。这种方法无需修改插入点,故节点反力与柱底内力完全对应,直接导出后反向即可作为下部基础的外荷载。具体操作如下:

        1,依次选择两个排架柱,分别沿 X 方向平移 ±0.3m,这将导致柱顶与梁端间产生 0.3m 的间隙。

        2,对横梁的两端指定端部释放模拟梁柱间的铰接,这点与之前的操作方法完全相同。

        3,选择柱顶和梁端节点并指定刚体约束,该操作可任选以下两种方法之一:

            ① 依次选择左侧和右侧的两个节点并分别指定不同的 Body 约束(勾选全部六个自由度)。
                注意:切不可同时选择四个节点并指定同一个 Body 约束!

            ② 同时选择四个节点并指定同一个 Weld 约束(勾选全部六个自由度)。
                注意:拼接容差应大于 0.3m,但又不宜过大(如 10m)。建议取 0.5m 即可。

        如下所示,基于以上建模思路考虑排架柱的偏心,既能保证结构内力的正确性,也能直接导出节点反力用于下部的基础设计。



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