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阶段施工分析与变支座约束(二)
创建者:张志国,编辑者:张志国,最近更新:2016/12/26 13:35:00

问题描述:

        由于边界条件的多样性和不确定性,我们需要考虑不同的支座约束对结构响应的影响。虽然可以在不同的计算模型中分别指定相应的支座约束并完成分析,但却不便于将各个模型的分析结果进行对比或组合(如:包络组合、线性叠加组合等等)。因此,如何在 SAP2000 中对同一个计算模型考虑多种不同的支座约束呢?

解答:

        《阶段施工分析与变支座约束(一)》中介绍的方法(即:框架端部释放 + 阶段施工分析)仅适用于实现单根杆件端部的变支座约束,实际应用时往往具有很大的局限性。例如,对于下图所示的平面桁架结构,如果需要将右下角节点处的固定铰支座(计算模型 1)改变为定向铰支座(计算模型 2),利用框架的端部释放显然是无法实现的。毕竟,无论是对交于该点的水平杆还是立杆指定端部释放,都会破坏二者的刚性连接。因此,我们必须转换思路,摒弃“框架端部释放”并另辟蹊径。

        对上述平面桁架结构的变支座约束,我们可以考虑以零长度的单点连接单元模拟支座约束,然后在阶段施工分析中改变连接单元的连接属性。具体操作如下:

        首先,按照常规的建模方法创建上述模型,但不要对右下角的节点指定任何支座约束(即:无约束)。然后,定义两个线性(Linear)连接属性,分别用于模拟固定铰支座和定向铰支座。具体如下:

    1. 固定铰支座 Hinge:勾选 U1U2U3 三个变形分量,解耦合的刚度均为 1.0E12kN/m
    2. 定向铰支座 Horizon:仅勾选 U1 一个变形分量,解耦合的刚度同样为 1.0E12kN/m

        对于以上操作,需要强调两点:

    1. 对于以连接单元模拟的刚性支座约束,在本例中不能使用固定(Fixed)的变形分量。这是因为程序内部会将固定的变形分量自动转换为相应的支座约束(Restraint),而阶段施工分析的阶段操作无法改变支座约束。因此,我们需要以刚度放大的方式模拟连接单元的刚性行为,有关刚度系数的取值可参阅《模拟刚性行为的刚度系数取值》。
    2. 对于 Horizon 定义中勾选的变形分量(U1U2 U3),需要考虑连接单元的局部轴方向。默认情况下,单点连接单元的局部 +1 轴竖直向上(即 +Z 方向),故本例中勾选 U1。对于非默认(用户修改)的局部轴方向,则应勾选与竖直方向平行的局部轴。

        接下来,在现有模型的右下角节点处绘制单点连接单元,连接属性选择 Hinge。最后,在默认的线性静力工况 Hinge(程序自动生成)的基础上,定义新的阶段施工工况 Horizon。该工况只需添加一个施工阶段和相应的三个阶段操作。具体如下:

    1. 添加结构(Add Structure):通过对象组 ALL 添加整个计算模型。
    2. 改变截面(Change Section):通过对象类型和对象标签将连接属性由 Hinge 修改为 Horizon
    3. 对象加载(Load Objects):通过对象组 ALL 施加上弦杆的集中力荷载。


        完成上述操作后即可运行分析,对比不同工况下的结构变形图(如下所示),可以看到:

    1. 固定铰支约束:右下角 #11 节点的水平位移 U1 等于零(E-11)。
    2. 定向铰支约束:右下角 #11 节点的水平位移 U1 等于 0.0002m(非零值)。

        以上结果对比证明了前述方法的有效性。



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