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监测位移 vs 共轭位移
创建者:张志国,编辑者:张志国,最近更新:2020/04/26 15:14:46

问题描述:

        请问,在非线性静力分析的【加载控制】选项中,共轭位移与监测位移到底有何不同呢?

解答:

        监测位移以某个节点自由度(或广义位移)控制非线性静力分析的求解进程,同时以位移目标值作为非线性静力分析的终止条件。使用监测位移的优点在于,位移目标值可以在分析终止时得到精确满足;缺点则是监测位移值在整个分析过程中只能单调变化。所谓“单调变化”即:只能单调递增或单调递减,但不能先增后减或先减后增。换言之,位移不能“变向”!

        监测位移的单调变化在某些情况下可能会导致非线性静力分析的失败。例如,某非对称高层建筑结构的静力 Pushover 分析以顶层位移作为监测位移,但该楼层在侧向荷载作用下极有可能发生扭转。在这种情况下,监测位移在整个推覆过程中很可能会出现一个“先增后减”的变化过程,这将导致非线性静力分析无法收敛,后续自然无法获取完整的 Pushover 曲线。

        为了避免上述监测位移导致的收敛性问题,我们可以采用共轭位移来控制非线性静力分析的求解进程。共轭位移是整个结构中全部位移的加权平均值,而权重就是作用于每个节点自由度的荷载值。因此,共轭位移也可以视为外荷载所作的功,只要外荷载持续做正功(即结构的应变能持续增加),非线性分析就能持续进行下去!在整个非线性分析过程中,用户选择的位移分量可增可减可“变向”,但最终结果可能与目标值相去甚远,即目标值无法得到精确满足。

        接下来,我们以一个简单的算例验证以上关于监测位移和共轭位移的论述。该算例并非取自实际的工程项目,其目的在于加深读者对监测位移和共轭位移的理解。计算模型的基本情况如以下左图所示,此处不再赘述。值得一提的是,我们在 #11 节点处布置竖向的间隙(Gap)单元并设置 1cm 的初始间隙,这将导致 #10 节点在整个加载过程中的竖向位移先增后减且峰值接近 1cm,如右图所示。


        现针对上述模型分别定义四个非线性静力工况,位移控制选项及分析结果如下表所示。从表中数据可以看出,由于 #4 节点的竖向位移在整个加载过程单调递增,故监测位移与共轭位移的结果并无区别且均能收敛。

        但是,#10 节点的竖向位移在整个加载过程先增后减,故监测位移无法收敛,共轭位移却可以收敛。注意,第 4 个工况中 #10 节点的最终位移为 -2cm 而非 2cm,这样因为用户在位移控制选项中输入的位移目标值为绝对值,-2cm 同样满足要求。



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