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几何非线性的切线刚度
创建者:张志国,编辑者:张志国,最近更新:2014/11/27 16:41:24

问题描述:

考虑几何非线性的单元切线刚度矩阵如下所示:

其中,  kT:单元切线刚度矩阵,代表单元处于某种变形位置时的瞬时刚度

            k0:与单元节点位移无关的用于线性分析的单元刚度矩阵,即小位移的线性刚度矩阵

            kσ:单元的初应力矩阵或几何刚度矩阵,表示单元中存在的应力对单元刚度矩阵的影响。

            kL:单元的初位移矩阵或大位移矩阵,表示单元位置的变动对单元刚度矩阵的影响。

请问,SAP2000 中的几何非线性参数与以上的单元切线刚度是如何对应的呢?

解答:

在 SAP2000 中,不同几何非线性参数考虑的单元切线刚度矩阵如下:

        1. 无(None):不考虑几何非线性,即单元切线刚度只包括 k0,结构刚度在整个分析过程中保持不变。

        2. P - Δ(P-Delta): 只考虑几何非线性中的 P - Δ 效应,即单元切线刚度包括 k0 和 kσ

        3. P - Δ 和大位移(P-Delta plus Large Displacement):同时考虑几何非线性中的 P - Δ 效应和大位移效应,
            即单元切线刚度同时包含 k
0、kσ 和 kL

        选项 3 比选项 2 可以更全面地考虑几何非线性效应,但计算量更大,计算时间也更长。在常规的建筑结构分析中,P - Δ 选项的计算精度可以满足大多数的工程要求。只有某些特殊的结构或复杂的分析类型才需要考虑大位移效应,如:柔性索的非线性分析、高层建筑的推覆分析等等。

对于 SAP2000 中的几何非线性选项,需要注意以下几点:

        在结构力学中,由于主要的单元类型为框架单元和板壳单元,故 P-Delta 特指构件的轴向力对侧向抗弯和抗剪刚度的影响。如:轴向压力趋于降低构件的抗弯和抗剪刚度,即刚度软化;而轴向拉力则趋于增强构件的抗弯和抗剪刚度,即刚度硬化。

        因此,如果用户选择 P - Δ 参数,则程序只考虑部分结构(即具有轴向内力的框架单元和板壳单元)的几何刚度,而不考虑其余结构的几何刚度。如果用户选择 P - Δ 和大位移 参数,则程序将考虑整个结构(即所有单元)的大位移矩阵和部分结构(即具有轴向内力的框架单元和板壳单元)的几何刚度。

        在几何非线性的增量迭代求解过程中,程序将根据每次迭代结束时的单元位移和单元应力,分别计算大位移矩阵和几何刚度矩阵,并组装切线刚度矩阵用于在后续的迭代过程中计算新的位移增量,直至满足收敛容差。



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