问题描述:
如下图所示的柱脚节点,为什么柱端横向剪力会导致沿构件轴向线性变化的附加弯矩呢?
解答:
对于 IDEA 中的节点模型,作用于构件自由端(人为截断)的外荷载对应于整体模型(如 SAP2000 或 MIDAS)中的杆件在节点处的杆端内力。
由于整体模型中的杆件多采用理想的抽象化的线单元(如:梁单元、桁架单元等),在几何(线框)上并不考虑构件的横截面尺寸以及构件之间的节点重叠区域。同时,整体模型忽略构件之间复杂的节点连接方式,代之以刚接、铰接或半刚性连接等简化近似的处理。因此,整体模型中杆端内力的输出位置即下图所示的线与线的几何交点,也称为“理论节点”。
但是,用户在 IDEA 中创建的节点模型严格遵循节点连接方式和组件/构件的几何尺寸,即:高仿真高精度的节点模型。从下图可以看出,IDEA 中的构件自由端与理论节点之间存在一定的偏移距离 r,该值即人为截取的构件长度。默认情况下,r 等于 1.5 或 2.0 倍的截面高度 H,用户可在【规范设置】中修改默认值。

因此,作用于理论节点处的杆端内力(整体模型)与作用于构件自由端的外荷载(节点模型)在数值上存在一定的转换关系(具体如下),以此保证整体模型和节点模型中作用于理论节点处的内力完全一致。
注意,该转换过程在 IDEA 软件内部自动完成,用户只需输入来自于整体模型中理论节点处的杆端内力(如以上左图所示的弯矩 M 和剪力 V)即可,IDEA 将自动计算作用于节点模型中构件自由端的外荷载(如以上右图所示的弯矩 Mc 和剪力 Vc)。
由此推断,如果用户输入的剪力 V=2000kN,弯矩 M=0,r=2*406=812mm;那么,实际作用于柱端的弯矩 Mc=2000*0.812=1624kN·m,剪力 Vc=V=2000kN,如下所示。此时,柱端的附加弯矩 1624kN·m 叠加剪力 Vc=2000 产生的弯矩,即可保证理论节点处的总弯矩为零(与整体模型相一致)。