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大位移效应的算例演示
创建者:张志国,编辑者:张志国,最近更新:2015/06/29 15:38:38

问题描述:

        对于几何非线性中的大位移效应,能否列举简单的算例加以演示呢?

解答:

        对于下图所示的结构,由于对铰 C 在竖直方向的位移缺少必要的约束,导致 C 点可沿竖直方向发生位移。然而一旦发生微小位移后,A、B、C 三个铰不再共线,C 点的竖直位移将受到相应的约束。这种原为几何可变,经微小位移后即转变为几何不变的体系,称为瞬变体系。工程结构中不能采用瞬变体系,而且接近于瞬变的体系也应该避免!

假设在跨中节点 C 处施加竖直向下的集中力 F

        对于线性分析,由于该瞬变体系的初始刚度无法抵抗 C 点的竖向作用力(即相应刚度为零),且在整个计算过程中结构的刚度始终保持不变,故 C 点位移将为无穷大或分析无法进行(程序报错)!SAP2000 的计算结果如下图所示:


        这种数量级巨大的位移结果通常表明结构存在刚度奇异,建议用户可以从以下几个方面检查模型错误:

a. 结构的约束是否足够限制其刚体位移;

b. 单元之间是否正确连接,是否存在重合的节点;

c. 结构的局部是否出现机构导致局部刚体位移;

d. 结构整体是否为瞬变体系(如本例所示);

e. 等等

        事实上,该问题是存在理论解答的,只是需要同时考虑静力平衡方程、几何协调方程以及物理方程。如上图所示,具体求解如下:

a. 静力平衡方程:

b. 几何协调方程:

c. 物理方程:

        联立以上三个方程,则有:

        这里,我们需要注意几点:

a. 静力平衡方程是根据结构变形后的几何形状建立的。

b. 外力 F 与 C 点的转角位移 θ 为非线性关系

c. 结构最终的几何形状是与外荷载的大小相关的。

        以上第一条就是大位移效应的本质:根据结构变形后的几何形状建立结构的平衡方程!

        如果想要得到以上的理论解答,则必须进行非线性分析,并考虑几何非线性中的大位移效应。程序将根据结构的变形不断重新形成结构的刚度,通过迭代求解最终同时满足三套方程。正确的理论解答如下图所示:

a. 必须考虑大位移效应,只考虑 P-Delta 效应是无法得到正确解答的!

b. C 点的转角 θ (即上图中的 R2)与外力 F 完全满足:

c. 对于一般的结构是不需要考虑大位移效应的,除非结构的变形显著不满足小变形假定(如Pushover分析)或结构包含特殊的柔性构件(如拉索)。

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