問題描述:
對兩端固定的等截面梁施加轉(zhuǎn)角位移荷載(RY=1),如下圖所示。注意,左右兩個模型的幾何長度、材料屬性、支座約束以及位移荷載完全相同,僅構(gòu)件的截面尺寸有所不同。
從理論上講,以上兩個模型的變形曲線應(yīng)完全相同。但是,從 SAP2000 的計算結(jié)果來看,跨中節(jié)點的轉(zhuǎn)角位移差別很大,如下圖所示。請問,如何解釋該結(jié)果呢?
解答:
事實上,上述“從理論上講,以上兩個模型的變形曲線應(yīng)完全相同”的結(jié)論是錯誤的!該結(jié)論得以成立的充分條件是“結(jié)構(gòu)剛度的等比例變化”,但“僅截面尺寸不同”并不滿足該條件。就單一桿件而言,其“結(jié)構(gòu)剛度”應(yīng)包括拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、剪切剛度以及彎曲剛度,而截面尺寸的改變無法保證這四種剛度同時縮放相同的倍數(shù)(即“等比例變化”)。以題目中的兩個模型為例,雖然該構(gòu)件未發(fā)生扭轉(zhuǎn)和拉壓變形,但卻同時存在彎曲變形和剪切變形?,F(xiàn)對比兩個截面的抗彎剛度和剪切剛度,具體如下:
可以看到,截面尺寸的改變無法保證構(gòu)件剛度的等比例變化。在這種情況下,即使構(gòu)件在兩個固定端的轉(zhuǎn)角位移相同,梁內(nèi)部的位移也不一定相同。在這里,我們進一步考慮“如果不考慮構(gòu)件的剪切變形呢?”。通常來講,對于細長桿件可以忽略剪切變形,多數(shù)的手算和教科書也均采用該假定。不過,對于短粗桿件卻不宜忽略剪切變形,如深梁。如果忽略剪切變形,則題目中的模型只有彎曲變形。此時,截面尺寸的改變必然導(dǎo)致構(gòu)件剛度的等比例變化?;诖耍瑑蓚€模型的彎曲變形才會完全相同,如下圖所示。
最后提一下,在 SAP2000 中忽略框架的剪切變形的方法有兩種:
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修正框架對象的剪切面積為零
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修正框架截面的剪切面積為零
注意:以上兩種方法同時使用將產(chǎn)生“倍乘”效果。例如,當(dāng)同時指定框架對象及框架截面的修正系數(shù)為 0.1 時,實際構(gòu)件的相應(yīng)剛度將折減為 0.1 x 0.1 = 0.01。因此,用戶應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的方法,盡量避免無意義的“倍乘”效果。