大跨结构弹性支座设置方法

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来源:得天建筑(id:dtjzkj) 如有侵权,请联系删除 一、弹性支座设置方法 弹性支座常用于包含大跨空间结构的工程。这种结构跨度大,在温度作用下会产生很大的端部位移,如果约束住支座的平动自由度,大跨结构将产生巨大的次内力。因此设计人员经常采用滑动支座来释放温度产生的次内力,同时减小支撑结构的内力。设置滑动支座还能明显减小地震作用(类似于隔震),简化结构受力。

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一、弹性支座设置方法


弹性支座常用于包含大跨空间结构的工程。这种结构跨度大,在温度作用下会产生很大的端部位移,如果约束住支座的平动自由度,大跨结构将产生巨大的次内力。因此设计人员经常采用滑动支座来释放温度产生的次内力,同时减小支撑结构的内力。设置滑动支座还能明显减小地震作用(类似于隔震),简化结构受力。


建模过程中用户应将空间结构与下部结构脱开,之间设置一定距离(一般300mm以上),这样可以保证空间结构杆件与下部结构构件分别承担各自的荷载。并且这样布置可以明确支座位置,同时便于设置、修改支座。


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空间结构的支座主要有铰接和滑动两种。


空间结构的支座用斜杆模拟时,如果不设置弹性连接,斜杆的刚度就相当于支座刚度。当斜杆抗弯刚度很小时,斜杆相当于一个铰接支座,与对支座设置弹性连接下的铰接差别不大。但是当相连斜杆刚度较大时,用户应该使用设置弹性连接的方式来模拟支座,设置弹性连接不但可以模拟铰接支座,还能模拟滑动支座。


YJK给用户提供3种方式施加弹性支座:单点约束、两点约束、斜杆设置连接属性。


1.两点约束


用户需指定同一楼层的2个不同点来建立两点约束,此时程序根据用户定义的刚度对这2个点的位移进行耦合。用户未指定节点局部坐标时,程序按照全局坐标对其进行耦合,否则将根据局部坐标进行耦合。

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2.单点约束


单点约束是两点约束的特殊情况。两点约束只能对同一楼层的2点进行连接,对于上下楼层连接处的节点,程序提供单点约束来施加连接属性。用户对楼层底部节点指定单点约束后,程序将根据用户定义的刚度对楼层连接处的节点(第n层底部节点和第n-1层对应位置的顶部节点)施加两点约束。单点约束和两点约束一样,默认使用全局坐标对节点进行耦合。

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3.斜杆设置连接属性


用户可以对斜杆施加连接属性,此时程序将斜杆自身的刚度替换为用户指定的刚度进行计算,相当于对斜杆两端节点施加两点约束。对斜杆设置连接属性后,程序将根据斜杆的局部坐标,对斜杆两端节点进行耦合。如果斜杆的局部坐标和全局坐标不同(非垂直布置时),随着斜杆倾角的变大(相对于垂直方向),结构将越来越难沿着斜杆局部坐标方向滑动,此时使用斜杆设置连接属性的方法来模拟支座将产生错误的计算结果。

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4.无支座设置情况


有时用户忽略支座的滑动连接,且认为模拟支座的杆件刚度小,相当于铰接时,可以不对支座专门设置弹性连接。


二、实例


以一个带空间网架的简单框架结构为例,说明不同弹性支座设置方法的区别。


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首先使用“垂直斜杆”、“45°斜杆”这2种模型。正常的网架支座应是垂直于下面的支撑杆件,但是实际上由于网架建模的精度等原因,很多用户工程的网架支座常不能垂直设置,因此我们这里用“45°斜杆”模型模拟这种状况。


然后我们对每种模型分别建立“无支座”、“单点约束”、“两点约束”、“斜杆施加连接属性”,一共8个模型进行计算对比。


这些模型除“无支座”模型不施加弹性连接外,对其余模型所有的角支座设置为铰接,即释放转角自由度,同时对边支座设置为滑动,即释放垂直方向的水平自由度。

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由于柱顶与网架支座单独连接,柱顶内力应与网架支座的内力平衡,我们通过对比柱顶的内力来说明网架支座不同弹性连接下内力结果。


分别铰接的角柱A和滑动的X向边柱B、Y向边柱C在8种模型下的结果,记录的是活载的柱顶部内力,详见下表(单位为kN、kN*m):


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由上表可以看出如下结论:


对于设置为铰接的角柱,垂直支座下4种支座设置的结果差别不大,“45°斜杆”支座下的差别也不大。


对于设置为滑动支座的边柱,垂直支座下,三种弹性连接方式(单点约束、两点约束、支撑设置为弹性连接)的计算结果基本相同,无支座情况不能起到滑动支座的效果。但是在“45°斜杆”下,仅两点约束、单点约束的结果是正确的,支撑设置为弹性连接的结果是错误的,无支座更是起不到滑动效果,更是错误的的结果。


在“45°斜杆”下,由于两点约束、单点约束都采用了整体坐标系下的弹性连接,因此可以设置成水平向的滑动效果。但是支撑设置为弹性连接时采用的是斜杆的局部坐标系,不能起到水平向滑动的效果。


三、结论


对于大跨空间结构,用户应将空间结构与下部结构脱开,中间设置连接斜杆,使用单点约束、两点约束(此时不建连接斜杆)、斜杆设置连接属性这3种方法模拟弹性支座;


对于需设置为铰接的支座来说,无论支座是垂直还是倾斜,使用单点约束、两点约束、斜杆设置连接属性这3种方法都可以,差别不大。用刚度较小的斜杆模拟而不设弹性连接,也可近似模拟铰接支座。


对于需设置为滑动的支座来说,直接用斜杆模拟而不设弹性连接是不对的。垂直支座下,三种弹性连接方式(单点约束、两点约束、支撑设置为弹性连接)的计算结果基本相同,都可起到滑动的效果。但是在“45°斜杆”下,仅两点约束、单点约束的结果是正确的,支撑设置为弹性连接的结果是错误的。


在“45°斜杆”下,由于两点约束、单点约束都采用了整体坐标系下的弹性连接,因此可以设置成水平向的滑动效果。但是支撑设置为弹性连接时采用的是斜杆的局部坐标系,不能起到水平向滑动的效果。


用户在建模过程中难免有误差,造成空间结构支座与下部支撑柱不能垂直连接。当需要设置滑动支座时,仅能使用单点约束、两点约束的方式,而不能使用特殊支撑设置为弹性连接的方式,随着支座倾角的增大(相对于垂直方向),特殊支撑模拟连接的计算结果将越来越不准确。


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