問題描述:
進(jìn)行施工階段分析,使用change section操作在某一階段改變構(gòu)件的截面屬性時,程序是如何處理相應(yīng)構(gòu)件的荷載及變形的?

解答:
修改截面(change section)主要是用于模擬在施工過程中構(gòu)件截面屬性的變化。在使用修改截面時程序的處理過程如下:
(1)對于修改截面構(gòu)件,該構(gòu)件將被移除。在移除構(gòu)件的同時程序會施加等效荷載,保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形。
(2)重新添加新的構(gòu)件并賦予新的截面屬性,新添加的構(gòu)件會繼承初始構(gòu)件的變形。但此時新添加的構(gòu)件應(yīng)力為零,且不承受其他外荷載作用。
(3)移除等效荷載,由新添加的構(gòu)件支撐結(jié)構(gòu)。此時新添加的構(gòu)件將從不受力狀態(tài)變化到受力狀態(tài),造成整體結(jié)構(gòu)的變形,直至達(dá)到變形協(xié)調(diào)。
這種操作實質(zhì)上是去掉有應(yīng)力構(gòu)件,用一個無應(yīng)力構(gòu)件替代。因此在對構(gòu)件改變截面屬性(change section)之前需要對該對象施加力進(jìn)行卸載,否則會導(dǎo)致構(gòu)件原有應(yīng)力的丟失。另外在刪除原截面構(gòu)件時,該構(gòu)件相應(yīng)的荷載已被刪除,因此通常要在截面屬性發(fā)生變化時重新給對象施加自重。
現(xiàn)在結(jié)合下圖中的模型來簡要解釋該操作。該結(jié)構(gòu)為兩端固結(jié)的立柱,其截面為FSEC1,總高為6m。該立柱被節(jié)點2平分為2段,每段的長度為3m。對該結(jié)構(gòu)定義了四個施工階段,如下圖所示。其中第一階段激活了所有結(jié)構(gòu)及自重,第二階段對節(jié)點2施加了1000N的集中荷載;第三階段通過change section操作將桿件1的截面屬性(FSEC1)移除,然后再重新添加為截面(FSEC1);第四階段施加桿件1的自重。

將該施工階段工況運(yùn)行完畢后,查看各個階段的軸力圖如下所示。


第一階段:由于結(jié)構(gòu)對稱且荷載荷載反對稱,1號桿頂端軸力為0,底端軸力為1號桿自重3000*0.3284=985.2N,此時節(jié)點2的豎向位移為-0.00168mm。
第二階段節(jié)點2施加了1000N的集中荷載,因此1號桿頂端軸力為1000/2=500N,底端為500+985.2=1485.1N。節(jié)點2的豎向位移增加到-0.00339mm。
第三階段改變截面(chang section)時,程序首先將桿件1移除,同時在節(jié)點2施加500N的豎直向上的等效荷載。然后重新添加構(gòu)件1同時賦予截面(FSEC1),并移除等效力500N,此時結(jié)構(gòu)將協(xié)調(diào)變形。由于上下桿件的剛度相同,因此各個桿均承擔(dān)500/2=250N的軸向力。注意1號桿底端軸力同樣為250N,并未包含結(jié)構(gòu)自重,如Stage-3軸力圖所示。在250N的軸力荷載作用下,桿件1的軸變形為250*3000/(4164.5076*206000)=0.000874239,疊加該構(gòu)件的初始變形,2號節(jié)點的位移增加到-0.00339-0.000874239=-0.00424mm。
第四階段,添加桿件1的自重,此時結(jié)構(gòu)協(xié)同受力,1號桿底軸力為988.3N,節(jié)點2的位移增加到-0.00508mm。