[发明专利]一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法

说明书

本发明提供了一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法，包括如下步骤：①确定结构；②确定计算简图；③确定计算模型；④限制模型自由度；⑤约束侧移；⑥确定抗剪刚度系数；⑦调整计算模型；⑧结构计算分析。本发明计算结果精度满足规范要求，且达到了快捷准确的目的，同时充分利用结构力学求解器的功能强大、操作方便，使计算结果可信度高，便于推广运用。

技术领域

本发明涉及一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

根据我国水电行业现行规范要求，对于水电站厂房蜗壳、尾水管、贯流式机组管形座、河床式厂房进口段、水下墙墩和基础底板等厂房下部实体结构，可按独立结构切取平面框架进行计算，对于大型厂房宜考虑空间作用，必要时进行厂房整体三维有限元结构分析。

平面框架法计算时，根据切取部位杆件的相对刚度，当上部杆件相对刚度和底板相对刚度接近时，按封闭框架计算。封闭框架由底板、顶板和若干隔墩组成，相比于一般框架将结构与基础的连接简化为支座不同，封闭框架中包括基础底板，其实质为弹性地基上的框架。封闭框架与地基连续接触，相当于底板与地基之间有无穷多个支座，即封闭框架为无穷多次超静定结构。目前工程实际中一般忽略底板与地基的连续接触关系，直接将地基反力施加在封闭框架底板上，将无穷多次超静定结构转换为有限次超静定结构，从而简化计算。

平面框架法计算时，杆件计算长度以结构中心线为准，当杆件截面厚度较大，高跨比h/l大于0.15，需考虑剪切变形和刚性节点的影响，以提高计算精度。

剪切变形是指当杆件在两相邻的横截面处有一对垂直于杆轴，但方向相反的横向力作用时，该两截面沿横向力方向发生相对的错动变形。剪切变形是引起杆件弹性位移的因素之一，剪切变形引起的位移计算公式为：

式中：Δ_Q——剪切变形引起的结构弹性位移，m；

——虚设单位荷载引起的剪力，kN；

F_QP——实际荷载引起的剪力，kN；

GA——杆件截面的抗剪刚度，kN；

k——切应变截面形状系数，如矩形截面k＝6/5。

对于一般框架结构，其位移主要是由弯曲变形引起的，轴向和剪切变形的影响很小，为简化结构计算一般忽略轴向和剪切变形。但对于厚截面框架，剪力引起的变形占结构总变形的比重较大，为满足计算精度要求，应考虑剪切变形的影响。

在框架杆件之间的刚性连接处，实际上总是形成一个结合区。当结合区的尺寸较小时，结合区可以简化为一个点，这就是“节点”的概念。但当结合区尺寸较大时，则应考虑结合区尺寸的影响。一种近似的考虑方法是把结合区看作刚性区，把各杆件端部进入结合区的一段看作刚性段。水电行业中把这种杆件端部进入结合区的一段看作刚性段的方法称之为刚性节点。刚性段具有在外力作用下不发生变形的能力，即刚性段内杆件截面假设为无穷大，抗弯刚度EI、抗拉刚度EA及抗剪刚度GA均为无穷大。