力矩分配法
力学术语
用一般的力法或位移法分析超静定结构(见杆系结构的静力分析)时,都要建立和解算线性方程组。如果未知数目较多,计算工作将相当繁重。H.克罗斯于1930年在位移法的基础上,提出了不必解方程组而是逐次逼近的力矩分配法。它在1930年发表在ASCE期刊,该方法仅考虑弯曲效应,忽略轴向和剪切效应。 从20世纪30年代到电脑开始广泛应用于结构设计和分析中,力矩分布法是最广泛应用的方法。
简介
位移法为基础的一种数值渐近方法,是美国H.克罗斯于1932年发表的,主要用于杆系刚结结构(如连续梁和刚架)的受力分析
设想将结构承载后能产生位移的节点(杆件的连接点)用相应的假想约束固定,在假想约束处就产生不平衡力矩(或力),然后逐个放松附加约束,消除不平衡力矩(或力),恢复真实变形状态。若首先放松节点i的附加约束,则i点的不平衡力矩Mi就会使刚结于i点的所有杆件变形,不平衡力矩Mi随即消失,这就是把Mi分配给节点i备杆件的近端,而各杆件远端由于受到i端分配力矩的影响也得到一定的力矩,前者称为分配力矩,后者称为传递力矩。然后再将节点i固定住。在消除同节点i相邻的节点j的不平衡力矩时,节点i得到了节点j端传来的力矩,以此作为i节点新的不平衡力矩,再次放松约束,将不平衡力矩分配给节点i各杆的近端。如此循环进行,直到各点不平衡力矩都趋于零为止。循环中,节点i处第k个杆的分配力矩为Mik=-μikMi,其中分配系数,Kik为第k个杆的弯曲刚度,表示连接于节点i处所有杆的弯曲刚度的总和。第k个杆在i端分配到的力矩对远端(即节点k)的影响就是传递力矩,它等于CikMik,其中Cu称为传递系数,其值为:
循环计算完毕后,将各杆端各次的分配力矩、传递力矩和最初的不平衡力矩(称为固端力矩)相加,即得各杆端的实际力矩值。此法适用于计算连续粱和无侧移刚架。
数学原理
具有四根等截面杆的刚架(图a,图中i代表各杆的线性刚度,i=EI/l,E为材料的弹性模量,I为杆件的截面惯性矩,l为杆长),若在点O作用一外力矩MO,使结点O发生单位转角嗘0=1,则结构的变形如图a虚线所示,相应的弯矩图如图b(转角及弯矩均以顺时针方向为正。习惯上把每一杆件的转动端称为近端,另一端称为远端)。由图可看出,作用于点O的力矩MO将由各杆近端共同承担,并传递到远端。各杆的远端弯矩与近端弯矩之比称为该杆的传递系数C,对于等截面杆,它仅与远端的支承情况有关。各杆的传递系数分别为CO1=1/2,CO2=0,CO3=-1,CO4=0。
根据静力平衡原理,MO应等于各近端弯矩之和,即MO=4i1+3i2+i3,如图c。杆端发生单位转角时的近端弯矩称为该杆的转动刚度Ki,各杆转动刚度之和 ∑Ki称为结点O 的转动刚度。图中任一杆的近端弯矩可表
因子 Ki/∑Ki称为分配系数Di。它表明当点O受到MO作用时,i杆所分配到的力矩与该杆转动刚度Ki对结点O转动刚∑Ki的比值有关。由此可知,点O 受任一确定的外力矩M作用时,任一杆的近端弯矩为MiO=DiM;远端弯矩为MiO=CiMOi=CiDiM。
力矩分配法的基本思路
①固定结点,在结点O上加一刚臂控制转动,分别求出各杆端由荷载产生的固端弯矩,作用于一结点上的各杆固端弯矩的代数和称为不平衡力矩
②放松结点,取消本不存在的刚臂,让结点转动,将不平衡力矩按各杆的分配系数求得各杆的分配力矩;
③传递力矩,按分配力矩和各杆的传递系数向各杆远端传递,得各传递力矩。循此规则,分配、传递、反复计算,直至得到足够精度的杆端力矩数值为止。
最后,杆端力矩等于固端力矩、分配力矩、传递力矩之和。
对于有侧移刚架,也可以应用由力矩分配法发展出来的方法计算,如无剪力分配法计算单跨刚架、附加剪力平衡方程的力矩分配法等,但其应用范围受到限制或不很方便,所以对于一般有侧移刚架,常采用迭代法
应用
为了应用力矩分布法分析结构,必须考虑以下几点。
固定最终力矩
固定的最终力矩是当接头固定时通过外部载荷在构件端产生的力矩。
弯曲刚度
构件的弯曲刚度(EI / L)表示为弹性模量(E)和第二力矩(I)除以构件长度(L)的乘积。时间分配方法所需要的不是精确值,而是所有成员的弯曲刚度比。
分布因子
当关节释放并在不平衡时刻开始旋转时,在每个构件在接头处构成一体的阻力发展。尽管总阻力等于不平衡力矩,但是在每个构件上产生的阻力的大小不同于构件的弯曲刚度。分布因子可以定义为每个成员携带的不平衡矩的比例。在数学术语中,在联合j处构造的成员k的分布因子给出为:
其中n是在联合框架的数量。
残留因子
当释放接头时,发生平衡力矩以平衡不平衡力矩,其最初与固定时刻相同。 然后将这个平衡时刻转移到会员的另一端。 另一端的转移力矩与初始结束的固定力矩的比值是残留因子。
公约
一旦选择了标志公约,就必须为整个结构维护。 传统工程师的符号约定不用于计算力矩分布法,尽管结果可以用常规方式表示。 在BMD情况下,左侧力矩为顺时针方向,其他方向为逆时针方向,因此弯曲为正,称为下垂。
框架结构
可以使用矩分布法分析具有或不具有侧面的框架结构。
参考资料
最新修订时间:2024-06-17 18:22
目录
概述
简介
参考资料