力矩分配法

力矩分配法

用一般的力法或位移法分析超靜定結構(見桿繫結構的靜力分析)時,都要建立和解算線性方程組。如果未知數目較多,計算工作將相當繁重。H.克羅斯於1930年在位移法的基礎上,提出了不必解方程組而是逐次逼近的力矩分配法。它在1930年發表在ASCE期刊,該方法僅考慮彎曲效應,忽略軸向和剪下效應。 從20世紀30年代到電腦開始廣泛套用於結構設計和分析中,力矩分布法是最廣泛套用的方法。

簡介

以位移法為基礎的一種數值漸近方法,是美國H.克羅斯於1932年發表的,主要用於桿系剛結結構(如連續梁和剛架)的受力分析。

構想將結構承載後能產生位移的節點(桿件的連線點)用相應的假想約束固定,在假想約束處就產生不平衡力矩(或力),然後逐個放鬆附加約束,消除不平衡力矩(或力),恢復真實變形狀態。若首先放鬆節點i的附加約束,則i點的不平衡力矩M就會使剛結於i點的所有桿件變形,不平衡力矩M隨即消失,這就是把M分配給節點i備桿件的近端,而各桿件遠端由於受到i端分配力矩的影響也得到一定的力矩,前者稱為分配力矩,後者稱為傳遞力矩。然後再將節點i固定住。在消除同節點i相鄰的節點j的不平衡力矩時,節點i得到了節點j端傳來的力矩,以此作為i節點新的不平衡力矩,再次放鬆約束,將不平衡力矩分配給節點i各桿的近端。如此循環進行,直到各點不平衡力矩都趨於零為止。循環中,節點i處第k個桿的分配力矩為M=-μM,其中分配係數,K為第k個桿的彎曲剛度,表示連線於節點i處所有桿的彎曲剛度的總和。第k個桿在i端分配到的力矩對遠端(即節點k)的影響就是傳遞力矩,它等於CM,其中Cu稱為傳遞係數,其值為:

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循環計算完畢後,將各桿端各次的分配力矩、傳遞力矩和最初的不平衡力矩(稱為固端力矩)相加,即得各桿端的實際力矩值。此法適用於計算連續粱和無側移剛架 。

數學原理

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具有四根等截面桿的剛架(圖a,圖中 i代表各桿的線性剛度, i= EI/ l, E為材料的彈性模量, I為桿件的截面慣性矩, l為桿長),若在點 O作用一外力矩 MO,使結點 O發生單位轉角嗘0=1,則結構的變形如圖a虛線所示,相應的彎矩圖如圖b(轉角及彎矩均以順時針方向為正。習慣上把每一桿件的轉動端稱為近端,另一端稱為遠端)。由圖可看出,作用於點 O的力矩 MO將由各桿近端共同承擔,並傳遞到遠端。各桿的遠端彎矩與近端彎矩之比稱為該桿的傳遞係數 C,對於等截面桿,它僅與遠端的支承情況有關。各桿的傳遞係數分別為 C=1/2, C=0, C=-1, C=0。

根據靜力平衡原理, MO應等於各近端彎矩之和,即 M=4 i+3 i+ i,如圖c。桿端發生單位轉角時的近端彎矩稱為該桿的轉動剛度 Ki,各桿轉動剛度之和 ∑Ki稱為結點 O 的轉動剛度。圖中任一桿的近端彎矩可表

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因子 Ki/∑Ki稱為分配係數 Di。它表明當點 O受到 MO作用時, i桿所分配到的力矩與該桿轉動剛度 Ki對結點 O轉動剛∑Ki的比值有關。由此可知,點 O 受任一確定的外力矩 M作用時,任一桿的近端彎矩為 M= DM;遠端彎矩為 M= CM= CDM。

力矩分配法的基本思路

①固定結點,在結點 O上加一剛臂控制轉動,分別求出各桿端由荷載產生的固端彎矩,作用於一結點上的各桿固端彎矩的代數和稱為不平衡力矩;

②放鬆結點,取消本不存在的剛臂,讓結點轉動,將不平衡力矩按各桿的分配係數求得各桿的分配力矩;

③傳遞力矩,按分配力矩和各桿的傳遞係數向各桿遠端傳遞,得各傳遞力矩。循此規則,分配、傳遞、反覆計算,直至得到足夠精度的桿端力矩數值為止。

最後,桿端力矩等於固端力矩、分配力矩、傳遞力矩之和。

對於有側移剛架,也可以套用由力矩分配法發展出來的方法計算,如無剪力分配法計算單跨剛架、附加剪力平衡方程的力矩分配法等,但其套用範圍受到限制或不很方便,所以對於一般有側移剛架,常採用疊代法。

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套用

為了套用力矩分布法分析結構,必須考慮以下幾點。

固定最終力矩

固定的最終力矩是當接頭固定時通過外部載荷在構件端產生的力矩。

彎曲剛度

構件的彎曲剛度(EI / L)表示為彈性模量(E)和第二力矩(I)除以構件長度(L)的乘積。時間分配方法所需要的不是精確值,而是所有成員的彎曲剛度比。

分布因子

當關節釋放並在不平衡時刻開始鏇轉時,在每個構件在接頭處構成一體的阻力發展。儘管總阻力等於不平衡力矩,但是在每個構件上產生的阻力的大小不同於構件的彎曲剛度。分布因子可以定義為每個成員攜帶的不平衡矩的比例。在數學術語中,在聯合j處構造的成員k的分布因子給出為:

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其中n是在聯合框架的數量。

殘留因子

當釋放接頭時,發生平衡力矩以平衡不平衡力矩,其最初與固定時刻相同。 然後將這個平衡時刻轉移到會員的另一端。 另一端的轉移力矩與初始結束的固定力矩的比值是殘留因子。

公約

一旦選擇了標誌公約,就必須為整個結構維護。 傳統工程師的符號約定不用於計算力矩分布法,儘管結果可以用常規方式表示。 在BMD情況下,左側力矩為順時針方向,其他方向為逆時針方向,因此彎曲為正,稱為下垂。

框架結構

可以使用矩分布法分析具有或不具有側面的框架結構。

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