一种多内力构件的加载及内力计算方法

摘要

本发明公开了一种多内力构件的加载及内力计算方法，包括计算该多内力构件在其节点连接状态一次生成时需承受的总荷载；调整该多内力构件的至少一节点的连接状态为第一连接状态，施加第一荷载至该多内力构件所在的结构，根据第一荷载计算该多内力构件的至少一节点处于第一连接状态时的第一内力；再次调整该多内力构件的至少一节点的连接状态，使其从第一连接状态调整至第二连接状态，施加第二荷载至该多内力构件所在的结构，根据第二荷载计算该多内力构件的至少一节点处于第二连接状态时的第二内力；实施本计算方法，能够均化内力，降低幅值，提高构件的受力变形性能，避免出现误判导致否定结构的可行性的情况，经济性较佳。

说明书

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，尤其涉及一种多内力构件的加载及内力计算方法。

背景技术

传统的工程结构中，构件与构件或支座的连接，以构件与构件的连接为例，一般采用刚接、铰接或滑动连接等。当工程结构受到荷载的作用时，便会产生构件内力。通常在结构实际建造(制造)前需计算分析构件的内力，以确保工程结构的受力性能。

目前，计算构件的内力的方法大致为：首先，将构件连接成实际建造(制造)完成后的连接状态，在该连接状态下施加全部荷载，最后进行分析计算构件的内力。

然而，采用目前的构件内力的计算方法，因构件内力分布与构件的连接刚度有关，连接刚度大，则内力分布集中，因此，若构件的连接状态一次形成，且一次承载全部荷载，则计算得出的构件内力分布不均(可能集中于某些连接刚度较大的位置)，幅值较大。结构实际建造(制造)后，构件的受力变形性能不佳，甚至出现误判导致否定结构的可行性。以及，为了避免出现构件强度不足的情况而需增加截面规格，这导致材料浪费，经济性不佳。

发明内容

本发明实施例公开了一种多内力构件的加载及内力计算方法，能够均化内力，降低幅值，提高构件的受力变形性能，避免出现误判导致否定结构的可行性的情况，经济性较佳。

本发明实施例公开了一种多内力构件的加载及内力计算方法，包括：

计算所述多内力构件所在的结构在所述多内力构件的节点连接状态一次生成时需承受的总荷载；

调整所述多内力构件的所述至少一节点的连接状态为第一连接状态，施加第一荷载至所述多内力构件所在的结构，根据所述第一荷载计算所述多内力构件的所述至少一节点处于所述第一连接状态时的第一内力；

再次调整所述多内力构件的所述至少一节点的连接状态，使其从所述第一连接状态调整至第二连接状态，施加第二荷载至所述多内力构件所在的结构，根据所述第二荷载计算所述多内力构件的所述至少一节点处于所述第二连接状态时的第二内力；

其中，所述总荷载为所述第一荷载与所述第二荷载之和。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第一荷载为分布荷载和/或集中荷载，所述调整所述多内力构件的至少一节点的连接状态为第一连接状态，施加第一荷载至所述多内力构件所在的结构，根据所述第一荷载计算所述多内力构件的所述至少一节点处于所述第一连接状态时的第一内力，包括：

分析所述多内力构件的所述节点处于一次生成的连接状态时的约束总数；

解除所述多内力构件的所述至少一节点处的约束，且解除的所述约束的数量小于所述约束总数；

对所述第一荷载取值；

施加所述第一荷载至所述多内力构件所在的结构；

根据所述第一荷载计算所述多内力构件的所述至少一节点处于所述第一连接状态时的第一内力；

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第二荷载为分布荷载和/或集中荷载，所述再次调整所述多内力构件的所述至少一节点的连接状态，使其从所述第一连接状态调整至第二连接状态，施加第二荷载至所述多内力构件所在的结构，根据所述第二荷载计算所述多内力构件的所述至少一节点处于所述第二连接状态时的第二内力，包括：

重新添加所述多内力构件的所述至少一节点处解除的所述约束，使其从所述第一连接状态调整至所述第二连接状态；

根据所述总荷载和所述第一荷载，计算所述第二荷载；

施加所述第二荷载至所述多内力构件所在的结构；

根据所述第二荷载计算所述多内力构件的所述节点处于所述第二连接状态时的第二内力；

其中，所述第二荷载为q

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第一内力包括第一剪力、第一轴力、第一扭矩以及第一弯矩中的至少两种，所述第二内力包括第二剪力、第二轴力、第二扭矩以及第二弯矩中的至少两种，所述叠加所述第一内力和所述第二内力获得目标内力，包括：

叠加所述第一剪力和所述第二剪力获得目标剪力，叠加所述第一轴力和所述第二轴力获得目标轴力，叠加所述第一扭矩和所述第二扭矩获得目标扭矩，叠加所述第一弯矩和所述第二弯矩获得目标弯矩。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述约束包括线约束和/或角约束。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述多内力构件为存在至少两种不同类型的内力的构件。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第一连接状态为未连接、铰接或半刚接，所述第二连接状态为铰接、半刚接或刚接，且所述第二连接状态的连接刚度大于所述第一连接状态的连接刚度。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述至少一节点为所述多内力构件在所述总荷载作用下产生的内力最大的节点。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述多内力构件的所述至少一节点处于所述第二连接状态时的刚度不小于所述多内力构件的所述节点一次生成的连接状态的刚度。

本发明实施例提供了一种多内力构件的加载及内力计算方法，通过将构件的至少一节点处的连接状态分阶段生成，分别为第一连接状态以及第二连接状态，将构件承受的总荷载分成第一荷载和第二荷载，并分别在第一连接状态和第二连接状态分步施加。通过叠加不同连接状态承受的不同荷载时产生的构件内力得到目标内力，所得的目标内力峰值比现有的方法计算的内力峰值有所消减。构件的内力得到均化，幅值得到降低，从而提高构件的受力变形性能以及经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本技术领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统的框架结构受荷载作用的内力图；

图2是本发明公开的一种多内力构件的加载及内力计算方法的流程图；

图3是本发明公开的步骤102的流程图；

图4是本发明公开的步骤103的流程图；

图5是本发明公开的框架结构在第一荷载作用下的第一内力图；

图6是本发明公开的框架结构在第二荷载作用下的第二内力图；

图7是图5和图6叠加后的目标内力图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本发明公开了一种多内力构件的加载及内力计算方法，能够均化内力，降低幅值，提高构件的受力变形性能，避免出现误判导致否定结构的可行性的情况，经济性较佳。

请一并参阅图2至图4，为本发明实施例提供的一种多内力构件的加载及内力计算方法，该方法包括以下步骤：

101、计算该多内力构件所在的结构在该多内力构件的节点连接状态一次生成时需承受的总荷载。

在本实施例中，该多内力构件是指在荷载的作用下产生的内力的种类至少为两种的构件，即，产生的内力包括剪力、轴力、弯矩、扭矩等内力中的任意两种或两种以上。该多内构件为框架结构梁柱构件，在框架结构中，当框架结构对称时，在梁上竖向荷载的作用下，框架梁至少受到剪力和弯矩两种内力，属于多内力构件。以及，框架柱一般受到剪力、轴力和弯矩，也属于多内力构件。连接状态一次生成是指工程结构的节点一次连接，形成的连接状态单一，结构状态单一，刚度状态单一，且刚度不均的传统结构的实际连接状态。也就是说，此时，构件在实际应用时可能受到的荷载，包括永久荷载、可变荷载以及偶然荷载。其中，永久荷载包括结构自重、土压力、预应力等，可变荷载包括楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载和温度作用等，偶然荷载包括爆炸力、撞击力等。由于偶然荷载的不确定性，在均化理论计算中，剔除偶然荷载进行分析计算，即该多内力构件承受的总荷载主要包括永久荷载和可变荷载。在此步骤101中，计算该总荷载可通过结构荷载规范提供的计算公式进行计算。

可以理解的是，结构是由若干个构件组成。一般来说，结构由多个构件组成。特殊地，当结构由一个构件组成时，该构件所在的结构即构件本身。本发明中的支座和节点是相对的，所研究的构件之外的构件可作为研究的构件的相对支承支座，且该支承支座为弹性支座(半刚性支座)。

在本实施例中，该多内力构件的至少一节点处于第二连接状态时的约束数不少于该多内力构件的节点一次生成的连接状态的约束数。

102、调整该多内力构件的至少一节点的连接状态为第一连接状态，施加第一荷载至该多内力构件所在的结构，根据该第一荷载计算该多内力构件的至少一节点处于该第一连接状态时的第一内力。

在本实施例中，该至少一节点优选为该多内力构件在该总荷载作用下产生的内力最大的节点。该第一连接状态为未连接、铰接或半刚接。并且，在该第一连接状态时，该多内力构件所属的工程结构为瞬变结构或静定结构或超静定结构。

进一步地，如图3所示，该步骤102具体包括以下步骤：

1021、分析该多内力构件的节点一次生成的连接状态时的约束总数。

在本实施例中，该第二连接状态为铰接、半刚接或刚接，且该第二连接状态的连接刚度大于该第一连接状态的连接刚度。并且，在该第二连接状态时，该多内力构件所述的工程结构为超静定结构，即，此时，该工程结构有多余约束。

该约束包括线约束和/或角约束。具体地，线约束用于限制被连接的构件与构件或与支座之间的相对线位移，线位移包括轴向位移和横向位移。角约束用于限制被连接的构件与构件或与支座之间的角位移，角位移包括弯矩位移和扭矩位移。则线位移和角位移可分为轴向约束、横向约束和弯曲约束，并且与轴力、剪力、弯矩和扭矩四种内力相对应。

1022、解除该多内力构件的至少一节点的约束，且解除的约束的数量小于该构件的约束总数。

在本步骤1022中，由于解除了该多内力构件的至少一节点的部分或全部约束，使得该多内力构件所述的工程结构的连接刚度降低。也就是说，该第一连接状态由该第二连接状态通过解除部分或全部约束(降低连接刚度)形成。例如，该第二连接状态为铰接时，通过解除该多内力构件的至少一节点的部分或全部约束，从而将该第二连接状态调整至该第一连状态，且该第一连接状态为未连接。同样地，该第二连接状态为半刚接时，该第一连接状态可为未连接或铰接；该第二连接状态为刚接时，该第一连接状态可为未连接、铰接或半刚接。

根据结构基本理论可知，结构内力分布与结构刚度分布有关。刚度大的节点、构件，内力分布较大。刚度小的节点、构件，内力分布较小。为了使得该多内力构件的内力分布更加均匀，根据以上内力的固有特性，实施了本步骤1022。降低了刚度较大的节点的刚度，使得该节点的较大内力部分转移至刚度较小(内力较小)的节点，从而实现内力的转移而重新分布，内力有所消减并更加均化。

1023、对该第一荷载取值。

在本实施例中，该第一荷载为竖向荷载。具体地，该总荷载为q，所述第一荷载为q

1024、施加该第一荷载至该多内力构件所在的结构。

在本步骤1024中，施加该第一荷载时，应注意该第一荷载与该总荷载的方向以及分布一致。

可以得知的是，通过该步骤1022、该步骤1023和该步骤1024，该多内力构件所属的工程结构分阶段生成，该第一连接状态为第一阶段，并在该第一阶段施加第一荷载。

1025、根据该第一荷载计算该多内力构件的至少一节点处于该第一连接状态时的第一内力。

在本步骤1025中，该第一内力可根据该第一荷载和该第一连接状态，依据力学理论进行分析、计算得出。

103、再次调整该多内力构件的至少一节点的连接状态，使其从该第一连接状态调整至第二连接状态，施加第二荷载至该多内力构件所在的结构，根据该第二荷载计算该多内力构件的至少一节点处于该第二连接状态时的第二内力。

在本实施例中，该第二连接状态为铰接、半刚接或刚接，且该第二连接状态的连接刚度大于该第一连接状态的连接刚度。并且，该总荷载为该第一荷载与该第二荷载之和。

进一步地，如图4所示，该步骤103具体包括以下步骤：

1031、重新添加该多内力构件的至少一节点处解除的约束，使其从该第一连接状态调整至该第二连接状态。

通过该步骤1031，使得该多内力构件所属的工程结构重新调整回第二连接状态。

1032、根据该总荷载和该第一荷载，计算该第二荷载。

在本步骤1032中，该第二荷载为竖向荷载，由于该总荷载为该第一荷载与该第二荷载之和，该第二荷载可通过该总荷载减去该第一荷载获得。并且，该第二荷载为q

1033、施加该第二荷载至该多内力构件所在的结构。

在本步骤1033中，施加该第二荷载时，该第二荷载为总荷载扣除第一荷载的剩余荷载。

可以得知的是，通过步骤1031、步骤1032和步骤1033，该多内力构件所属的工程结构分阶段生成，该第二连接状态为第二阶段，并在该第二阶段施加第二荷载。

相比现有的一次生成工程结构并一次施加全部荷载的方法，本实施例将该工程结构分第一阶段和第二阶段生成，并分别在该第一阶段和该第二阶段施加该第一荷载和该第二荷载，可均化构件内力，降低内力幅值，从而提高构件的受力变形性能，避免出现误判导致否定结构的可行性的情况，经济性较佳。

1034、根据该第二荷载计算该多内力构件的至少一节点处于该第二连接状态时的第二内力。

在本步骤1034中，该第二内力可根据该第二荷载和该第二连接状态，依据力学理论进行分析、计算得出。

104、叠加该第一内力和该第二内力获得目标内力。

在本实施例中，该第一内力包括第一剪力、第一轴力、第一扭矩以及第一弯矩四种内力中的至少两种，该第二内力包括第二剪力、第二轴力、第二扭矩以及第二弯矩四种内力中的至少两种。该步骤104具体为：

叠加该第一剪力和该第二剪力获得目标剪力，叠加该第一轴力和该第二轴力获得目标轴力，叠加该第一扭矩和该第二扭矩获得目标扭矩，叠加该第一弯矩和该第二弯矩获得目标弯矩。

本申请提供的方法的具体实施方式，通过以下例子进行详细说明：

在说明过程中，将位于框架结构左侧(如图1纸面方向左侧)的柱称为柱L，右侧的柱称为柱R，案例以该多内力构件的至少一节点处于第二连接状态时的约束数等于该多内力构件的节点一次生成的连接状态的约束数为例。此时，第二连接状态就是传统连接状态。

以框架结构中的多内力梁柱构件为例，且该框架结构对称，承受的荷载为竖向荷载且分布不对称，对目标内力的计算过程如下：

采取传统的计算方法，如图1所示，图1为单层单跨框架，该单层单跨框架的连接状态一次生成，并一次施加全部荷载。在计算过程中，框架梁简称为梁，框架柱简称为柱。

根据建筑结构理论进行计算，由《建筑结构静力计算手册(1975年第一版)》:

令

μ

μ

根据以上系数，可计算得出以下内力：

1、柱顶及梁端弯矩为：

2、柱根弯矩为：

3、柱剪力为：

4、柱轴力为：

如图1所示，结合以上各计算式，可以得知的是，图1柱L与柱R的水平剪力H相等，柱L和柱R的柱顶弯矩均比柱根弯矩大得多，柱L的轴力和弯矩也比柱R大得多，梁D端弯矩和剪力均比梁E端大得多。也就是说，采取传统的计算方式，将框架结构一次生成并施加全部荷载，计算得出的框架梁和框架柱的内力都分布不均。

采取本实施例提供的计算方法，将该框架结构分阶段形成，且分阶段施加荷载，如下所示：

第一阶段，如图5所示，实施步骤101，令该柱L的柱顶在其连接状态一次生成时需承受的总荷载为q，且该总荷载为竖向荷载。

实施步骤102，调整该柱L的柱顶的连接状态为第一连接状态，且为未连接，并在该第一连接状态下施加第一荷载q

1、柱的轴力等于其支座的竖向反力：

N

2、柱的剪力等于其支座的水平反力：

H

3、柱的弯矩：

M

4、梁跨中弯矩：

第二阶段，如图6所示，实施步骤103，调整该柱L的柱顶的连接状态为第二连接状态，且为刚接，并在该第二连接状态下施加第二荷载q

1、柱的轴力等于其支座的竖向反力：

2、柱的剪力等于其支座的水平反力：

3、柱顶和柱根弯矩：

4、梁跨中弯矩：

如图7所示，图7为叠加第一阶段(状态1)的内力图图5和第二阶段(状态2)的内力图图6得到的双态加载全图，即，实施步骤104，叠加该第一内力和该第二内力，获得目标内力(包括目标剪力、目标轴力以及目标弯矩)如下：

在本实施例中，q＝q

1、柱L与柱R的剪力为：

可以得知，实施本发明的方法，柱的轴力相比传统方法计算得出的剪力有所消减。

2、柱L和柱R的轴力为：

可以得知，实施本发明的方法，柱L的轴力减小，柱R的轴力增大。相比传统计算方法，轴力较大的柱L的轴力减小，轴力较小的柱R的轴力增大，即，柱的轴力发生了转移且重新分布，轴力的分布更加均化。

3、柱L和柱R的柱顶弯矩(控制弯矩)幅值为：

可以得知，实施本发明的方法，柱L的柱顶弯矩幅值减小，柱R的柱顶弯矩幅值增大。相比传统计算方法，柱顶弯矩较大的柱L的柱顶弯矩幅值减小，柱顶弯矩较小的柱R的柱顶弯矩幅值增大，即，柱的柱顶弯矩发生了转移且重新分布，柱顶弯矩的分布更加均化。

4、梁跨中弯矩(峰值弯矩)为：

可以得知，实施本发明的方法，梁的跨中弯矩相比传统方法计算得出的弯矩有所消减。

通过以上对框架结构中的多内力梁柱构件的内力计算，通过实施本发明的计算方法，将框架结构分阶段生成，且分阶段施加荷载，叠加两个阶段的内力获得的目标内力，与传统方法计算得出的内力计算值相比较，有以下结论：传统框架结构中，内力较大的柱的轴力和柱顶弯矩均减小，内力较小的柱的轴力和柱顶弯矩均增大，梁的弯矩有所均化，梁的跨中弯矩锐减。

本发明实施例提供了一种多内力构件的加载及内力计算方法，通过将构件的至少一节点处的连接状态分阶段生成，分别为第一连接状态以及第二连接状态，将构件承受的总荷载分成第一荷载和第二荷载，并分别在第一连接状态和第二连接状态分步施加。通过叠加不同连接状态承受的不同荷载时产生的构件内力得到目标内力，所得的目标内力比现有的方法计算的内力峰值有所消减。构件的内力得到均化，幅值得到降低，从而提高构件的受力变形性能以及经济性。

以上对本发明施例公开的一种多内力构件的加载及内力计算方法进行了详细的介绍，本文应用了个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的一种多内力构件的加载及内力计算方法与其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。