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吳忠鋼結構構件邊界條件的處理方法

鋼結構構件邊界條件的處理方法 

邊界條件中有固定、彈性約束、斜邊界和強迫位移等。在網架（殼）結構有限元計算中，邊界條件將對網架結構內力及變形產生較大影響。網架支承處的邊界條件既和支座節點構造有關，也和支承結構的剛度有關，支座可以是無側移、單向可側移和雙向可側移的鉸接支座，支承結構(柱、梁等)可以是剛性或彈性的。當支承結構剛度很大可忽略其變形時，邊界條件完全取決于支座構造。反過來，采用不同的支座型式，合理的改變某些邊界條件，可以調整結構的剛度減少桿件內力和支座反力的峰值，使內力分布更為均勻合理，達到節的鋼材的目的。 
1）  無側移鉸接支座，支承節點在豎向，邊界線切線和法向都無位移。
2）  單向可側移支座，豎向和邊界切線方向位移為零，而邊界法向為自由。
3）  雙向可側移的鉸接支座，只有豎向位移為零，兩個水平方向都為自由。
4）  在網架的四角處，至少一個角上的支座必須是無側移的，相鄰的兩角可以是單向可側移的，相對的角可以是雙向可側移的。這種做法既防止網架的剛體移動，又提供了不少于6根的約束鏈桿數。在工程實踐中，如果溫度應力不大，也可考慮四角都用無側移鉸支座。 5）  當網架支承在獨立柱上時，由于它的彎曲剛度不是很大，在采用無側移鉸支座時除豎向仍然看作無位移外，兩個水平方向應看成彈性支承，支承的彈簧剛度由懸臂柱的撓度公式得出：cIcy/H3Kcy=3EcIcx/H3  式中  Ec——支承柱的材料彈性模量；  Icy、Icx——分別為支承柱繞截面y、x軸的截面慣性矩； H——支承懸臂柱長度。

斜邊界處理  斜邊界是指與整體坐標斜交的方向有約束的邊界。建筑平面為圓形或多邊形的網架會存在斜邊界(圖3.1a)。矩形平面網架利用對稱性時，對稱面也存在斜邊界斜邊界有兩種處理方法，一種是根據邊界點的位移約束情況設置具有一定截面積的附加桿，如節點沿邊界法線方向位移為零，則該方向設一剛度很大的附加桿，截面積A=106~108(圖3.1.b)；如該節點沿邊界法線方向為彈性約束，則調節附加桿的截面積，使之滿足彈性約束條件。這種處理方法有時會使剛度矩陣病態。另一種方法是對斜邊界上的節點位移做坐標變換，將在整體坐標下的節點位移向量變換到任意的斜方向，然后按一般邊界條件處理。  7）對于復雜的下部支承系統，網架（網殼）支座相對于下部結構的位移通過彈性約束方法不易模擬，支座節點的邊界條件很難確定，此時可以借助相關的空間結構有限元分析與設計軟件，直接將支承結構上部網架（網殼）一起進行整體建模、計算分析。這樣不必另外計算支承結構的等效彈簧剛度，也避免了簡化為彈簧時的誤差，計算效果更好。