問題描述:
如下所示,兩端固定的 C 型鋼梁承受豎直向下的均布線荷載 q=1kN/m,鋼梁長度 L=6m,關于 3 軸的截面慣性矩 I=1.274E-5m4,材料的彈性模量 E=206GPa。
據(jù)此計算跨中截面的撓度為 qL4/384EI=1.286mm。但是,SAP2000 計算的跨中撓度(126.6mm)遠大于上述手算值,同時存在非零的扭轉角(2.34),如下所示。
解答:
上述計算并非簡單的平面問題,而是涉及構件扭轉的空間問題。因此,構件撓度的計算應同時考慮彎曲變形、剪切變形和扭轉變形。如下所示,SAP2000 在 C 形截面的定義中,默認勾選【在分析中包含剪切中心偏移】選項,也就是考慮作用于形心處的剪力所產(chǎn)生的繞剪切中心的附加扭矩。
如圖 A 所示,C 形截面的剪切中心和形心的間距為 e=53.6mm。在均布線荷載(1kN/m)作用下,手算左右固定端的截面扭矩為 qLe/2=1000*6*0.0536/2=160.8N·m,和 SAP2000 相同,如圖 B 所示。
關于跨中截面的扭轉角(2.34),可以基于圖 B 和 圖 D,利用圖乘法進行計算。圖 A 和圖 C 中的紅色高亮部分分別為 C 形截面扭轉常數(shù)和材料的剪切模量,扭轉角的手算結果為:
0.5*160.75*3*0.5*2 / (1.302*7.923*10)=2.34,和 SAP2000 相同。
此外,利用圖乘法也可以手算剪切變形產(chǎn)生的撓度為:
0.5*3000*3*0.5*2/(5.64*7.923*1000)=0.1mm,基本可以忽略。
因此,跨中截面的撓度除彎曲變形和剪切變形的貢獻外,還應包含扭轉角與偏心距的乘積,即:2.34*53.6=125.24mm。 綜上,手算跨中截面的撓度為 1.286(彎曲)+ 125.24(扭轉)+ 0.1(剪切)=126.63mm,和 SAP2000 相同。
最后,如果取消 C 形截面定義中的【在分析中包含剪切中心偏移】選項,即僅考慮彎曲和剪切變形的撓度貢獻,SAP2000 也可以輸出手算結果 1.286+0.1=1.386mm,如下所示。