17.3.1  梁元法分析

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1. 弹性地基法(弹性桩法)
考虑地基和结构的相互作用的最简单的方法就是将地基视为一些连续的节点弹簧作用在上部结构上进行分析,在模拟弹性地基时使用较为普遍的弹簧模型是Winkler(文克尔)模型。该模型的基本假定是基础由具有一定刚度的结构和弹性地基构成,地基用相互独立的弹簧模拟,所以Winkler弹簧中最重要的特性就是基床反力系数,在基础大师中通过沉降量反算基床反力系数,Winkler弹簧将以相同的方式分布在基础梁和筏式基础上。下面使用梁单元介绍Winkler弹簧的有限元公式。

 

图17.3.1-1  弹性地基上的梁

 

2. 梁单元计算公式
根据虚功原理(principle of virtual work)内部虚应变能(internal virtual  strain energy)可按如下形式表现。

式中:
       δu— 内部虚应变能;
     δε  — 虚应变;
        σ — 应力;
         v— 体积;
        δv— 虚位移;
        k — 竖向基床反力系数。

 

图17.1.3-2  弹性地基上的梁

内部虚应变能和外部虚功(external virtual work)相同,所以可得如下公式:

 




 

式中,
         P— 梁上外部荷载;
          f — 位移形函数
         q — 节点位移
         kr— 弹簧地基上的土弹簧的刚度矩阵。
单元长度为L的弹性地基上的梁的文克儿弹簧(winkler spring)的刚度矩阵如下,该刚度与梁刚度叠加构成弹性地基上梁单元的最终刚度矩阵。

 
 
3. 文克尔(winkler)弹簧对梁单元内力的影响
梁单元的内部位移使文克尔(Winkler)弹簧产生内力,从而反过来也会影响梁的内力。梁单元任意位置x处的内部位移可使用节点位移 q θ 按下式计算:

 

 

   文克尔(Winkler)弹簧引起的梁单元的剪力和弯矩可使用梁的位移和基床反力系数按下式计算,梁的内力加上文克儿弹簧的内力就是梁的最终内力值。

 

4. 倒楼盖法
倒楼盖法梁单元刚度矩阵及计算公式均同地上结构的梁单元,这里不再详述。