问题描述:
如下所示,两端固定的 C 型钢梁承受竖直向下的均布线荷载 q=1kN/m,钢梁长度 L=6m,关于 3 轴的截面惯性矩 I=1.274E-5m4,材料的弹性模量 E=206GPa。
据此计算跨中截面的挠度为 qL4/384EI=1.286mm。但是,SAP2000 计算的跨中挠度(126.6mm)远大于上述手算值,同时存在非零的扭转角(2.34),如下所示。
解答:
上述计算并非简单的平面问题,而是涉及构件扭转的空间问题。因此,构件挠度的计算应同时考虑弯曲变形、剪切变形和扭转变形。如下所示,SAP2000 在 C 形截面的定义中,默认勾选【在分析中包含剪切中心偏移】选项,也就是考虑作用于形心处的剪力所产生的绕剪切中心的附加扭矩。
如图 A 所示,C 形截面的剪切中心和形心的间距为 e=53.6mm。在均布线荷载(1kN/m)作用下,手算左右固定端的截面扭矩为 qLe/2=1000*6*0.0536/2=160.8N·m,和 SAP2000 相同,如图 B 所示。
关于跨中截面的扭转角(2.34),可以基于图 B 和 图 D,利用图乘法进行计算。图 A 和图 C 中的红色高亮部分分别为 C 形截面扭转常数和材料的剪切模量,扭转角的手算结果为:
0.5*160.75*3*0.5*2 / (1.302*7.923*10)=2.34,和 SAP2000 相同。
此外,利用图乘法也可以手算剪切变形产生的挠度为:
0.5*3000*3*0.5*2/(5.64*7.923*1000)=0.1mm,基本可以忽略。
因此,跨中截面的挠度除弯曲变形和剪切变形的贡献外,还应包含扭转角与偏心距的乘积,即:2.34*53.6=125.24mm。 综上,手算跨中截面的挠度为 1.286(弯曲)+ 125.24(扭转)+ 0.1(剪切)=126.63mm,和 SAP2000 相同。
最后,如果取消 C 形截面定义中的【在分析中包含剪切中心偏移】选项,即仅考虑弯曲和剪切变形的挠度贡献,SAP2000 也可以输出手算结果 1.286+0.1=1.386mm,如下所示。