CN112446100A - 一种受扭构件的预内力及其计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构工程技术领域，具体公开了一种受扭构件的预内力及其计算方法，包括计算受扭构件在其支座处于原始连接状态时承受的全部荷载，将内力较大的第一支座由原始连接状态调整至第一连接状态，保持内力较小的第二支座不变或增加约束予以加强，在受扭构件上施加预载，将第一支座由第一连接状态调整至第二连接状态，卸除受扭构件上施加的预载，以及在受扭构件上施加全部荷载。基于两支座在两不同状态分别计算两支座的内力并叠加内力得到两支座的目标内力。预载的施加和卸除对受扭构件产生了预内力，可有效消减全部荷载对受扭构件内力产生的不均匀程度，使得受扭构件的受力达到较为均匀理想效果，从而提高受扭构件在结构中的使用效果。

Description

一种受扭构件的预内力及其计算方法

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，尤其涉及一种受扭构件的预内力及其计算方法。

背景技术

在传统结构中，受扭构件的支座连接，一般均为两端固支。受扭构件受到荷载的作用，尤其是非对称分布荷载的作用时，各支座受到的内力大小往往不一致、内力扭矩分布很不均，使得结构设计中的受扭构件受力性能不佳，降低受扭构件在结构中的使用效果。

发明内容

本发明公开了一种受扭构件的预内力及其计算方法，通过分阶段连接受扭构件支座，且在不同阶段分别施加和卸除预载，以产生可有效消减受扭构件内力不均匀情况的预内力。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种受扭构件的预内力及其计算方法，该方法包括：

计算受扭构件在其支座处于原始连接状态时承受的全部荷载；

根据所述全部荷载，确定所述受扭构件的第一支座和第二支座在所述原始连接状态下的内力，且在所述全部荷载作用下，所述第一支座的内力大于所述第二支座的内力；

将所述第一支座的连接状态由所述原始连接状态调整至第一连接状态，保持所述第二支座的所述原始连接状态不变或增加约束予以加强，在所述受扭构件上施加预载；

将所述第一支座的连接状态由所述第一连接状态再次调整至所述第二连接状态，卸除所述受扭构件上施加的所述预载，以及在所述受扭构件上施加所述全部荷载；

基于施加的所述预载，分别计算各支座在所述第一连接状态下的内力，基于卸除的所述预载及施加的所述全部荷载，分别计算各支座在所述第二连接状态下的内力，叠加各支座在所述第一连接状态和所述第二连接状态下的内力得到各支座的目标内力。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述全部荷载为集中荷载和/或分布荷载；以及

所述预载施加荷载和/或作用的效应方向与所述全部荷载的效应方向一致，所述预载包括挂载、堆载、预张、预压、对拉及对压中的任意一种或任意多种的组合。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述全部荷载为q，所述预载为p，且p＜μq，其中，μ为预载系数，且μ≤1。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述将所述第一支座的连接状态由所述原始连接状态调整至第一连接状态，保持所述第二支座的原始连接状态不变或增加约束予以加强，在所述受扭构件上施加预载之前，所述方法还包括：

根据所述第一支座和所述第二支座在所述原始连接状态下受所述全部荷载作用产生的内力，计算所述第一支座与所述第二支座的内力差；

根据所述内力差计算所述预载的取值。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述全部荷载和所述预载施加于所述受扭构件靠近所述第一支座的一端。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述原始连接状态为铰接、半刚接或刚接，所述第一连接状态为悬臂状态、铰接、半刚接或刚接，所述第二连接状态的约束数不少于所述原始连接状态的约束数。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第一支座在所述原始连接状态和所述第二连接状态下的连接刚度均大于所述第一支座在所述第一连接状态下的连接刚度。

与现有技术相比，本发明的一种受扭构件的预内力及其计算方法具有以下有益效果：

本发明提供一种受扭构件的预内力及其计算方法，通过将受扭构件内力较大的支座的连接状态分阶段形成，第一阶段在受扭构件上施加预载，第二阶段将施加于受扭构件的预载卸除，以及在受扭构件上施加全部荷载，预载的施加和卸除对受扭构件产生了预内力，与施加全部荷载产生的内力叠加后，可有效消减全部荷载对受扭构件内力产生的不均匀情况，使得受扭构件的受力达到较为均匀的理想效果，从而提高受扭构件在结构中的使用效果。

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是本发明实施例提供的受扭构件的预内力及其计算方法的流程图；

图2是本发明实施例中受扭构件在其支座处于原始连接状态时全部荷载一次性施加的传统内力扭矩图；

图3是本发明实施例的案例一中受扭构件的第一支座调整为第一连接状态并施加预载的内力扭矩图；

图4是本发明实施例的案例一中受扭构件的第一支座调整为第二连接状态并卸除预载的内力扭矩图；

图5是图3和图4的扭矩叠加后的预内力扭矩图；

图6是图2和图5的扭矩叠加后的内力扭矩图；

图7是本发明实施例的案例二中受扭构件的第一支座调整为第一连接状态并施加预载的内力扭矩图；

图8是本发明实施例的案例二中受扭构件的第一支座调整为第二连接状态并卸除预载的内力扭矩图；

图9是图7和图8的扭矩叠加后的预内力扭矩图；

图10是图2和图9的扭矩叠加后的内力扭矩图。

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。

本发明公开了一种受扭构件的预内力及其计算方法，通过分阶段连接受扭构件支座，且在不同阶段分别施加和卸除预载，以产生可有效消减受扭构件内力不均匀情况的预内力。

下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明实施例公开了一种受扭构件的预内力及其计算方法，请参阅图1，图1为本发明实施例公开的受扭构件的预内力及其计算方法的流程示意图。如图1所示，一种受扭构件的预内力及其计算方法可包括：

101、计算受扭构件在其支座处于原始连接状态时承受的全部荷载。

在本实施例中，以扭矩为控制性内力或者主要内力的构件称为受扭构件。受扭构件在荷载作用下产生的内力扭矩往往分布不均，尤其在荷载分布不对称时，内力分布不均的情况更为严重。本实施例仅以梁作为受扭构件为例进行举例说明。

进一步地，支座的原始连接状态即为受扭构件采用传统方式一次性连接后的连接状态，也可以称之为传统连接状态，由于受扭构件处于原始连接状态时，受扭构件处于部分约束或全面约束时都会承受扭矩，因此，本实施例中的原始连接状态包括但不限于铰接、半刚接或刚接中的任意一种。

更进一步地，受扭构件的全部荷载主要包括恒荷载和活荷载。具体地，恒荷载包括结构自重、楼板叠合层、楼板面层等，由建筑、结构做法确定。活荷载包括人员、设备等的荷载，由工程使用功能确定。也就是说恒荷载是由工程本身产生的，活荷载是由使用功能产生的。当然，在环境因素的影响下，受扭构件还可能受到风荷载、地震荷载等动荷载的作用。在结构工程理论中，受扭构件所受到的这些类型的荷载具体数值可根据建筑规范中规定的公式进行计算得到。

102、根据全部荷载，确定受扭构件的第一支座和第二支座在原始连接状态下的内力，且在全部荷载作用下，第一支座的内力大于第二支座的内力。

下面以承受半跨均布扭矩荷载的两端固支单跨受扭构件为例予以说明。

如图2所示，以长度为L的受扭构件为例。两端固支单跨受扭构件，在半跨均布内力扭矩荷载q_t作用下，产生的全跨内力扭矩图呈两端内力扭矩正负反号的折线状线性分布。反号点位于内力扭矩荷载作用的半跨区段内偏近全跨中点处。也就是说，内力扭矩荷载作用半跨的内力扭矩为与杆轴交叉的斜线分布，其余半跨呈恒值直线分布。

第一支座A内力扭矩为：

第二支座B内力扭矩为：

第一支座A产生全跨内力扭矩为最大峰值，等于第二支座B内力扭矩的3倍，即第一支座A的内力扭矩大于第二支座B的内力扭矩，故本实施例以第一支座A为分阶段连接的支座为例进行举例说明。

103、将第一支座的连接状态由原始连接调整至第一连接状态，保持第二支座的原始连接状态不变或增加约束予以加强，在受扭构件上施加预载。

在本实施例中，基于刚度大的节点内力分布较大，刚度小的节点内力分布较小的基本理论常识，本发明采用对内力较大的支座节点，分阶段连接，且第一连接状态为分阶段连接的初始连接状态，故需满足第一连接状态下第一支座A的连接刚度小于原始连接状态下第一支座A的连接刚度，才能使得在预载作用下的内力扭矩在分阶段连接时转移至该阶段刚度较大的第二支座B，从而增加第二支座B的内力扭矩。

进一步地，由于受扭构件的第一连接状态主要包含悬臂状态、铰接、半刚接或刚接4种，原始连接状态为铰接、半刚接或刚接中的任意一种。故本实施例中，原始连接状态和第一连接状态主要包括以下几种情况：原始连接状态为半刚接时，第一连接状态为悬臂状态，或，原始连接状态为刚接时，第一连接状态为悬臂状态，或，原始连接状态为半刚接时，第一连接状态为铰接，或，原始连接状态为刚接时，第一连接状态为铰接，或，原始连接状态为刚接时，第一连接状态为半刚接。

具体地，当原始连接状态为半刚接且第一连接状态为悬臂状态时，第一支座A由传统半刚接连接调整为悬臂状态，保持第二支座B为传统半刚接连接状态不变或增加约束予以加强；当原始连接状态为刚接且第一连接状态为悬臂状态时，第一支座A由传统刚接连接调整为悬臂状态，保持第二支座B为传统连接的刚接状态不变或增加约束予以加强；当原始连接状态为半刚且接第一连接状态为铰接时，第一支座A由传统连接的半刚接调整为铰接，保持第二支座B为传统连接的半刚接状态不变或增加约束予以加强；当原始连接状态为刚接且第一连接状态为铰接时，第一支座A由传统连接的刚接调整为铰接，保持第二支座B为传统连接的刚接状态不变或增加约束予以加强；当原始连接状态为刚接且第一连接状态为半刚接时，第一支座A由传统连接的刚接调整为半刚接，保持第二支座B为传统的刚接状态不变或增加约束予以加强。

在本实施例中，受扭构件内力均化的程度取决于内力扭矩转移的程度，内力扭矩转移的程度与两阶段的刚度比，及预载与全部荷载的相对比例有关。因此，将第一支座的连接状态由原始连接状态调整至第一连接状态，保持第二支座B的原始连接状态不变或增加约束予以加强，在受扭构件上施加预载之前，方法还包括：

1031、根据第一支座和第二支座在原始连接状态下受全部荷载作用产生的内力，计算第一支座与第二支座的内力差。

1032、根据内力差计算预载的取值。

在本实施例中，全部荷载为集中荷载和/或分布荷载，预载的基本定义是预先施加的与所受荷载方向及分布均一致的荷载，如，预堆载、预挂载。预载的广义定义是预先施加的与所受荷载方向一致，分布相同或不同的任意荷载和/或作用。从分布特征分，预载包括分布荷载和/或集中荷载。从施加方法分，可为预张拉力、或预压力、预对拉、预对压、或者其他荷载或作用，或其中几种或各种的联合。

预载的作用是对传统内力(传统内力即受扭构件结构在传统一次性连接及施加全部荷载的方式下，受扭构件的内力。)扭矩产生消减均化作用。消减均化的程度取决于两个阶段状态不同扭转刚度的相对比例，以及预载的方法、预内力的分布、大小和效率等。

进一步地，假设全部荷载为q，预载为p，预载大小的控制，也就是将预载控制在相当于所受荷载的一定比例，即，预载与荷载的比p/q，且p＜μq，其中，μ为预载系数，且μ≤1。

104、将第一支座的连接状态由第一连接状态调整至第二连接状态，卸除受扭构件上施加的预载，以及在受扭构件上施加全部荷载。

在本实施例中，将第一支座A的连接状态由第一连接状态调整至第二连接状态，第二连接状态为分阶段连接的最后连接阶段，故需满足第二连接状态的连接刚度大于第一连接状态的连接刚度，且第二连接状态的约束数不少于原始连接状态的约束数，其中，第二支座B分为两种情况，第一种是第二支座B保持在原始连接状态不变，第二种是第二支座B增加约束予以加强，本实施例仅以第二支座B保持在原始连接状态不变进行举例说明。即当原始连接状态为刚接时，第二连接状态为刚接；当原始连接状态为铰接时，第二连接状态为铰接或刚接；当原始连接状态为半刚接时，第二连接状态为半刚接或刚接；当原始连接状态为半铰接时，第二连接状态为半铰接或铰接。本实施例仅以第二连接状态的约束数等于原始连接状态的约束数为例进行举例说明。

具体地，第一支座A由悬臂状态调整为半刚接，或，第一支座A由悬臂状态调整为刚接，或，第一支座A由铰接调整为半刚接，或，第一支座A由铰接调整为刚接，或，第一支座A由半刚接调整为刚接。在传统连接及第二连接状态，由于第一支座A的连接状态与第二支座B的连接状态相同，即第二支座B的连接刚度等于第一支座A的连接刚度。

进一步地，卸除预载，相当于施加一个与预载大小相等，方向相反的荷载，可称作“反向预载”，反向预载产生一种与传统内力方向完全相反的内力，可消减均化受扭构件的内力。第一连接状态的预载与第二连接状态的卸载叠加，预载卸除归零，也就是反向预载将预载抵消为零。基于不同状态下，尽管预载与卸载产生的内力方向相反，但大小分布完全不同，故不会完全抵消。叠加中部分抵消后剩余的内力，预先建立于加载全部荷载前，故称作“预内力”。

举例来说，以预载为预压力为例，在卸除预压力时，可通过在受扭构件上增加一个与预压力大小相等方向相反的力，比如预压力方向为竖直向下，则可施加一个方向向上的拉力，与预压力大小部分抵消或全部抵消。

更进一步地，卸除预载后，在受扭构件上施加全部荷载，可以知道的是，预载的卸除和全部荷载的施加不分先后，即可以先卸除预载再施加全部荷载，如本实施例所述，也可以先施加全部荷载再卸除预载，再次不对其进行限定。

优选地，全部荷载和预载施加于受扭构件靠近第一支座A的一端。可以知道的是，预载的分布位置与荷载有关，故预载的分布不局限于哪一端，可根据实际情况选择施加位置，在此不对其进行限定。

105、基于施加的预载，分别计算各支座在第一连接状态下的内力，基于卸除的预载及施加的全部荷载，分别计算各支座在第二连接状态下的内力，叠加各支座在第一连接状态和第二连接状态下的内力得到各支座的目标内力。

在本实施例中，由于第一支座A由原始连接状态调整至第一连接状态，且第二支座B的原始连接状态保持不变，即第二支座B的原始连接状态的连接刚度大于第一支座A的第一连接状态的连接刚度。

进一步地，第一支座A由第一连接状态调整至第二连接状态后，第二连接状态与原始连接状态相同，因此，在卸除预载后，从而使结构产生一种有利于消减传统内力扭矩的“预内力扭矩”。此外，在施加荷载后，在荷载扭矩作用下产生的内力扭矩与其在传统结构产生的内力扭矩相同，不发生内力扭矩的转移。

以下将结合案例以及图示详细说明本发明的受扭构件的内力(以内力扭矩为例)计算过程：

案例一：预载式预内力法。

将图2受扭构件内力扭矩较大的第一支座A分阶段连接，形成分状态连接受扭构件，并施加预载式预内力措施。

如图3所示，第一阶段，使受扭构件的第一支座A调整至暂不连接的第一连接状态，形成一端悬臂一端固定状态，施加半跨扭矩预载p_t，产生预载内力扭矩。其中，

第一支座A预载内力扭矩为：

T_Ap＝0

第二支座B预载内力扭矩为：

如图4所示，第二阶段，使受扭构件第一支座A调整为第二连接状态，形成传统的两端固定状态，卸除预载p_t,相当于施加与预载均布扭矩p_t，大小相等，方向相反的卸载p′_t，产生一种与传统内力方向完全相反的内力，可消减均化受扭构件的内力。

第一支座A内力扭矩为：

第二支座B内力扭矩为：

基于不同状态下，尽管预载与卸载产生的内力方向相反，但大小分布完全不同，故不会完全抵消。叠加中部分抵消后剩余的内力，即为该受扭构件的“预内力”。如图5所示，将预载(图3)与卸载(图4)效应叠加，得到预载式预内力措施产生的预内力扭矩图。其中，

第一支座A预内力扭矩为：

第二支座B预内力扭矩为：

预内力效应在双态受扭构件产生的预内力扭矩图表明，预内力扭矩可对传统内力扭矩幅值的峰值有消减作用，对小值有增加作用。

如图6所示，传统内力(图2)与预内力(图5)叠加，得到预载式预内力受扭构件的内力扭矩图。其中，

第一支座A内力扭矩为：

第二支座B内力扭矩为：

上述两式的计算可知，第一支座A和第二支座B内力扭矩在预内力的作用下，“大值减小，小值增大，峰值消减，全跨均化”的效果更加明显。

当

时，

即当

时，内力扭矩峰值比传统减少1/3，达到良好的均化效果。

案例二：预张式预内力法。

受扭构件的基本条件同预载法，仅须将预载分布扭矩改为预张力集中扭矩。

如图7所示，第一支座调整至第一连接状态，对受扭构件施加跨中预张力集中扭矩P_t，产生预内力扭矩。其中，

第一支座A预张内力扭矩为：

T_AP＝0

第二支座B预张内力扭矩为：

T_BP＝-P_t

如图8所示，第二阶段，使受扭构件第一支座A调整为第二连接状态，形成传统的两端固定状态，卸除预张力集中扭矩P_t，称作放张，相当于施加与预张力集中扭矩P_t，大小相等，方向相反的P′_t。产生与传统正负号相反的内力扭矩分布。可消减均化受扭构件的内力。

第一支座A放张内力扭矩为：

第二支座B放张内力扭矩为：

基于不同状态下，尽管预载与卸载产生的内力方向相反，但大小分布完全不同，故不会完全抵消。叠加中部分抵消后剩余的内力，即为该受扭构件的“预内力”。如图9所示，预张(图7)与放张(图8)效应叠加，得到预张式预内力措施产生的预内力图，呈全跨均匀分布规律。全跨内力扭矩为：

故，预张式预内力法对传统内力扭矩幅值起到全跨消减作用。

如图10所示，由预内力效应(图9)与全部荷载效应(图2)叠加，得到预张式预内力双态结构的内力扭矩图。其中，

第一支座A内力扭矩为：

第二支座B预内力扭矩为：

上式表明，预张式预内力有着与预载式类似的均化效果。措施得当时，可以取得均化最好、实施最易的理想效果。

采用本发明方案，具有如下有益效果：

1、控制内力扭矩减小，比传统理论分析的控制内力扭矩减小10％-30％

2、支座内力扭矩，峰值降低，两端均化，两端支座连接装置或两端支承构件截面可以统一，有利于标准化，节省用材，便于制作安装。

本发明实施例提供一种受扭构件的预内力及其计算方法，通过将受扭构件内力较大的支座的连接状态分阶段形成，第一阶段在受扭构件上施加预载，第二阶段将施加于受扭构件的预载卸除，以及在受扭构件上施加全部荷载，预载的施加和卸除对受扭构件产生了预内力，与施加全部荷载产生的内力叠加后，可有效消减全部荷载对受扭构件内力产生的不均匀情况，使得受扭构件的受力达到较为均匀的理想效果，从而提高受扭构件在结构中的使用效果。

以上对本发明实施例公开的一种受扭构件的预内力及其计算方法进行了详细介绍，本文中应用了具体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受扭构件的预内力及其计算方法；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。

Claims (6)

1.一种受扭构件的预内力及其计算方法，其特征在于，所述方法包括：

计算受扭构件在其支座处于原始连接状态时承受的全部荷载；

根据所述全部荷载，确定所述受扭构件的第一支座和第二支座在所述原始连接状态下的内力，且在所述全部荷载作用下，所述第一支座的内力大于所述第二支座的内力；

将所述第一支座的连接状态由所述原始连接状态调整至第一连接状态，保持所述第二支座的所述原始连接状态不变或增加约束予以加强，在所述受扭构件上施加预载；

将所述第一支座的连接状态由所述第一连接状态调整至所述第二连接状态，卸除所述受扭构件上施加的所述预载，以及在所述受扭构件上施加所述全部荷载；

基于施加的所述预载，分别计算各支座在所述第一连接状态下的内力，基于卸除的所述预载及施加的所述全部荷载，分别计算各支座在所述第二连接状态下的内力，叠加各支座在所述第一连接状态和所述第二连接状态下的内力得到各支座的目标内力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全部荷载为集中荷载和/或分布荷载；以及

所述预载施加荷载和/或作用的效应方向与所述全部荷载的效应方向一致，所述预载包括挂载、堆载、预张、预压、对拉及对压中的任意一种或任意多种的组合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述全部荷载为q，所述预载为p，且p＜μq，其中，μ为预载系数，且μ≤1。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述第一支座的连接状态由所述原始连接状态调整至第一连接状态，保持所述第二支座的原始连接状态不变或增加约束予以加强，在所述受扭构件上施加预载之前，所述方法还包括：

根据所述第一支座和所述第二支座在所述原始连接状态下受所述全部荷载作用产生的内力，计算所述第一支座与所述第二支座的内力差；

根据所述内力差计算所述预载的取值。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述原始连接状态为铰接、半刚接或刚接，所述第一连接状态为悬臂状态、铰接、半刚接或刚接，所述第二连接状态的约束数不少于所述原始连接状态的约束数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一支座在所述原始连接状态和所述第二连接状态下的连接刚度均大于所述第一支座在所述第一连接状态下的连接刚度。

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