CN115344921B - 一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法及设备，包括：建立钢桁梁模型以及单梁模型；获取钢桁梁模型的悬臂端分别在力和弯矩作用下对应的位移；计算钢桁梁等效面积、钢桁梁竖向等效抗弯刚度和钢桁梁横向等效抗弯刚度；将钢桁梁等效面积、钢桁梁竖向等效抗弯刚度和钢桁梁横向等效抗弯刚度赋予给单梁模型；调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力和横向集中力的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积。本发明不需要进行复杂的力学公式推导，计算方法简单，效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法及设备。
背景技术
目前，钢桁梁拥有优异的整体与局部刚度，广泛应用于大跨度斜拉桥与大跨度悬索桥。
相关技术中，在进行大跨度钢桁梁斜拉桥与悬索桥总体计算时，有限元模型的单元数非常大，一般千米级钢桁梁斜拉桥或悬索桥的模型单元数在3万～20万之间，对计算机的要求非常高，因此在项目前期方案比选时往往将钢桁梁等效为单梁进行计算，可以大大减少模型的单元数，提高计算效率。而将钢桁梁等效为单梁时，一般要求总面积、竖向抗弯刚度、横向抗弯刚度、抗扭刚度、竖向剪切面积、横向剪切面积等物理参数保持一致，其中总面积、竖向抗弯刚度、横向抗弯刚度及抗扭刚度这四个参数较易计算，竖向剪切面积与横向剪切面积则较难计算，如果采用材料力学进行理论计算，过程较复杂，效率较低。
因此，有必要设计一种简便的钢桁梁等效剪切面积的计算方法及设备，以克服上述问题。
发明内容
本发明实施例提供一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法及设备，以解决相关技术中采用材料力学进行理论计算竖向剪切面积与横向剪切面积，过程较复杂，效率较低的问题。
第一方面，提供了一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其包括以下步骤：建立钢桁梁模型以及单梁模型；获取钢桁梁模型的悬臂端分别在纵向集中力Fx、横向集中弯矩My和竖向集中弯矩Mz作用下所对应的纵向位移HUxf、第一竖向位移HUzm以及第一横向位移HUym；根据纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A，根据竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy，根据横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz；将钢桁梁等效面积A、钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy和钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz赋予给单梁模型；调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积。
一些实施例中，所述根据纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A，根据竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy，根据横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz，包括：获取钢桁梁的长度L以及钢材的弹性模量E；根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A；根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy；根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz。
一些实施例中，所述调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积，包括以下步骤：a：获取单梁模型的悬臂端在竖向集中力Fz作用下所引起的第二竖向位移DUzm；b：计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向下限面积AS1时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第三竖向位移S1，以及计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向上限面积AS2时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第四竖向位移S2；c：若第三竖向位移S1与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第一阈值，则取竖向下限面积AS1作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若第四竖向位移S2与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第二阈值，则取竖向上限面积AS2作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若第三竖向位移S1与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第一阈值且第四竖向位移S2与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第二阈值，则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积，以上均不满足则进入步骤d；d：计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第五竖向位移S0，若第五竖向位移S0与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第三阈值，则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；否则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1或者竖向上限面积AS2，并重复步骤b～d，直至第五竖向位移S0与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第三阈值成立，并取此时的竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积。
一些实施例中，于步骤b之前，还包括：将钢桁梁平均腹杆面积乘以第一倍率记为竖向上限面积AS1；将钢桁梁平均腹杆面积乘以第二倍率记为竖向下限面积AS2，其中，第二倍率大于第一倍率。
一些实施例中，所述将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1或者竖向上限面积AS2包括：若第五竖向位移S0大于或等于第二竖向位移DUzm，则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1；若第五竖向位移S0小于第二竖向位移DUzm，则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向上限面积AS2。
一些实施例中，所述调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积，包括以下步骤：e：获取单梁模型的悬臂端在横向集中力Fy作用下所引起的第二横向位移DUym；f：计算单梁模型的横向剪切面积为横向下限面积AH1时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第三横向位移H1，以及计算单梁模型的横向剪切面积为横向上限面积AH2时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第四横向位移H2；g：若第三横向位移H1与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第四阈值，则取横向下限面积AH1作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若第四横向位移H2与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第五阈值，则取横向上限面积AH2作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若第三横向位移H1与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第四阈值且第四横向位移H2与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第五阈值，则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积，以上均不满足则进入步骤h；h：计算单梁模型的横向剪切面积为横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第五横向位移H0，若第五横向位移H0与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第六阈值，则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积；否则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1或者横向上限面积AH2，并重复步骤f～h，直至第五横向位移H0与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第六阈值成立，并取此时的横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积。
一些实施例中，于步骤f之前，还包括：将钢桁梁等效面积A乘以第三倍率记为横向下限面积AH1；将钢桁梁等效面积A乘以第四倍率记为横向上限面积AH2，其中，第四倍率大于第三倍率。
一些实施例中，所述将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1或者横向上限面积AH2包括：若第五横向位移H0大于或等于第二横向位移DUym，则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1；若第五横向位移H0小于第二横向位移DUym，则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向上限面积AH2。
一些实施例中，在所述获取钢桁梁模型的悬臂端分别在纵向集中力Fx、横向集中弯矩My和竖向集中弯矩Mz作用下所对应的纵向位移HUxf、第一竖向位移HUzm以及第一横向位移HUym之前，还包括：在钢桁梁模型的悬臂端部施加荷载纵向集中力Fx、竖向集中力Fz、横向集中力Fy、横向集中弯矩My以及竖向集中弯矩Mz；在单梁模型的悬臂端部施加荷载纵向集中力Fx、竖向集中力Fz、横向集中力Fy、横向集中弯矩My以及竖向集中弯矩Mz。
第二方面，提供了一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由所述处理器加载并执行以实现上述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法及设备，由于将钢桁梁等效面积A、钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy和钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz赋予至单梁模型，调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，即可得到钢桁梁的等效竖向剪切面积和等效横向剪切面积，因此，不需要进行复杂的力学公式推导，计算方法简单，效率较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例提供的一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种计算钢桁梁的等效竖向剪切面积的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种计算钢桁梁的等效横向剪切面积的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
本发明实施例提供了一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法及设备，其能解决相关技术中采用材料力学进行理论计算竖向剪切面积与横向剪切面积，过程较复杂，效率较低的问题。
参见图1所示，为本发明实施例提供的一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其可以包括以下步骤：
S1：建立钢桁梁模型以及单梁模型。
其中，建立的钢桁梁模型和单梁模型均可以为在有限元软件中单独建立的悬臂梁模型，钢桁梁模型和单梁模型的一端固定，另一端呈悬臂状态，单梁模型的固定端采用固定约束，钢桁梁模型的固定端处所有节点均约束横向、竖向与纵向自由度，悬臂端的横断面上所有节点采用刚性连接约束连接在一起。
S2：获取钢桁梁模型的悬臂端分别在纵向集中力Fx、横向集中弯矩My和竖向集中弯矩Mz作用下所对应的纵向位移HUxf、第一竖向位移HUzm以及第一横向位移HUym。其中，在获取这些对应的位移时，可以对应在钢桁梁模型的悬臂端施加荷载纵向集中力Fx、横向集中弯矩My和竖向集中弯矩Mz，然后可以直接在有限元软件中读出钢桁梁模型的悬臂端在纵向集中力Fx作用下所对应的纵向位移HUxf，在横向集中弯矩My作用下所对应的第一竖向位移HUzm，在竖向集中弯矩Mz作用下所对应的第一横向位移HUym。本实施例中，集中力荷载均取为10000kN，集中弯矩均取为1000000kNm，读取的纵向位移HUxf＝0.00784m、第一竖向位移HUzm＝4.07325m、第一横向位移HUym＝0.787903m。
S3：根据纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A，根据竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy，根据横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz。
S4：将钢桁梁等效面积A、钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy和钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz赋予给单梁模型。
S5：调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积。
本实施例中，由于将钢桁梁等效面积A、钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy和钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz赋予至单梁模型，并调整了单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，即可得到钢桁梁的等效竖向剪切面积和等效横向剪切面积，本计算方法不需要进行复杂的力学公式推导，在有限元软件里面反算即可得到钢桁梁的等效竖向剪切面积和等效横向剪切面积，计算方法简单，效率较高。
进一步，于步骤S2之前，在所述获取钢桁梁模型的悬臂端分别在纵向集中力Fx、横向集中弯矩My和竖向集中弯矩Mz作用下所对应的纵向位移HUxf、第一竖向位移HUzm以及第一横向位移HUym之前，还可以包括：在钢桁梁模型的悬臂端部施加荷载纵向集中力Fx、竖向集中力Fz、横向集中力Fy、横向集中弯矩My以及竖向集中弯矩Mz；在单梁模型的悬臂端部施加荷载纵向集中力Fx、竖向集中力Fz、横向集中力Fy、横向集中弯矩My以及竖向集中弯矩Mz。也即，初始时，施加在钢桁梁模型与单梁模型悬臂端的集中力和弯矩大小一样，其中，集中力荷载均取为10000kN，集中弯矩均取为1000000kNm。在施加了力和弯矩之后，可以读出钢桁梁模型的悬臂端在纵向集中力Fx、竖向集中力Fz、横向集中力Fy、横向集中弯矩My、竖向集中弯矩Mz作用下所对应的纵向位移HUxf＝0.00784m、竖向位移HUzf＝14.223422m、横向位移HUyf＝2.677446m、竖向位移HUzm＝4.07325m、横向位移HUym＝0.787903m。
进一步，在一些实施例中，所述根据纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A，根据竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy，根据横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz，可以包括：获取钢桁梁的长度L以及钢材的弹性模量E，其中，弹性模量E可取2.1×1011Pa；根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A；本实施例中，钢桁梁等效面积A的计算公式可以为根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy；本实施例中，钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy的计算公式可以为/>根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz；本实施例中，钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz的计算公式可以为/>
本实施例中，根据钢桁梁等效面积A的计算公式可以计算得出钢桁梁等效面积A＝3.0626m2；根据钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy的计算公式可以计算得出Iy＝148.4809m4；根据钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz的计算公式可以计算得出Iz＝767.6072m4。
参见图2所示，在一些实施例中，于步骤S5中，所述调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积，可以包括以下步骤：
步骤a：获取单梁模型的悬臂端在竖向集中力Fz作用下所引起的第二竖向位移DUzm。
步骤b：计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向下限面积AS1时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第三竖向位移S1，以及计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向上限面积AS2时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第四竖向位移S2。也即先对单梁模型的竖向剪切面积取一个初始的下限面积和一个初始的上限面积，分别将下限面积和下限面积替换单梁模型的竖向剪切面积，并分别计算对应的竖向位移。
步骤c：若第三竖向位移S1与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第一阈值，则取竖向下限面积AS1作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若第四竖向位移S2与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第二阈值，则取竖向上限面积AS2作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若第三竖向位移S1与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第一阈值且第四竖向位移S2与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第二阈值，则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积，以上均不满足则进入步骤d。
本实施例中，第一阈值和第二阈值均优选为1×10-6，当然也可以根据实际需求取其他数值，第一阈值也可以与第二阈值的数值不同。也即若则取竖向下限面积AS1作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若/>则取竖向上限面积AS2作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若/>和/>同时成立，则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积，其中竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值可以为AS3＝(n×AS1+(1-n)×AS2)，0＜n＜1；n优选0.5。
若且/>同时成立，则进入步骤d。
步骤d：计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第五竖向位移S0，若第五竖向位移S0与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第三阈值，则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；否则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1或者竖向上限面积AS2，并重复步骤b～d，直至第五竖向位移S0与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第三阈值成立，并取此时的竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积。
本实施例中，取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值为AS3＝(0.5×AS1+0.5×AS2)，最终计算出钢桁梁的等效竖向剪切面积为0.116137m2，且对应单梁模型的悬臂端挠度为14.2234204m。
于步骤d中，将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换单梁模型中的竖向剪切面积，并读出单梁模型在悬臂端受到竖向集中力Fz作用所引起的第五竖向位移S0，第三阈值也优选为1×10-6，也即，若则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；否则替换步骤b中的竖向下限面积AS1或者竖向上限面积AS2继续重复步骤b～d。
进一步，于步骤b之前，还可以包括：将钢桁梁平均腹杆面积乘以第一倍率记为竖向上限面积AS1；将钢桁梁平均腹杆面积乘以第二倍率记为竖向下限面积AS2，其中，第二倍率大于第一倍率。本实施例中，第一倍率优选为10-5，第二倍率优选为105，也即竖向上限面积AS1等于钢桁梁平均腹杆面积的10-5倍，竖向下限面积AS2等于钢桁梁平均腹杆面积的105倍。当然，在其他实施例中，第一倍率也可以取10-4或者10-6等其他数值，第二倍率也可以取104或者106等其他数值。本实施例中，单梁模型的竖向剪切面积的初始值取值范围较大，初始竖向下限面积AS1大于第二竖向位移DUzm且初始竖向上限面积AS2小于第二竖向位移DUzm必成立。
优选的，于步骤d中，所述将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1或者竖向上限面积AS2可以包括：若第五竖向位移S0大于或等于第二竖向位移DUzm，则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1；若第五竖向位移S0小于第二竖向位移DUzm，则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向上限面积AS2。
参见图3所示，在一些可选的实施例中，于步骤S5中，所述调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积，可以包括以下步骤：
e：获取单梁模型的悬臂端在横向集中力Fy作用下所引起的第二横向位移DUym。
f：计算单梁模型的横向剪切面积为横向下限面积AH1时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第三横向位移H1，以及计算单梁模型的横向剪切面积为横向上限面积AH2时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第四横向位移H2。也即先对单梁模型的横向剪切面积取一个初始的下限面积和一个初始的上限面积，分别将下限面积和下限面积替换单梁模型的横向剪切面积，并分别计算对应的横向位移。
g：若第三横向位移H1与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第四阈值，则取横向下限面积AH1作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若第四横向位移H2与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第五阈值，则取横向上限面积AH2作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若第三横向位移H1与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第四阈值且第四横向位移H2与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第五阈值，则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积，以上均不满足则进入步骤h。
本实施例中，第四阈值和第五阈值均优选为1×10-6，当然也可以根据实际需求取其他数值，第四阈值也可以与第五阈值的数值不同。也即若则取横向下限面积AH1作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若/>则取横向上限面积AH2作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若/>和/>同时成立，则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积，其中横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值可以为AH3＝(n×AH1+(1-n)×AH2)，0＜n＜1；n优选0.5。
若且/>同时成立，则进入步骤h。
h：计算单梁模型的横向剪切面积为横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第五横向位移H0，若第五横向位移H0与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第六阈值，则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积；否则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1或者横向上限面积AH2，并重复步骤f～h，直至第五横向位移H0与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第六阈值成立，并取此时的横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积。
本实施例中，取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值为AH3＝(0.5×AH1+0.5×AH2)，最终计算出钢桁梁的等效横向剪切面积为2.0738m2，且对应单梁模型的悬臂端挠度为2.6774437m。
于步骤h中，将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换单梁模型中的横向剪切面积，并读出单梁模型在悬臂端受到横向集中力Fy作用所引起的第五横向位移H0，第六阈值也优选为1×10-6，也即，若则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积；否则替换步骤f中的横向下限面积AH1或者横向上限面积AH2继续重复步骤f～h。
进一步，于步骤f之前，还可以包括：将钢桁梁等效面积A乘以第三倍率记为横向下限面积AH1；将钢桁梁等效面积A乘以第四倍率记为横向上限面积AH2，其中，第四倍率大于第三倍率。
本实施例中，第三倍率优选为10-5，第四倍率优选为105，也即横向下限面积AH1等于钢桁梁等效面积A的10-5倍，横向上限面积AH2等于钢桁梁等效面积A的105倍。当然，在其他实施例中，第三倍率也可以取10-4或者10-6等其他数值，第四倍率也可以取104或者106等其他数值。本实施例中，单梁模型的横向剪切面积的初始值取值范围较大，初始横向下限面积AH1大于第二横向位移DUym且初始横向上限面积AH2小于第二横向位移DUym必成立。
在一些实施例中，于步骤h中，所述将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1或者横向上限面积AH2包括：若第五横向位移H0大于或等于第二横向位移DUym，则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1；若第五横向位移H0小于第二横向位移DUym，则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向上限面积AH2。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由所述处理器加载并执行以实现上述任一实施例中所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，其包括以下步骤：
建立钢桁梁模型以及单梁模型；
获取钢桁梁模型的悬臂端分别在纵向集中力Fx、横向集中弯矩My和竖向集中弯矩Mz作用下所对应的纵向位移HUxf、第一竖向位移HUzm以及第一横向位移HUym；
根据纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A，根据竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy，根据横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz；
将钢桁梁等效面积A、钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy和钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz赋予给单梁模型；
调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积；
所述调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积，包括以下步骤：
a：获取单梁模型的悬臂端在竖向集中力Fz作用下所引起的第二竖向位移DUzm；
b：计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向下限面积AS1时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第三竖向位移S1，以及计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向上限面积AS2时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第四竖向位移S2；
c：若第三竖向位移S1与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第一阈值，则取竖向下限面积AS1作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若第四竖向位移S2与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第二阈值，则取竖向上限面积AS2作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；若第三竖向位移S1与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第一阈值且第四竖向位移S2与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第二阈值，则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积，以上均不满足则进入步骤d；
d：计算单梁模型的竖向剪切面积为竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值时，在竖向集中力Fz的作用下所引起的第五竖向位移S0，若第五竖向位移S0与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第三阈值，则取竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积；否则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1或者竖向上限面积AS2，并重复步骤b～d，直至第五竖向位移S0与第二竖向位移DUzm之间的偏差小于或等于第三阈值成立，并取此时的竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值作为钢桁梁的等效竖向剪切面积。
2.如权利要求1所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，所述根据纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A，根据竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy，根据横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz，包括：
获取钢桁梁的长度L以及钢材的弹性模量E；
根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及纵向集中力Fx与纵向位移HUxf计算钢桁梁等效面积A；
根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及竖向集中弯矩Mz与第一竖向位移HUzm计算钢桁梁竖向等效抗弯刚度Iy；
根据钢桁梁的长度L、钢材的弹性模量E以及横向集中弯矩My与第一横向位移HUym计算钢桁梁横向等效抗弯刚度Iz。
3.如权利要求1所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，于步骤b之前，还包括：
将钢桁梁平均腹杆面积乘以第一倍率记为竖向上限面积AS1；
将钢桁梁平均腹杆面积乘以第二倍率记为竖向下限面积AS2，其中，第二倍率大于第一倍率。
4.如权利要求1所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，所述将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1或者竖向上限面积AS2包括：
若第五竖向位移S0大于或等于第二竖向位移DUzm，则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向下限面积AS1；
若第五竖向位移S0小于第二竖向位移DUzm，则将竖向下限面积AS1与竖向上限面积AS2的均值替换步骤b中的竖向上限面积AS2。
5.如权利要求1所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，所述调整单梁模型中竖向剪切面积与横向剪切面积，使得单梁模型和钢桁梁模型分别在竖向集中力Fz和横向集中力Fy的作用下悬臂端的竖向位移、横向位移一致，此时单梁模型中的竖向剪切面积、横向剪切面积即为钢桁梁的等效竖向剪切面积、等效横向剪切面积，包括以下步骤：
e：获取单梁模型的悬臂端在横向集中力Fy作用下所引起的第二横向位移DUym；
f：计算单梁模型的横向剪切面积为横向下限面积AH1时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第三横向位移H1，以及计算单梁模型的横向剪切面积为横向上限面积AH2时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第四横向位移H2；
g：若第三横向位移H1与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第四阈值，则取横向下限面积AH1作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若第四横向位移H2与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第五阈值，则取横向上限面积AH2作为钢桁梁的等效横向剪切面积；若第三横向位移H1与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第四阈值且第四横向位移H2与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第五阈值，则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积，以上均不满足则进入步骤h；
h：计算单梁模型的横向剪切面积为横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值时，在横向集中力Fy的作用下所引起的第五横向位移H0，若第五横向位移H0与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第六阈值，则取横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积；否则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1或者横向上限面积AH2，并重复步骤f～h，直至第五横向位移H0与第二横向位移DUym之间的偏差小于或等于第六阈值成立，并取此时的横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值作为钢桁梁的等效横向剪切面积。
6.如权利要求5所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，于步骤f之前，还包括：
将钢桁梁等效面积A乘以第三倍率记为横向下限面积AH1；
将钢桁梁等效面积A乘以第四倍率记为横向上限面积AH2，其中，第四倍率大于第三倍率。
7.如权利要求5所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，所述将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1或者横向上限面积AH2包括：
若第五横向位移H0大于或等于第二横向位移DUym，则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向下限面积AH1；
若第五横向位移H0小于第二横向位移DUym，则将横向下限面积AH1与横向上限面积AH2的均值替换步骤f中的横向上限面积AH2。
8.如权利要求1所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法，其特征在于，在所述获取钢桁梁模型的悬臂端分别在纵向集中力Fx、横向集中弯矩My和竖向集中弯矩Mz作用下所对应的纵向位移HUxf、第一竖向位移HUzm以及第一横向位移HUym之前，还包括：
在钢桁梁模型的悬臂端部施加荷载纵向集中力Fx、竖向集中力Fz、横向集中力Fy、横向集中弯矩My以及竖向集中弯矩Mz；
在单梁模型的悬臂端部施加荷载纵向集中力Fx、竖向集中力Fz、横向集中力Fy、横向集中弯矩My以及竖向集中弯矩Mz。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至8中任一项所述的钢桁梁等效剪切面积的计算方法。
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