CN116151040A - 一种结构抗压模型及其设计方法、装置和设备 - Google Patents

一种结构抗压模型及其设计方法、装置和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构抗压模型及其设计方法、装置和设备，该结构抗压模型为一种在既定计算长度
Figure ZY_1
、两端铰支、等截面的受压构件上，建立以计算点为中点、计算点至构件近端的距离为半长的子构件。设计方法包括基于子构件进行压力偏心距增大系数计算，包括：以子构件为分析对象，计算子构件的中点的压力偏心距增大子量值，以整个受压构件为分析对象，获取计算点的压力偏心距增大总量值；基于计算点的压力偏心距增大总量值获取计算点压力偏心距增大系数。本发明的结构抗压模型及其设计方法解决了构件压弯计算的合理性问题。

Description

一种结构抗压模型及其设计方法、装置和设备
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种结构抗压模型及其设计方法、装置和设备。
背景技术
结构受压为结构或其中的一部分沿长轴方向受到压力的作用。结构受压产生稳定问题，引发失稳破坏，本文简称为稳定或失稳。
根据分析的目标形态，可将稳定和失稳分为整体、局部两类。根据结构的初始形态，可将稳定再分为一类稳定、二类稳定，对应的失稳分为分肢点失稳、极值点失稳。
一类稳定没有引发二阶弯矩的初始状态。分肢点失稳前后变形性质发生改变。经历稳定轴向压缩阶段、随遇横向变形阶段，至承载能力丧失。对应的荷载为压曲荷载。
二类稳定存在引发二阶弯矩的初始状态。极值点失稳前后变形性质没有改变。经历稳定定向变形阶段、随遇定向变形阶段，至承载能力丧失。对应的荷载为压溃荷载。
无论是一类稳定的分肢点失稳、或者是极值点失稳，失稳均为结构在引发受压的作用荷载逐渐增加时，组成材料尚未直接达到极限强度，但因变形迅速发展提前达到极限强度而发生的破坏。所以结构的稳定或失稳问题实质上均归结为大变形结构的承载能力问题。
偏心受压构件在轴向压力作用下由挠曲引起的二阶弯矩目前尚无简便的方法计算。国内外规范一般采用压力偏心距增大系数进行简化计算。其基本思路是：采用计算长度
Figure SMS_1
、两端铰支、等截面的受压构件，计算位于构件中点的压力偏心距增大系数，进行弯矩的放大。
由上述推导过程可见，压力偏心距增大系数在结构的一个自由长度段、对应最大曲率的中点上成立。但计算中经常遇到的情况是计算点并不是位于结构的某个自由长度段的中点。在此情况下，采用以计算点为中点的
Figure SMS_2
往往不符合结构真实变形状态，计算值偏小；而采用符合真实变形状态的
Figure SMS_3
，计算值又偏大。需要一种新的思路解决这一问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种结构抗压模型及设计方法。本发明的技术方案如下：
第一方面，提供了一种结构抗压模型，所述的抗压模型为一种在既定计算长度
Figure SMS_4
、两端铰支、等截面的受压构件上，建立以计算点为中点、计算点至构件近端的距离为半长的子构件。
第二方面，基于上述第一方面的一种结构抗压模型，提出一种结构抗压模型的设计方法，该设计方法包括：基于子构件进行压力偏心距增大系数计算。
具体来说，该设计方法包括如下步骤：
（1）以子构件为分析对象，计算子构件的中点的压力偏心距增大子量值
Figure SMS_5
；
（2）以整个受压构件为分析对象，获取计算点的压力偏心距增大总量值
Figure SMS_6
，该步骤包括：利用预设修正参数对（1）中的所述压力偏心距增大子量值
Figure SMS_7
进行修正得到
Figure SMS_8
；
（3）获取计算点压力偏心距增大系数
Figure SMS_9
，
Figure SMS_10
，
Figure SMS_11
为构件计算点
Figure SMS_12
的压力偏心距。
本发明提出的结构抗压模型的设计方法，首先计算位于子构件中点的压力偏心距增大量值，进而乘以计算点至构件远、近端距离的比值进行修正，得到构件任意点的压力偏心距增大系数，实现弯矩的放大。形成一种新的子构件压力偏心距增大系数计算方法，表现出明确的物理意义和几何意义，解决了构件压弯计算的合理性问题。以子构件保持了对以往计算的继承，在形式上更方便人们的理解和使用。
其中，上述的
Figure SMS_13
和
Figure SMS_14
的获取步骤包括：
（11）获取受压构件的挠度曲线方程，该挠度曲线方程是以正弦曲线作为压弯变形的基准形态构建的；
在一种实施方式中，该挠度曲线方程即构件计算点
Figure SMS_15
的挠度
Figure SMS_16
的计算公式为：
Figure SMS_17
，进一步可得：
Figure SMS_18
（1）；
其中，
Figure SMS_19
是构件中点的挠度值；
Figure SMS_20
是距离构件近端
Figure SMS_21
处的挠度值；
（12）利用等截面构件中计算点
Figure SMS_24
的极限曲率
Figure SMS_26
与中点的极限曲率
Figure SMS_28
的一致性（即
Figure SMS_23
），对上式（1）进行处理，得到构件计算点
Figure SMS_25
的挠度
Figure SMS_27
与计算点
Figure SMS_29
至构件近端的距离、计算点
Figure SMS_22
至构件远端的距离之间的关系：
Figure SMS_30
（2）；
其中，
Figure SMS_32
为构件截面极限相对应变；
Figure SMS_35
为构件截面受拉区边缘钢筋拉应变；
Figure SMS_38
为构件截面受压区边缘压应变；
Figure SMS_34
为构件截面有效高度；
Figure SMS_37
为计算点
Figure SMS_40
至构件近端的距离；
Figure SMS_42
为计算点
Figure SMS_31
至构件远端的距离；
Figure SMS_36
为以计算点
Figure SMS_39
为中点、
Figure SMS_41
为半长的子构件长度，
Figure SMS_33
；
（13）基于构件计算点
Figure SMS_43
的挠度
Figure SMS_44
与计算点
Figure SMS_45
至构件近端的距离、计算点
Figure SMS_46
至构件远端的距离之间的关系，获取所述
Figure SMS_47
和
Figure SMS_48
。
基于公式（2），可得，
Figure SMS_49
，即为可独立存在的、只与子构件有关的中点的压力偏心距增大子量值
Figure SMS_50
。
基于公式（2），可得，取修正参数
Figure SMS_51
，进而，
Figure SMS_52
，即为与子构件相对位置有关的、修正得到的计算点压力偏心距增大总量值
Figure SMS_53
。
在一种实施方式中，上述第二方面所述的抗压模型的设计方法，还包括：在基于子构件进行压力偏心距增大系数计算之后，基于受压构件正截面的力平衡和弯矩平衡条件进行承载力设计分析和/或进行配筋量设计分析。
第三方面，本发明提供了一种结构抗压模型的设计装置，该装置包括：
压力偏心距增大子量值分析单元，用于以子构件为分析对象，计算子构件的中点的压力偏心距增大子量值
Figure SMS_54
，所述子构件为在既定计算长度
Figure SMS_55
、两端铰支、等截面的受压构件上，以计算点为中点、计算点至构件近端的距离为半长的构件；
压力偏心距增大总量值分析单元，用于以整个受压构件为分析对象，获取计算点的压力偏心距增大总量值
Figure SMS_56
；
计算点压力偏心距增大系数分析单元，用于获取计算点压力偏心距增大系数
Figure SMS_57
，
Figure SMS_58
，
Figure SMS_59
为构件计算点
Figure SMS_60
的压力偏心距。
可以理解，本发明提供的该结构抗压模型的设计装置在进行受压构件设计分析时，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，本发明提供的该结构抗压模型的设计装置与上述第二方面提供的结构抗压模型的设计方法属于同一构思，其具体实现过程详见第二方面所述内容，这里不再赘述。
第四方面，本发明提供了一种电子设备，该电子设备包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器通过运行所述可执行指令以实现上述第二方面所述的结构抗压模型的设计方法。
可以理解，该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境，该计算机程序被处理器执行时以实现上述第二方面所述的结构抗压模型的设计方法。
第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现上述第二方面所述的结构抗压模型设计方法的步骤。该计算机可读存储介质包括：电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备以及上述任意合适的组合。具体来说，计算机可读存储介质包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、只读光盘(CD-ROM)、相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）等。
本发明的一种结构抗压模型及其设计方法、装置和设备，具备如下有益效果：
（1）形成一种新的子构件抗压模型及设计方法，表现出明确的物理意义和几何意义，解决了构件压弯计算的合理性问题。
（2）以子构件保持了对以往计算的继承，在形式上更方便人们的理解和使用。
（3）推动了设计理论的创新与结构技术的发展，取得显著技术效果和经济社会效果。
附图说明
图1为子构件抗压模型示意图；
图2为桥梁索塔抗压模型示意图。
图中：1-构件；2-构件中点；3-构件计算点；4-子构件；5-索塔；6-塔底；7-塔顶下1/4塔高处。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。下述实施例以本发明技术方案为前提下进行，给出详细实施方式、具体操作过程和定量计算结果，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
参见图1，对钢筋混凝土构件1，
Figure SMS_61
取混凝土极限压应变0.0033，
Figure SMS_62
取HRB335级钢筋抗拉强度标准值对应的应变0.0017，计算得到更具体的构件1的构件中点2压力偏心距增大系数
Figure SMS_63
、构件计算点3压力偏心距增大系数
Figure SMS_64
进行比较：
Figure SMS_65
；
Figure SMS_66
；
Figure SMS_67
Figure SMS_68
结果表明：将构件中点的压力偏心距增大系数用于构件任意点，这与实际情况是不相符的。
其中：
Figure SMS_70
为构件1截面受压区边缘压应变；
Figure SMS_73
为构件1截面受拉区边缘钢筋拉应变；
Figure SMS_75
为构件1截面有效高度；
Figure SMS_71
为构件计算点3至构件1近端的距离；
Figure SMS_74
为以构件计算点3为中点、
Figure SMS_76
为半长的子构件4长度，
Figure SMS_77
；
Figure SMS_69
为构件计算点3至构件1远端的距离；
Figure SMS_72
为构件计算点3的压力偏心距。
实施例2
更具体的，对桥梁索塔5，塔底6计算
Figure SMS_78
，
Figure SMS_79
按受力形态采用两倍塔高2H；塔顶下1/4塔高处7计算
Figure SMS_80
，
Figure SMS_81
按受力形态采用二分之一塔高H/2。计算结果进行比较：
Figure SMS_82
；
Figure SMS_83
；
Figure SMS_84
Figure SMS_85
结果表明：接近塔顶，压力偏心距增大系数减小，这与实际情况是相符的。
采用本发明，解决了构件压弯计算的合理性问题，并表现出明确的物理意义和几何意义，更方便人们的理解和使用。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构抗压模型，其特征在于，所述的抗压模型为一种在既定计算长度
Figure QLYQS_1
、两端铰支、等截面的受压构件上，建立以计算点为中点、计算点至构件近端的距离为半长的子构件。
2.一种结构抗压模型的设计方法，应用于权利要求1所述的结构抗压模型，其特征在于，所述的设计方法包括基于子构件进行压力偏心距增大系数计算。
3.根据权利要求2所述的结构抗压模型的设计方法，其特征在于，所述的设计方法包括：
（1）以子构件为分析对象，计算子构件的中点的压力偏心距增大子量值
Figure QLYQS_2
；
（2）以整个受压构件为分析对象，获取计算点的压力偏心距增大总量值
Figure QLYQS_3
；
（3）获取计算点压力偏心距增大系数
Figure QLYQS_4
，
Figure QLYQS_5
，
Figure QLYQS_6
为构件计算点
Figure QLYQS_7
的压力偏心距。
4.根据权利要求3所述的结构抗压模型的设计方法，其特征在于，
所述（1）中的压力偏心距增大子量值
Figure QLYQS_8
为：
Figure QLYQS_9
；
其中：
Figure QLYQS_10
为构件截面极限相对应变；
Figure QLYQS_11
为构件截面受拉区边缘钢筋拉应变；
Figure QLYQS_12
为构件截面受压区边缘压应变；
Figure QLYQS_13
为构件截面有效高度；
Figure QLYQS_14
为子构件长度。
5.根据权利要求3所述的结构抗压模型的设计方法，其特征在于，
所述（2）中，获取计算点的压力偏心距增大总量值的步骤包括：利用预设修正参数对（1）中的所述压力偏心距增大子量值
Figure QLYQS_15
进行修正得到
Figure QLYQS_16
。
6.根据权利要求5所述的结构抗压模型的设计方法，其特征在于，
所述（2）中采用的修正参数为：
Figure QLYQS_17
，
Figure QLYQS_18
为点计算
Figure QLYQS_19
至构件远端的距离；
Figure QLYQS_20
为计算点
Figure QLYQS_21
至构件近端的距离；
所述（2）中的压力偏心距增大总量值
Figure QLYQS_22
为：
Figure QLYQS_23
。
7.根据权利要求2所述的结构抗压模型的设计方法，其特征在于，在基于子构件进行压力偏心距增大系数计算之后，基于受压构件正截面的力平衡和弯矩平衡条件进行承载力设计分析和/或进行配筋量设计分析。
8.一种结构抗压模型的设计装置，其特征在于，包括：
压力偏心距增大子量值分析单元，用于以子构件为分析对象，计算子构件的中点的压力偏心距增大子量值
Figure QLYQS_24
，所述子构件为在既定计算长度
Figure QLYQS_25
、两端铰支、等截面的受压构件上，以计算点为中点、计算点至构件近端的距离为半长的构件；
压力偏心距增大总量值分析单元，用于以整个受压构件为分析对象，获取计算点的压力偏心距增大总量值
Figure QLYQS_26
；
计算点压力偏心距增大系数分析单元，用于获取计算点压力偏心距增大系数
Figure QLYQS_27
，
Figure QLYQS_28
，
Figure QLYQS_29
为构件计算点
Figure QLYQS_30
的压力偏心距。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器通过运行所述可执行指令以实现如权利要求2-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现如权利要求2-7中任一项所述方法的步骤。
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