由基本截面插入形成複雜複合截面的方法

2023-09-17 08:48:10 2

專利名稱：由基本截面插入形成複雜複合截面的方法
技術領域：
本發明涉及一種複合截面的處理方法，具體是一種由基本截面插入形成複雜複合截面的方法，屬於土木建築工程技術領域。
背景技術：
工程中大量採用型鋼混凝土、鋼管混凝土、鋼-混凝土疊合梁等構件。這些構件包含兩類以上的不同材料，並且由兩個以上基本截面組成。這類構件不同於單一材料組成的截面，在結構有限元計算中需要專門處理。在其它建築結構有限元計算軟體中，針對一些常用的複合截面設置截面類型庫。使用時可以調整各截面參數，但除這些參數外，截面類型是確定的，不能改變。
經對現有技術的文獻檢索發現，李雲貴等在《建築科學》1995年第2期上發表的論文「一個新的高層建築結構空間有限元分析軟體SATWE」，該文所介紹的分析軟體SATWE即採用上述方法。這種針對常用複合截面設置截面庫的處理方法，存在兩方面缺點1、即便是常見的複合截面，其類型種類也很多。開發計算軟體時，針對每種複合截面均需要有相應的參數設置界面(如對話框)，才能使用戶正常使用。導致軟體開發的工作量非常大。2、隨著建築結構的發展，一些特殊的、不規則的複合截面類型大量出現。由於截面庫中的複合截面類型數是有限的，並且已有複合截面只能調節尺寸、不能改變基本形狀，將不能滿足這些特殊截面的計算要求。
在實際的結構中出現的一些非常規複合截面，如超出軟體已有截面庫的範圍，只能將這些截面進行簡化處理。實際上，正是有特殊的受力要求，才會有這些特殊的截面類型。簡化後複合截面不能反應實際截面的特點，將不能有效反應結構的受力情況，使計算結果有很大的近似性，從而影響結構設計的可靠性。

發明內容
本發明的目的在於針對現有複合界面有限元處理方法的不足，提出一種由基本截面插入形成複雜複合截面的方法，使其不但能大幅度減小軟體開發工作量，而且能適應任意複雜、特殊類型複合截面的處理要求。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明將複合截面拆分成數個相對簡單的截面，而這些基本截面，也是有限元軟體一般已經具備的基本截面定義，利用相對簡單的基本截面，通過插入的方式形成各類複雜的複合截面。方法步驟如下(1)定義各類基本截面，並設定基本截面上一點為該基本截面的基準點。
(2)將複合截面分成兩類A)包含式，其中第一個基本截面為外包截面，其它基本截面包含於外包截面。
B)拼接式，各基本截面相互不包含。
(3)定義複合截面的局部坐標系2軸、3軸，其中2軸為水平軸，3軸為豎直軸。
(4)將基本截面以其基準點為基準，按如下參數插入到複合截面中，通過這些參數的組合，即可定義任意形狀的複合截面A)基本截面基準點在複合截面局部坐標系中的2、3軸坐標值(xi，yi)；B)基本截面繞本身基準點的轉角α；C)基本截面繞本身基準點翻轉標誌(翻轉，或不翻轉)；D)基本截面的材料。
(5)計算符合截面的幾何、物理參數。具體方法如下EIx=i=1nEi(Ii,x+Aiyi2)]]>EIy=i=1nEi(Ii,y+Aixi2)]]>EA=i=1nEiAi]]>GAx=i=1nGiAix]]>GAy=i=1nGiAiy]]>Iix′＝Iixcos2α+Iiysin2α Iiy′＝Iixsin2α+Iixcos2α其中α為基本截面的轉角。基本材料的計算彈性模量E』，按下面確定包含式截面中的非外包基本截面Ei′＝Ei-E1，Gi′＝Gi-G1，(i＞2)
包含式截面中的外包截面，拼接式各截面Ei′＝Ei，Gi′＝Gi基本截面考慮轉角後，另有慣性矩的偶聯分量Iixy′＝(Iix-Iiy)sinαcosα，當基本截面對稱、或基本截面不對稱但複合截面總體對稱時均為0，其它情況下為小量，可以忽略。
根據上述系列公式，即可進行有限元計算，得到結構構件的內力。在各類工程結構中，還需根據內力進行構件的後處理驗算。如型鋼混凝土的配筋計算，格構鋼構件的強度穩定驗算，這些驗算需根據相應的技術標準、規範進行。
本發明方法確定的複合截面在後處理驗算時，可以在程序判斷的基礎上結合用戶判斷確定截面類型和驗算參數。如包含式複合截面，外包截面為混凝土、內部為鋼，則可判斷為型鋼混凝土。如拼接式複合截面中，基本截面全部為鋼截面，則可能為格構式截面。在程序判斷基礎上，再提供對話框，用戶確認或修改。這樣對於常見情況可直接採用程序判斷結果，減少用戶的操作量；同時對於複雜截面用戶可以幹預調整，滿足任意類型的需要，達到軟體處理的多樣性要求。
本發明有效減小了有關複合截面的軟體開發工作量。因為基本截面的類型數是有限的，且相關軟體都已經具備基本截面的定義。本發明利用已有的基本截面拼接、複合成複合截面，在軟體實現上只需一個界面即可。
本發明適應任意類型複合截面的處理。基本截面根據基準點坐標、旋轉角度、翻轉標誌、材料，能複合成任意形狀的複合截面。對各種可能的複雜、特殊截面，均可以如實地、不作簡化地進行計算。本發明極大地擴充了結構有限元計算軟體的功能。也為複雜、特殊建築結構的科學、合理的設計提供了有力的工具。
本發明方法是一個系統、完整的方法，針對有限元計算的前處理、計算、後處理都有完善的處理措施。


圖1本發明實施例中特殊、複雜的複合截面圖1中(a)、(b)、(c)為包含式截面，(d)、(e)、(f)為拼接式截面。
圖2本發明插入法形成複合截面各參數圖示圖3本發明插入法形成複合截面的軟體實施對話框圖4本發明後處理附加參數設置軟體實施對話框具體實施方式
為更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖及具體的實施例作進一步描述。
如圖1所示，圖中各截面均為在實際工程中出現過的特殊、複雜的複合截面，結合該圖可更好地理解本發明包含式、拼接式兩種類型的意義。
圖1中a、b、c為包含式截面，其中外包截面為混凝土截面，內部為鋼截面，完全包含在混凝土截面之中。其中截面c外圍有環形鋼截面，環形內包圓形混凝土截面，但在定義截面時，設內部圓形截面的直徑與環形外徑相同，則環形仍被包含於圓形截面。
圖1中d、e、f為拼接式截面。截面d為矩形混凝土截面外包角鋼加固截面。截面e為鋼-混凝土疊合梁截面，上部長方形為混凝土板，下部拼接槽鋼。截面f為方鋼管內接十字加強肋截面，十字肋在方鋼管內部空腔中，仍為拼接式截面。
如圖2所示，為本發明插入法各參數的意義圖。
圖中水平軸2軸、豎直軸3軸為複合截面的局部坐標系。圖中L形基本截面的拐角點為該截面的基準點，其坐標值(xa，ya)為該基準點在複合截面局部坐標系中的坐標值。
L形基本截面本身也有局部坐標系(2a，3a)，一般與複合截面局部坐標系平行，如該圖所示是按α角度插入後的旋轉結果。
如基本圖形插入時需要翻轉，則將L形基本截面按圖中「翻轉軸」進行翻轉。
如圖3所示，為本發明在計算機上編程實現的對話框圖。
首先是複合截面包含式、拼接式兩種類型選項。其次，通過「基本截面」按鈕調用軟體已有的基本截面，通過「材料」按鈕調用軟體已有的材料參數(直接調用已有參數，不需額外的軟體編程工作)。再次，外提供編輯框，輸入基本截面插入坐標、插入角度、翻轉標誌。
選擇好基本截面，並設置好相關參數後，點「插入基本截面」按鈕，基本截面即插入到底部小列表中。對話框具有圖形顯示框，動態顯示基本截面插入後的圖形。滑鼠選擇小列表中的一個基本截面，相應圖形顏色變亮，同時顯示該基本截面的各參數，便於檢查。如雙擊小列表，則刪除相應基本截面。
對話框右側主列表顯示已經設置好的各複合截面。新的複合截面設置好後，點「添加」按鈕，即添加到列表尾部。也可以在主列表中選擇一個已經輸入的複合截面，該截面的參數顯示在右側的小列表、圖形框中，並顯示各參數，可以進行修改，修改後按「確認修改」按鈕，修改後的參數即可保存。
如圖4所示，為本發明附加參數程序實現對話框。
右側主列表為各複合經程序初步判斷後的截面類型，及相應參數。選中列表中的一個複合截面，即可在對話框右側各項中修改該複合截面的類型，以及軸壓類型、塑性發展係數、對稱性等附加參數。
以下為具體的實施例實施例1、一個型鋼斜向相交的特殊型鋼混凝土截面複合截面類型包含式。由下表3個基本截面組成，得到的複合截面見圖1(a)。

實施例2、一個特殊的型鋼混凝土巨型框架柱截面複合截面類型包含式。包含下表3個基本截面，得到的複合截面如圖1(b)所示。

實施例3、一個內部十字鋼板加強的特殊鋼管混凝土截面複合截面類型包含式。由下表4個基本截面組成，得到的複合截面見圖1(c)。

實施例4、一個包角鋼加固柱截面複合截面類型拼接式。包含下表5個基本截面，得到的複合截面如圖1(d)所示。

實施例5、一個槽鋼拼接的疊合梁截面複合截面類型拼接式。包含下表3個基本截面，得到的複合截面如圖1(e)所示。

實施例6、一個方鋼管內部十字肋板加強柱截面複合截面類型拼接式。包含下表3個基本截面，得到的複合截面如圖1(f)所示。

以上6個特殊複合截面，都是在實際工程中出現的、並且現有軟體無法有效處理複合截面類型。從實施例可看出，本發明通過基本截面拼接成複合截面的方法，不但能有效計算這些特殊截面，而且操作過程簡潔、直觀。
權利要求
1.一種由基本截面插入形成複雜複合截面的方法，其特徵在於將複合截面拆分成數個相對簡單的基本截面，利用相對簡單的基本截面，通過插入的方式形成各類複雜的複合截面，具體步驟如下(1)定義各類基本截面，並設定基本截面上一點為該基本截面的基準點；(2)將複合截面分成兩類，即包含式、拼接式兩類類型；(3)定義複合截面的局部坐標系2軸、3軸，其中2軸為水平軸，3軸為豎直軸；(4)由基本截面按確定參數插入形成複合截面，這些參數包括插入點坐標、轉角、翻轉標誌、材料；(5)計算符合截面的幾何、物理參數。
2.根據權利要求1所述的由基本截面插入形成複雜複合截面的方法，其特徵是，所述的包含式複合截面是指其中第一個基本截面為外包截面，其它基本截面包含於外包截面；所述的拼接式複合截面是指各基本截面相互不包含。
3.根據權利要求1所述的由基本截面插入形成複雜複合截面的方法，其特徵是，所述的步驟(4)，具體為將基本截面以其基準點為基準，按如下參數插入到複合截面中，通過這些參數的組合，即定義任意形狀的複合截面(1)基本截面基準點在複合截面局部坐標系中的2、3軸坐標值(xi，yi)；(2)基本截面繞本身基準點的轉角α；(3)基本截面繞本身基準點翻轉標誌即翻轉或不翻轉；(4)基本截面的材料。
4.根據權利要求1所述的由基本截面插入形成複雜複合截面的方法，其特徵是，所述的步驟(5)，具體方法如下EIx=i=1nEi(Ii,x+Aiyi2)]]>EIy=i=1nEi(Ii,y+Aixi2)]]>EA=i=1nEiAi---GAx=i=1nGiAix---GAy=i=1nGiAiy]]>I′ix＝Iixcos2α+Iiysin2αI′iy＝Iixsin2α+Iixcos2α其中α為基本截面的轉角，基本材料的計算彈性模量E』，按下面確定包含式截面中的非外包基本截面E′i＝Ei-E1，G′i＝Gi-G1，(i＞2)包含式截面中的外包截面，拼接式各截面Ei′＝Ei，G′i＝Gi基本截面考慮轉角後，另有慣性矩的偶聯分量I′ixy＝(Iix-Iiy)sinαcosα，當基本截面對稱、或基本截面不對稱但複合截面總體對稱時均為0，其它情況下為小量，可忽略。
全文摘要
一種由基本截面插入形成複雜複合截面的方法，屬於土木建築工程技術領域。本發明將複合截面拆分成數個相對簡單的截面，利用相對簡單的基本截面，通過插入的方式形成各類複雜的複合截面，步驟如下(1)定義各類基本截面，並設定該基本截面的基準點；(2)將複合截面分成兩類，即包含式、拼接式兩類類型；(3)定義複合截面的局部坐標系2軸、3軸，其中2軸為水平軸，3軸為豎直軸；(4)由基本截面按確定參數插入形成複合截面，這些參數包括插入點坐標、轉角、翻轉標誌、材料；(5)計算符合截面的幾何、物理參數。本發明方法不但能顯著減小計算軟體的開發工作量，而且能適應任意特殊、複雜複合截面的處理要求。
文檔編號E04B1/30GK1644840SQ200510023280
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月13日 優先權日2005年1月13日
發明者謝靖中 申請人:上海交通大學