结构力学等效结点荷载

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1、9.4 等效结点荷载等效结点荷载第九章 矩阵位移法 有限元分析的重要一步是把一个连续的结构看成是有限元分析的重要一步是把一个连续的结构看成是由离散单元在结点处连接拼装而成。而把作用在结构上由离散单元在结点处连接拼装而成。而把作用在结构上的荷载统统考虑作用在结点上。然而无论是恒载还是活的荷载统统考虑作用在结点上。然而无论是恒载还是活载，常常是分布作用在单元上。载，常常是分布作用在单元上。对这种非结点荷载的处理：对这种非结点荷载的处理： 方法一：方法一：把分布荷载改用若干集中荷载代替，并把集把分布荷载改用若干集中荷载代替，并把集中荷载的作用点选作结点；中荷载的作用点选作结点； 方法二：方法二：等效

2、结点荷载法等效结点荷载法。非结点荷载的处理非结点荷载的处理 荷载等效的荷载等效的原则原则是不改变结构的结点位移情况，是不改变结构的结点位移情况，即结构在等效结点荷载作用下的即结构在等效结点荷载作用下的结点位移结点位移与实际荷载与实际荷载作用下的结点位移作用下的结点位移相等相等。1. 等效结点荷载的概念等效结点荷载的概念结点位移等效结点位移等效MqEF1EF2=+内力相等内力相等qM(A)(C)MF1F(B)F2FqFEFF11FEFF221. 等效结点荷载的概念等效结点荷载的概念结点位结点位移等效移等效2. 等效结点荷载的计算等效结点荷载的计算没有结没有结点位移点位移1(1,2,3)2(4,5

3、,6)3(7,8,9)FPq122ql122ql2ql02ql08lFP8lFP2lFP02lFP08lFP2lFP01282qllFP02ql2lFP122ql2ql只有结只有结点位移点位移8lFP2lFP08122lFqlP2ql2lFP122ql2ql0+局部坐标系下单元固端力列阵局部坐标系下单元固端力列阵 eFFFFFFeFFFFFFFF654321 )1(22)1(12201220qlqlqlqlFF )2()2(820820lFFlFFFPPPPF1(1,2,3)2(4,5,6)3(7,8,9)FPqeFeEFF局部坐标系下单元等效结点荷载：局部坐标系下单元等效结点荷载：整体坐标系

4、下单元等效结点荷载：整体坐标系下单元等效结点荷载： eFTeETeEFTFTF 1202120212201220100001001010000010102222)1()1(qlqlqlqlqlqlqlqlFTFFTE456123总码总码 820820820820)2()2(lFFlFFlFFlFFFTFPPPPPPPPFTE456789总码总码1202120222)1(qlqlqlqlFE456123总码总码820820)2(lFFlFFFPPPPE456789总码总码82081222120222lFFlFqlFqlqlqlFPPPPE123456789总码总码1(1,2,3)2(4,5,6)

5、3(7,8,9)FPq1(0,0,1)2(2,3,4)3(0,0,0)FPq eFeEFF eFTeETeEFTFTF1202120222)1(qlqlqlqlFE234001总码总码820820)2(lFFlFFFPPPPE234000总码总码812221222lFqlFqlqlFPPE1234总码总码1(0,0,1)2(2,3,4)3(0,0,0)FPq3. 综合（自由）结点荷载列阵综合（自由）结点荷载列阵 EDFFF等效结点等效结点荷载列阵荷载列阵直接结点直接结点荷载列阵荷载列阵综合结点综合结点荷载列阵荷载列阵 在矩阵位移法分析过程中，可用综合结点荷载来在矩阵位移法分析过程中，可用综合结

6、点荷载来代替原来荷载进行计算。代替原来荷载进行计算。 yxyxxFFFFFFFFFFF4433254321FR2yFR1yFR1xF2yF2xF1xF1yF3yF4yF4xF3x1(0,0)2(1,0)3(2,3)4(4,5)在先处理法中，结构的结点荷载列阵等于综合结点荷载列阵。在先处理法中，结构的结点荷载列阵等于综合结点荷载列阵。FR2yFR1yFR1xF2yF2xF1xF1yF3yF4yF4xF3x1(1,2)2(3,4)3(5,6)4(7,8) yxyxyyRxyyRxxRyxyxyxyxyRyRxRFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF4433222111144

7、332211211876543210 000 在后处理法中，结构的结点荷载列阵等于综合结点荷载列阵在后处理法中，结构的结点荷载列阵等于综合结点荷载列阵与结构约束反力列阵之和。与结构约束反力列阵之和。结构在实际荷载作用下的单元杆端力结构在实际荷载作用下的单元杆端力 eeeFekFFMF1F=+qM(A)(B)(C)F2FqFEFF11FEFF22 对计算杆端位移而言，等效对计算杆端位移而言，等效结点荷载与原非结点荷载作用效结点荷载与原非结点荷载作用效果等效，由此可以断定，在综合果等效，由此可以断定，在综合结点荷载作用下求得的即是杆端结点荷载作用下求得的即是杆端的实际位移。的实际位移。 有非结点荷

8、载作用的单元杆有非结点荷载作用的单元杆端力，可以由两部分叠加而得，端力，可以由两部分叠加而得，一部分是单元固端力，另一部分一部分是单元固端力，另一部分是杆端位移产生的杆端力。是杆端位移产生的杆端力。练习：用先处理法、后处理法分别计算结构的练习：用先处理法、后处理法分别计算结构的综合结点荷载列阵。综合结点荷载列阵。1(0,0,0)2(1,2,3)3(4,5,6)ACDFPqBFPqlMFPl4(4,5,7)5(0,0,0)解：解：1.1. 局部坐标系下单元固端力局部坐标系下单元固端力 TFqlqlqlqlF1220122022)1 ( TFF000000)2( TPPPPFlFFlFFF8208

9、20)3(1(1,2,3)2(4,5,6)3(7,8,9)4(7,8,10)5(11,12,13)2.2. 整体坐标系下单元等效结点荷载整体坐标系下单元等效结点荷载0 ,90321 1202120212201220100001001010000010102222)1()1(qlqlqlqlqlqlqlqlFTFFTE123000总码总码456123 820820820820)3()3(lFFlFFlFFlFFFTFPPPPPPPPFTE123456总码总码000000)2(EF457000总码总码78101112134567891202120222)1(qlqlqlqlFE123000总码总码

10、456123820820)3(lFFlFFFPPPPE123456总码总码000000)2(EF457000总码总码7810111213456789TPPPPElFFlFqlFqlF0820812222TPPPPElFFlFqlFqlqlqlF0 0, 0, 0, ,8 ,2 0, ,812 ,2 ,2 ,12 0, ,2221 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 133.3. 整体坐标系下综合结点荷载列阵整体坐标系下综合结点荷载列阵 EDFFF1(0,0,0)2(1,2,3)3(4,5,6)ACDFPqBFPqlMFPl4(4,5,7)5(0,0,0)

11、00000MFFPD1234567总码总码0820812222lFFlFqlFqlPPPP EDFFF00000MFP0820812222lFFlFqlMFqlFPPPPPTPPPPElFFlFqlFqlqlqlF0 0, 0, 0, ,8 ,2 0, ,812 ,2 ,2 ,12 0, ,2221 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 EDFFFTRRRRRRDFFFMFFFFF131211P321 , , 0, , 0 , 0 0, , , 0 , , , ,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 134. 综合结点荷载元素速算法综合结点荷载元素速算法 eF

12、TeETeEFTFTF EDFFF eFeEFF局部坐标系下单元等效结点荷载列阵：局部坐标系下单元等效结点荷载列阵：SeeFSeeEEFFF11整体坐标系下单元等效结点荷载列阵：整体坐标系下单元等效结点荷载列阵：整体坐标系下结构等效结点荷载列阵：整体坐标系下结构等效结点荷载列阵：整体坐标系下结构综合结点荷载列阵：整体坐标系下结构综合结点荷载列阵：速算法步骤：速算法步骤：1. 根据单元上荷载状况，利用载常数得到单元固端力，将根据单元上荷载状况，利用载常数得到单元固端力，将其其大小和实际方向大小和实际方向标注在杆端；标注在杆端；2. 将各单元的杆端力将各单元的杆端力“反号反号”转移到结点上，把结点

13、相关转移到结点上，把结点相关单元同一方向的力相加后，以整体坐标系为标准判断正负单元同一方向的力相加后，以整体坐标系为标准判断正负号（一致为正，反之为负）即得到该结点等效结点荷载列号（一致为正，反之为负）即得到该结点等效结点荷载列阵；阵；3. 根据整体位移码，依此方法得到相应的结构等效结点荷根据整体位移码，依此方法得到相应的结构等效结点荷载列阵；载列阵；4. 根据整体位移码，将等效结点荷载列阵与直接结点荷载根据整体位移码，将等效结点荷载列阵与直接结点荷载列阵元素列阵元素对应相加对应相加即得到结构的综合结点荷载列阵。即得到结构的综合结点荷载列阵。用先处理法写出结构的综合结点荷载列阵。用先处理法写出结构的综合结点荷载列阵。i2i1M=ql2/8qFP=qlll/2l/2q122ql122ql8lFP8lFPFP=ql1(1)2(2)3(3)122ql122ql8lFP8lFP8kN6kN7kNm5m10kN2.5m2.5m1(0,0,0)2(1,2,3)3(0,0,4)5kN4.8kN/m101012124455510101212544