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2023-01-03

失稳 | 2023 年 2 月

我的模型不稳定。原因可能是什么?


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结构体系因失稳而导致计算中断可能有多种原因。一方面,这可能是结构因过载而出现的“真实”失稳;另一方面,也可能是由于建模误差引起的错误提示。以下为您提供一套查找失稳原因的具体步骤。

1. 检查建模

首先应确认建模是否正确。RFEM 或 RSTAB 中提供了“模型检查”功能(菜单路径:工具→模型检查),可以帮助例如发现重复节点或重叠杆件等问题并进行修正。

此外,建议对结构只施加自重荷载,根据一阶理论进行计算。如果能够得到结果,说明模型建模稳定;若不能,则需检查以下常见问题:

  • 支座定义错误或缺失

如果结构未在所有方向上受约束,可能导致不稳定。必须确保支座条件与结构及边界条件处于平衡状态。超静定结构因边界条件不足,也会导致计算中断。

  • 杆件绕自身轴线的扭转

如果杆件绕自身轴线发生扭转,且没有约束,会引发不稳定。这通常与杆端铰的设置有关,比如起点和终点都设置了扭转铰。

  • 杆件未连接

特别是在大型复杂模型中,某些杆件可能没有正确连接,悬空“漂浮”,或交叉但并未相交。模型检查中的“交叉或未连接的杆件”功能可帮助查找这类问题。

  • 无公共节点

虽然节点位置看似重合,但细微偏差导致未形成公共节点。此类情况多由 CAD 导入造成,可通过模型检查修正。

  • 铰链的形成

一个节点连接过多铰可能形成“铰链”,导致计算中断。每个节点对应的自由度相关的铰数不得超过连接杆件数减一。此规则同样适用于线铰。

2. 检查支撑结构

若缺少支撑结构,同样会因失稳现象导致计算中断。因此必须检查结构是否在各方向均具备充分刚度支撑。

3. 数值问题

针对此问题,现举例如下:一个铰接框架通过拉杆进行支撑加固。由于竖向荷载作用导致的立柱压缩变形,在第一轮计算中拉杆会受到微小压力。这些杆件因此被系统自动移除(因其仅能承受拉力)。在第二轮计算中,移除拉杆后的模型将出现失稳现象。

该问题可通过多种方案解决:可对拉杆施加预应力(杆件荷载)以“消除”微小压力,或为杆件赋予微小刚度值,亦可采用分步移除杆件的计算策略。在 RSTAB 9 中,此计算设置是自动完成的,而在 RFEM 6 中可以选择性激活该选项。

4. 查找失稳原因

  • 带图形输出的自动模型检查

为直观展示失稳成因,可借助“结构稳定性”模块。通过选择“无荷载作用下的失稳模态计算”选项,可对疑似失稳系统进行分析。该功能基于结构数据进行特征值分析,最终以图形化方式呈现受影响构件的失稳模态。。

  • 临界荷载问题

若荷载工况或荷载组合能按一阶理论计算,但仅在二阶理论计算时出现问题,这意味着存在稳定性问题(临界荷载系数小于 1.00)。该系数表示需将荷载放大多少倍才会使模型在相应荷载下失稳(例如屈曲)。因此,临界荷载系数小于 1.00 表明系统不稳定。只有大于 1.00 的正临界荷载系数,表示当前轴力乘以该系数后,稳定系统将发生屈曲失稳。为了找出“薄弱点”,建议采用以下方法,前提是装备有“结构稳定性”模块。

首先,逐步降低问题荷载组合的荷载值,直至结构恢复稳定。可通过荷载组合参数中的荷载系数实现。若无模块,此方法即手动确定临界荷载系数。对纯线性构件,先进行一阶理论计算,再通过模块确定临界荷载。根据显示的屈曲或失稳模态图形定位问题区域并采取相应措施。


作者

Haase 先生负责钢筋混凝土结构领域的研发工作,并为我们的客户提供技术支持。

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