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2018-01-23

钢筋混凝土面设计中的奇异点

奇异性在一个有限区域内表现为应力相关结果值的集中。这是由有限元法(FEM)的求解方法所决定的。从理论上看,此时刚度和/或作用效应以无穷大的量集中在一个无限小的区域内。

现实中,奇异点及其由此产生的应力集中不会像模型中那样出现。原则上,在奇异点区域进行结果评估并无意义。然而,对奇异点进行分析和质疑是非常有意义的,因为奇异点可能表明实际模型中存在问题。以混凝土设计为例,一个实际案例就是在奇异点区域对冲切危险进行质疑。

在 RFEM 和 RF-BETON 的混凝土设计中,奇异点往往会导致无法进行设计。

奇异点可能出现在哪里?

  • 点支座或集中荷载施加处
  • 内凹角,或开孔角部
  • 刚度突变(例如板厚突变)
  • 肋的起点和终点
  • 线支座或墙的起点和终点

识别奇异点

在 FEM 中,可以通过在模型相应位置使用 FE 网格加密来细化网格,从而识别奇异点。如果在所考察区域内,应力相关的结果值增大,而其作用范围减小,则很大概率属于奇异点。

减少奇异点影响

在 RFEM 和使用 RF-BETON 的钢筋混凝土设计中,可以通过多种方式减轻奇异点及其伴随的无法设计问题。

平滑区域

在 RFEM 中提供平滑区域,可借助其将结果峰值进行平滑处理或置零。平滑区域可在菜单栏的“结果”中调用。在进行平滑处理时,所依据的区域应按工程判断确定。对于“将内力设为零”的选项,例如可以将相连柱的截面作为所依据的区域(见图 01)。

集成面积

作为一种替代方案,除采用具有柱截面尺寸的平滑区域外,还可以对面进行建模并将其集成到现有面中。这样,在 RF-BETON 面设计中,这些面将被排除在设计之外(见图 01)。

在 RF BETON 面中,必须在详细选项中启用使用平滑后的或置零后的内力(见图 02)。

上述两种方法(平滑区域和集成面积)既可用于柱,也可用于内凹角。一般而言,平滑区域已足够。但对于非线性计算,平滑区域并不能达到预期效果,因为在计算过程中内力会重新分布,并可能再次产生奇异效应。

板件的设计方法

在板件设计中,由于较大的法向力可能会出现奇异点,例如因点支承所致。此外,设计方法本身也可能对奇异效应或无法设计产生加剧作用。因此,对于板件,建议在 RF-BETON 面中停用设计内力优化(见图 03)。

分布式荷载施加

为避免奇异效应,可将集中荷载或线荷载转换为面荷载。该功能例如可通过上下文菜单调用(见图 04)。

内凹角倒圆

对于内凹角以及开孔角部,如有需要,可通过“倒圆或倒角”功能将角部倒圆。该功能可通过菜单栏中的“工具”调用。一般来说,许多奇异效应也可通过平滑区域得到足够的缓解。

支座

关于如何避免节点支座和线支座处的奇异点,请参阅本文:


链接
参考
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