一种次生自反力结构的加载及节点连接方法与流程

1.本发明涉及结构工程技术领域，尤其涉及一种次生自反力结构的加载及节点连接方法。


背景技术：

2.目前，对于结构构件的结构受力计算方式，通常是以其两对称节点处的状态一次生成，并且一次施加荷载的方式来进行计算。但是，采用这种方式，结构受荷载作用产生的受力，例如连接剪力、推力以及弯矩等，往往幅值很大，且分布不均，这种情况下，容易导致对结构构件的受力情况误判，而且容易导致结构构件的支承体标准化程度较低，造成工程性能低下，且经济性不佳。


技术实现要素：

3.本发明实施例公开了一种次生自反力结构的加载及节点连接方法，能够有效均化次生自反力的受力，同时施工方式简单，有利于推广。
4.可以得知的是，本发明的次生自反力结构是指：拱结构、拱架结构等在对称荷载作用下，其两侧同一高度的对称截面内力，如剪力(推力)，成对产生，大小相等，方向相反，合力为零。成对内力在两对称节点截面处往往很大，对于结构本身来说，不一定是主要内力。但其反力，也就是两对称节点反力，尤其是两对称节点剪力(推力)，作用在独自支承体上，而难以承受。另外，该推力与荷载方向垂直，表现为与荷载无关，称作次生自反力。因此，该类结构可称作次生自反力结构。
5.本发明提供了一种次生自反力结构的加载及节点连接方法，所述次生自反力结构包括翼缘和腹板，所述方法包括：
6.调整所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板可活动设置，在所述次生自反力结构上施加第一荷载；
7.再次调整所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板由可活动设置调整为固定设置，在所述次生自反力结构上施加第二荷载；
8.其中，所述第一荷载与所述第二荷载之和等于所述次生自反力结构受到的总荷载。
9.作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板与所述支座的连接方式为螺栓连接或插入式连接。
10.作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板与支座的连接方式为螺栓连接；
11.所述调整所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板可活动设置，在所述次生自反力结构
上施加第一荷载，包括：
12.提供螺栓；
13.在所述次生自反力结构的两对称节点处的腹板以及翼缘上设置螺孔；
14.将所述螺栓伸入螺孔并暂不拧紧，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板可活动设置；
15.计算所述第一荷载；
16.在所述次生自反力结构上施加所述第一荷载。
17.作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述再次调整所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板由可活动设置调整为固定设置，在所述次生自反力结构上施加第二荷载，包括：
18.用所述螺栓将所述螺孔拧紧，从而使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板在竖向、水平位移以及转角方向上均被限制，进而使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板由可活动设置调整为固定设置；
19.计算所述第二荷载；
20.在所述次生自反力结构上施加所述第二荷载。
21.作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述螺孔为长条形孔，且所述螺孔的长轴方向与所述次生自反力结构的两对称节点处的截面的长度方向。
22.作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板与支座的连接方式为插入式连接；
23.所述调整所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板可活动设置，在所述次生自反力结构上施加第一荷载，包括：
24.使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板保持水平；
25.将所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板插入基础杯口，并使得所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘及腹板与所述基础杯口的内壁面具有一定间隙，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘及腹板可活动设置；
26.计算所述第一荷载；
27.在所述次生自反力结构上施加所述第一荷载。
28.作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述再次调整所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板由可活动设置调整为固定设置，在所述次生自反力结构上施加第二荷载，包括：
29.在次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板与基础杯口的内壁面的间隙处填充凝固料；
30.待所述凝固料生成后，所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板均固定于所述基础杯口，以使所述次生自反力结构的两对称节点处的翼缘和腹板由可活动设置调整为固定设置；
31.计算所述第二荷载；
32.在所述次生自反力结构上施加所述第二荷载。
33.作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第一荷载及所述第二荷载为均布荷载、集中荷载、线荷载和/或位移荷载。
34.与传统技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
35.本实施例提出了一种次生自反力结构的加载及节点连接方法，通过调整次生自反力结构的两对称节点处的翼缘及腹板的连接状态，使其具有可活动设置和由可活动调整至固定设置两个状态，然后分别对应两个状态施加第一荷载及第二荷载。采用本发明的方法，主要是将次生自反力结构的两对称节点处的状态分阶段生成，并且将其所承受的全部荷载对应分阶段施加，这样，能够利用分阶段产生的受力，使得次生自反力更加均匀，从而使得次生自反力结构的支承体受力性能更好，能够充分发挥其性能，提高经济性，同时也能够得到更加准确真实的受力分析数据，从而避免对结构可行性的误判。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明实施例公开的一种次生自反力结构的加载及节点连接方法的流程图；
38.图2是本发明实施例公开的腹板及翼缘采用螺栓初拧连接可发生滑移的示意图；
39.图3是本发明实施例公开的腹板及翼缘采用螺栓初拧连接可发生转动的示意图；
40.图4是本发明实施例公开的腹板及翼缘采用螺栓拧紧连接不再发生滑移的示意图；
41.图5是本发明实施例公开的腹板及翼缘采用插入式连接时可发生滑移的示意图；
42.图6是本发明实施例公开的腹板及翼缘采用插入式连接时可发生转动的示意图；
43.图7是本发明实施例公开的腹板及翼缘采用插入式连接浇筑凝固料凝固生成后不再发生滑移的示意图；
44.图8是本发明案例公开的拱施加第一荷载的第一受力图；
45.图9是本发明案例公开的拱受第一荷载滑移的第二受力图；
46.图10是本发明案例公开的拱施加第二荷载的受力图；
47.图11是图8和图9叠加后的受力图；
48.图12是图10和图11叠加后的受力图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、
“
中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
51.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
52.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
54.本发明实施例公开了一种次生自反力结构的加载及节点连接方法，其加载方式经济合理可靠，连接方法简单，有利于施工及推广使用。
55.以下进行结合附图进行详细描述。
56.请参阅图1，本发明提供了一种次生自反力结构的加载及节点连接方法，次生自反力结构的构件包括翼缘和腹板，方法包括
57.101、调整次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板可活动设置，在次生自反力结构上施加第一荷载。
58.在本实施例中，次生自反力及次生自内力是指方向与荷载方向不同，往往垂直，与荷载无关的成对自平衡反力及内力。次生自反力结构可为拱、拱架这类的在其两对称节点连接处存在自反力的构件。以拱为例，拱结构一般分为三种类型：无铰拱、双铰拱以及带拉杆双铰拱。拱架结构可看作拱结构的下方安装柱子后的结构。
59.进一步地，该次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接方式可为螺栓连接或插入式连接。
60.请一并参阅图2至图3，第一种可选的实施方式，该次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接方式为螺栓连接，则在上述步骤101中，具体可包括以下步骤：
61.1011、提供螺栓。
62.1012、在次生自反力结构的两对称节点处的腹板以及翼缘上设置螺孔。
63.其中，该螺栓10a可为地脚螺栓，该螺孔10b可为长条形螺孔，例如椭圆形孔或者是u形孔等等。以该次生自反力结构为拱为例，则该次生自反力结构的两对称节点处即为拱脚10水平截面的位置，因此，为了实现两对称节点处的腹板及翼缘能够沿水平方向发生滑移，该螺孔的长轴方向与该拱脚水平截面的水平滑移方向一致。
64.1013、将螺栓伸入螺孔并暂不拧紧，以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板可活动设置。
65.其中，该翼缘以及腹板可活动设置包括可相对转动以及沿水平方向可发生滑移两种方式。
66.在实际施工中，可将螺栓伸入螺孔内，安装到位，但不拧紧，在竖向荷载作用下，拱脚仅竖向位移受限，但可以沿着水平方向产生不大于该螺孔长轴尺寸的滑移，截面的两翼可以产生竖向相对位移，相当于截面能够转动。也就是说，此时，该两对称节点(例如支座)处于带有限位止挡装置的滑动铰支状态。即，此时，该其中一个支座处于沿水平方向可发生滑移的状态。
67.进一步地，另一支座的拱脚水平截面中轴线及其两翼中，位于中轴线部分连接的螺栓拧紧，此时，该中轴线上的竖向和水平方向均被完全限制，仅截面的两翼可以发生竖向相对位移。即，此时，该另一个支座处于可相对转动的状态。
68.例如，如图3所示，图3中的a处放大视图中，位于左侧的螺栓的螺母此时处于未拧紧状态，而位于右侧的螺栓的螺母此时已经拧紧。
69.也就是说，采用螺栓连接的方式，在施工时，仅需保持螺栓与螺孔之间暂不拧紧，从而两对称节点处的腹板和翼缘可发生水平方向的滑移以及转动，施工方式非常简单快捷。
70.1014、计算该第一荷载。
71.1015、在次生自反力结构上施加该第一荷载。
72.在本实施例中，次生自反力结构承受的总荷载为q，且该总荷载主要包括恒荷载和活荷载。具体地，恒荷载包括结构自重、楼板叠合层、楼板面层等，由工程结构做法确定。活荷载包括人员、设备等的荷载，由工程使用功能确定。也就是说恒荷载是由工程本身产生的，活荷载是由使用者产生的。当然，在环境因素的影响下，次生自反力结构还可能受到风荷载、地震荷载等动荷载的作用。在结构工程理论中，次生自反力结构所受到的这些类型的荷载具体数值可根据工程规范中规定的公式进行计算得到。
73.因此，该第一荷载可为均布荷载、集中荷载、线荷载和/或位移荷载，且该第一荷载为总荷载的部分荷载。
74.请一并参阅图5及图6，第二种可选的实施方式，该次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接方式为插入式连接，则上述步骤101中，具体包括以下步骤：
75.101a、使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板保持水平。
76.在本步骤中，依然以该次生自反力结构为拱为例，则次生自反力结构的两对称节点处则为拱脚20处，因此，保持腹板及翼缘水平，即相当于保持拱脚底面水平，以便于后续的施工。
77.101b、将次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板插入基础杯口，并使得次生自反力结构的两对称节点处的腹板以及翼缘与基础杯口的内壁面具有一定间隙，以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘及腹板可活动设置。
78.具体地，在实际施工中，该拱可为双铰拱，该拱的其中一个拱脚插入基础杯口20a时，可垫设一根顺拱脚底截面横轴线的水平圆棒20b，并保持拱脚的底面以及外周与基础杯口的内壁面具有该一定间距，且暂不浇筑凝固料20c固定。从而该拱脚仅竖向位移受限，但可以在该一定间隙内产生水平滑移和转动。
79.进一步地，该拱结构的另一个拱脚脚底截面，除顺横轴线外，在两翼缘两侧与基础杯口之间，均垫设横向水平圆棒，同时保持拱脚的底面以及外周与基础杯口的内壁面具有该一定间距，且暂不浇筑凝固料固定。则此时，该拱脚的竖向及水平位移均受限，只能产生
转动。
80.其中，垫设该横向水平圆棒的目的，一方面可使得拱脚的底面以及外周能够与基础杯口的内壁面具有一定间距及上述转动，另一方面，可利用该横向水平圆滚，在后续浇筑凝固料前，该横向水平圆钢也能对拱脚起到支承限位作用。
81.由此可知，对于拱结构而言，在此情况下，其可设置为其中一个拱脚可发生水平方向的滑移及转动，而另一个拱脚则只能发生转动。
82.101c、计算第一荷载。
83.101d、在次生自反力结构上施加该第一荷载。
84.102、再次调整次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板的连接状态，以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板由可活动设置调整为固定设置，在次生自反力结构上施加第二荷载。
85.请一并参阅图1及图4，如上述第一种可选的实施方式，该次生自反力结构的两对称节点处采用螺栓连接的方式。则该步骤102具体包括以下步骤：
86.1021、用螺栓将螺孔拧紧，从而以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板在竖向和水平位移以及转动均被限制，进而以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板由可活动设置调整至固定设置。
87.在本实施例中，在施加完第一荷载后的这一阶段，可将螺栓拧紧(实质上是将螺栓穿过设有螺孔的连接板，螺栓与螺孔拧紧)，使得次生自反力结构的两对称节点处的腹板及翼缘在竖向和水平位移以及转动均被限制，进而以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板不再活动，转为固定设置。
88.1022、计算第二荷载。
89.1023、在次生自反力结构上施加第二荷载。
90.在本实施例中，第二荷载与第一荷载一样，均可为均布荷载、集中荷载、线荷载和/或位移荷载。由于第一荷载与第二荷载之和等于总荷载，因此，在计算第二荷载时，可根据前述已经计算的第一荷载以及总荷载进行计算。
91.请一并参阅图1及图7，作为第二种可选的实施方式，该次生自反力结构的两对称节点处采用插入式连接的方式。则该步骤102具体包括以下步骤：
92.102a、在次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板与基础杯口的内壁面的间隙处填充凝固料。
93.本步骤的目的是将翼缘、腹板固定于基础杯口内。具体地，在实际施工中，同样以拱结构为例，在拱结构的脚底以及基础杯口的内壁面与翼缘和腹板处的间隙浇筑凝固料。
94.102b、待凝固料生成后，次生自反力结构的两对称节点处的翼缘以及腹板均固定于基础杯口，以使次生自反力结构的两对称节点处的翼缘和腹板由可活动设置调整至固定设置。
95.也就是说，在凝固料凝固生成后，该拱结构的两拱脚的竖向位移、水平位移以及转角均受限，从而不可活动，而是被固定住。
96.102c、计算第二荷载。
97.102d、在次生自反力结构上施加第二荷载。
98.103、基于施加的第一荷载，计算次生自反力结构的第一受力，以及基于施加的第
二荷载，计算次生自反力结构的第二受力，叠加该第一受力及第二受力，得到目标作用力。
99.在本实施例中，目标作用力即是次生自反力结构在两种不同的连接状态下受到的不同荷载的不同作用力的集合。
100.也就是说，采用本发明实施例一的方案，主要是将次生自反力结构原本需承受的总荷载分不同连接状态且分为不同的阶段进行施加，从而能够利用两个不同阶段下，次生自反力结构受到的作用力不同而使得次生自反力结构的整体受力有所改善，有效均化次生自反力结构的受力。
101.下面将以具体案例详细说明采用本实施例的目标作用力的计算过程。
102.下面以拱结构为例，详细说明本发明的方法中该次生自反力结构的受力过程。
103.以该拱结构的其中一个支座为“带有限位止挡装置”的“滑动铰支”，另一个支座为固定铰支，并对拱结构施加部分均布竖向荷载q1(即第一荷载)，在第一荷载q1作用下，支座发生转动角位移的同时，可以产生滑动线位移。支座不产生水平推力和弯矩。
104.该发明拱结构在这个阶段的受力变形，可以理解为传统两铰拱发生两部分独立受力变形的叠加。第一部分为两铰拱受第一荷载q1作用而产生的受力变形(图8)，第二部分为两铰拱受拱脚相对支座强迫滑移δ1作用而产生的受力变形(图9)。其中，强迫滑移δ1，就是第一荷载q1作用下，被柱子刚度阻止的拱脚滑移。
105.第一部分计算如下：
106.如图8所示，在第一荷载q1作用下，两铰拱的支座推力为两铰拱支座(支座两端两对称节点分别为a、b)弯矩m
a21a
以及m
b21b
为零，跨中(支座跨中两对称节点为c)弯矩为(其中，m
c21a
为无铰拱在第一荷载q1作用下产生的跨中弯矩)。与这部分第一荷载q1作用于固支状态无铰拱产生的弯矩图相比较，相当于把这部分荷载作用下的较大支座弯矩m
a21a
消除了，并使跨中弯矩有所增加，从而引起全载弯矩的均化。
107.第二部分计算如下：
108.如图9所示，两铰拱支座发生相对位移δ
11
，该支座位移产生反向水平推力h
δ11
：
[0109][0110]
因为强迫滑移δ
11
，就是荷载q1作用下，被柱子刚度阻止的拱脚滑移。所以，强迫滑移δ
11
的相应强迫作用h
δ11
，就是在第一荷载q1作用下，支座对拱脚的阻止推力h
11
之反向牵引力。即：
[0111]
h
δ11
＝h
11
[0112][0113]
则：
[0114]
[0115][0116]
也就是说，在支座位移δ
11
的作用下，不仅抵消了第一荷载q1作用下产生的支座水平推力，同时还使跨中正弯矩有所增加。与受全部荷载作用下的无铰拱相比，第一荷载q1和δ
11
同时作用于两铰拱，使得支座推力部分消除，支座弯矩有所降低的同时，只要跨中弯矩不至于增加到大于无铰拱的支座弯矩，就比无铰拱的全跨弯矩有所均化。
[0117]
如图10所示，在第二阶段固支状态，施加其余部分荷载，即第二荷载q2，第二阶段其实就是传统的两端固支无铰拱，也就是这部分荷载产生的弯矩分布与传统阶段相同而未变。
[0118]
利用结构理论的叠加原理，将第一阶段支座水平推力和弯矩消失、跨中弯矩有所增加的内力图(图8、图9)叠加，得到第一阶段全图(图11)，与其余荷载的未变弯矩图(图10)叠加，得到分阶段加载的全载弯矩图(图12)，其弯矩较为均化。
[0119]
即，采用本发明的方案，对于支座两端弯矩m
a
以及m
b
而言，其大大小于传统的无铰拱的支座两端弯矩m
aa
，m
bb
，本发明的跨中弯矩m
c
同样小于传统的无铰拱的跨中弯矩m
ca
。
[0120]
荷载分阶段施加于不同支座状态进行水平推力消减及弯矩均化的程度取决于q1占全部荷载q的比例。
[0121]
由此可知，采用本发明的方案，对于拱架而言，其分状态形成两对称节点刚度，分状态施加荷载的效果，与水平推力及弯矩图相对较为均好的无铰拱架进行比较，作为控制性内力的水平推力的确大大消减，甚至消失；相应内力弯矩有所均化，峰值锐减。其消减及均化的程度，取决于q1占全部荷载q的比例。
[0122]
采用本发明提供的次生自反力结构的加载及两对称节点连接方法，通过分阶段分状态施加荷载，能够弱化构件的水平推力，同时，由于分阶段分状态施加荷载，能够达到均化跨中的弯矩分布的目的。如此，控制性剪力(即两对称节点推力)消减甚至消除，两对称节点断面比传统的有所减小，节省材料，降低防腐防火等保护措施费用，降低造价；还可以减轻自重，提高抗震能力，全面改善受力变形性能，提高安全性；采用本发明提供的方法可以得到构件较为真实可靠的受力数据，减少对结构可行性的误判，为工程结方案的实施提供了方向，可使无法满足的建筑方案得以实现。
[0123]
另外，采用本发明的方法，在对次生自反力结构的状态进行调整时，可采用螺栓连接或者是插入式连接的方式，可作为备选的替补施工方案。
[0124]
以上对本发明实施例公开的一种次生自反力结构的加载及节点连接方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。