吳 昊

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

力矩分配法是經(jīng)典位移法的一種派生方法，由Hardy Cross 于1930 年提出[1]，主要適用于連續(xù)梁和無側(cè)移超靜定剛架等，計(jì)算時(shí)采用與位移法相同的基本結(jié)構(gòu)，以桿端彎矩為目標(biāo)，通過逐次放松約束，逐步逼近精確解，而且由桿端累計(jì)分配彎矩能夠方便地估算結(jié)點(diǎn)角位移，概念直觀，方法實(shí)用，適于手算，目前在中小型結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)、定性分析和電算結(jié)果校核等場(chǎng)合仍發(fā)揮重要作用。電算技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)分析方法的精度和效率提出更高要求，研究表明[2]，力矩分配法是增量形式的Jacobi 迭代法在求解位移法線性方程組中的應(yīng)用，收斂性好，但用于多結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)時(shí)只能得到漸近解，與結(jié)構(gòu)力學(xué)的精確解不相符，且計(jì)算輪數(shù)一般不低于兩輪。

萬度[3]采用修正的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)對(duì)敞口剛架和連續(xù)梁的力矩一次分配法進(jìn)行了研究，該方法可簡(jiǎn)化力矩分配法的計(jì)算過程。劉茂燧等[4]以多跨連續(xù)梁作為單元，通過推導(dǎo)連續(xù)梁桿端轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)遞推公式，經(jīng)過一次分配即可得到任意跨連續(xù)梁桿端彎矩精確解。Dowell[5]根據(jù)桿端分配彎矩和傳遞彎矩的計(jì)算特點(diǎn)，基于收斂無窮幾何級(jí)數(shù)取極限的方法得到了力矩分配法求解一般連續(xù)梁和無側(cè)移剛架結(jié)構(gòu)的閉合解公式。劉天一等[6]利用等比數(shù)列求和的方法，推導(dǎo)了含有3 個(gè)剛結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)桿端彎矩的力矩分配法精確計(jì)算公式。朱曉江等[7]提出了力矩分配法的方程解法，將力矩分配法的漸近計(jì)算過程轉(zhuǎn)化為求解以各結(jié)點(diǎn)歷次分配力矩代數(shù)和為未知量的方程組，從而得到桿端彎矩精確解。以上研究對(duì)于完善多結(jié)點(diǎn)力矩分配法的應(yīng)用具有重要意義，但計(jì)算過程相對(duì)繁瑣，且對(duì)于一般多結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)缺少廣泛適用性。

本文在傳統(tǒng)力矩分配法基礎(chǔ)上提出一種以分配結(jié)點(diǎn)為約束對(duì)象、分層移除結(jié)點(diǎn)約束的計(jì)算策略，在不求解聯(lián)立方程條件下建立外載荷與桿端彎矩精確解之間的直接聯(lián)系，可為進(jìn)一步考慮受彎桿軸向和剪切變形影響以及開展有側(cè)移結(jié)構(gòu)力矩分配法精確解研究等提供參考。

1 基本思路

多結(jié)點(diǎn)力矩分配法應(yīng)用的關(guān)鍵在于選取合理的放松策略以及確定相應(yīng)的力矩分配系數(shù)和傳遞系數(shù)，為保證結(jié)點(diǎn)放松時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)已知，傳統(tǒng)力矩分配法要求相鄰結(jié)點(diǎn)不同時(shí)放松且力矩分配與傳遞完成后將結(jié)點(diǎn)在變形后的位置上再次固定，繼續(xù)放松相鄰結(jié)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的傳遞彎矩會(huì)使固定結(jié)點(diǎn)再次獲得彎矩增量即新的結(jié)點(diǎn)不平衡力矩，相當(dāng)于每次放松結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)或一組不相鄰剛結(jié)點(diǎn)滿足力矩平衡，由此可知，這種輪流放松結(jié)點(diǎn)的策略雖然能使結(jié)點(diǎn)不平衡力矩不斷減小，但有限次循環(huán)內(nèi)無法將其完全消除。

結(jié)點(diǎn)不平衡力矩產(chǎn)生的根本原因在于結(jié)點(diǎn)附加約束和結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)變形，如果采取將附加約束移除的去約束方式，即結(jié)點(diǎn)放松后保持放松狀態(tài)至計(jì)算結(jié)束，繼續(xù)放松其他結(jié)點(diǎn)過程中已放松結(jié)點(diǎn)能夠時(shí)時(shí)處于平衡狀態(tài)，傳遞彎矩會(huì)使已放松結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角增量，但不會(huì)在其中引起新的不平衡力矩，當(dāng)放松最后一個(gè)或一組結(jié)點(diǎn)時(shí)，所有結(jié)點(diǎn)變形完全恢復(fù)至最終平衡位置，基本體系與原結(jié)構(gòu)的差異全部消除。因此，與單結(jié)點(diǎn)力矩分配法一樣，所得桿端彎矩為精確解。以下結(jié)合圖1(a)所示受一般載荷作用的連續(xù)梁進(jìn)行說明。

圖1 兩結(jié)點(diǎn)力矩分配法計(jì)算示意

上述計(jì)算過程可總結(jié)為分配結(jié)點(diǎn)不平衡力矩反號(hào)后經(jīng)分配與傳遞使結(jié)點(diǎn)連續(xù)進(jìn)入平衡狀態(tài)，各桿端通過結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)變形獲得彎矩增量。放松結(jié)點(diǎn)1 時(shí)，因遠(yuǎn)端結(jié)點(diǎn)2 處于放松狀態(tài)，桿端轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)均未知，有必要推導(dǎo)相應(yīng)的計(jì)算公式。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和約束剛度、分配系數(shù)和傳遞系數(shù)

等直桿AB轉(zhuǎn)動(dòng)剛度SAB定義為A端發(fā)生單位轉(zhuǎn)角時(shí)引起的A端彎矩，其大小與桿件線剛度i=EI/l和遠(yuǎn)端支承情況有關(guān)，遠(yuǎn)端結(jié)點(diǎn)固定以及遠(yuǎn)端只與基礎(chǔ)相連的無側(cè)移桿轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為常數(shù)，當(dāng)遠(yuǎn)端為可動(dòng)剛結(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)點(diǎn)受力變形過程中其他匯交桿由于變形協(xié)調(diào)會(huì)產(chǎn)生約束作用，這種彈性約束可采用轉(zhuǎn)動(dòng)彈性支座進(jìn)行等效，彈性支座轉(zhuǎn)動(dòng)剛度系數(shù)可由同一剛結(jié)點(diǎn)其他匯交桿（以下稱結(jié)點(diǎn)余桿）轉(zhuǎn)動(dòng)剛度進(jìn)行計(jì)算并定義為約束剛度，記作kr，反映結(jié)點(diǎn)余桿對(duì)桿端轉(zhuǎn)動(dòng)的約束作用大小。單剛結(jié)點(diǎn)（如連續(xù)梁剛結(jié)點(diǎn)等）的約束剛度即相應(yīng)的桿端轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。

遠(yuǎn)端為轉(zhuǎn)動(dòng)彈性支座且約束剛度kr的等直桿AB近端A發(fā)生單位轉(zhuǎn)角時(shí)的桿端彎矩，即形常數(shù)可由位移法或單結(jié)點(diǎn)力矩分配法進(jìn)行計(jì)算，如圖2 所示。

表1 等直桿轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)

圖2 遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)動(dòng)彈性支承等直桿彎矩形常數(shù)

3 計(jì)算要點(diǎn)

本文所提出的力矩分配精確計(jì)算方法采用與傳統(tǒng)力矩分配法相同的桿端內(nèi)力符號(hào)和計(jì)算假定，但在基本結(jié)構(gòu)選取、放松約束的方式以及力矩分配系數(shù)和傳遞系數(shù)確定方面有所不同。

（1）固定結(jié)點(diǎn)

附加剛臂將結(jié)點(diǎn)臨時(shí)固定，施加載荷計(jì)算固端彎矩。需要強(qiáng)調(diào)的是，不平衡力矩Rip=0 的結(jié)點(diǎn)，如相連各桿均無載荷且無集中力偶作用的結(jié)點(diǎn)等，無論是否附加約束，基本體系中其轉(zhuǎn)角位移均為0，因而可不作為分配結(jié)點(diǎn)，即選取基本結(jié)構(gòu)時(shí)可只對(duì)不平衡力矩不為0 的結(jié)點(diǎn)附加約束，而不影響計(jì)算結(jié)果，將原結(jié)構(gòu)等效為遠(yuǎn)端固定、轉(zhuǎn)動(dòng)彈性、鉸支或滑動(dòng)等4 類基本桿件的組合。當(dāng)結(jié)構(gòu)中有懸臂、帶軸向支桿等彎矩靜定桿，或有對(duì)稱性可以利用時(shí)，先進(jìn)行必要簡(jiǎn)化。

（2）放松結(jié)點(diǎn)

為確保結(jié)點(diǎn)放松時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)已知或可計(jì)算，將所有分配結(jié)點(diǎn)劃分為若干計(jì)算層，其中，遠(yuǎn)端只與基礎(chǔ)相連桿件所連分配結(jié)點(diǎn)歸為首層，相鄰分配結(jié)點(diǎn)歸為新的一層，依次向內(nèi)分層，每層含1 個(gè)或多個(gè)分配結(jié)點(diǎn)。按照同層相鄰分配結(jié)點(diǎn)不同時(shí)放松但可間隔放松或依次放松、放松后不重新固定的原則，從首層結(jié)點(diǎn)（始結(jié)點(diǎn)）開始，由外向內(nèi)逐層移除結(jié)點(diǎn)約束，直到放松末層結(jié)點(diǎn)（終結(jié)點(diǎn)）。

始結(jié)點(diǎn)放松時(shí)，相鄰分配結(jié)點(diǎn)均處于固定狀態(tài)，可能有相鄰結(jié)點(diǎn)處于放松狀態(tài)；其他層結(jié)點(diǎn)放松時(shí)，至少有一個(gè)遠(yuǎn)端結(jié)點(diǎn)處于放松狀態(tài)；終結(jié)點(diǎn)放松時(shí)，所有結(jié)點(diǎn)全部處于放松狀態(tài)。各分配彎矩使相應(yīng)遠(yuǎn)端產(chǎn)生傳遞彎矩和轉(zhuǎn)角增量，其他匯交桿通過協(xié)調(diào)變形獲得彎矩增量，計(jì)算時(shí)將傳遞彎矩反號(hào)后按各匯交桿轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的比例分配，并繼續(xù)向同層和下一層相關(guān)放松結(jié)點(diǎn)傳遞和分配，經(jīng)過一系列的結(jié)點(diǎn)平衡后最終傳向支座。因此，分配彎矩向放松結(jié)點(diǎn)的傳遞過程為單向傳遞。

（3）疊加

將各桿端固端彎矩、分配和傳遞彎矩疊加得最終桿端彎矩，進(jìn)而用疊加法作彎矩圖。

4 算例

例1：用力矩分配法計(jì)算圖3 所示三跨連續(xù)梁。

解：該結(jié)構(gòu)具有2 個(gè)剛結(jié)點(diǎn)，采用傳統(tǒng)力矩分配法計(jì)算時(shí)，所有結(jié)點(diǎn)均作為分配結(jié)點(diǎn)，基本結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，從C結(jié)點(diǎn)開始，通過輪流放松結(jié)點(diǎn)進(jìn)行力矩分配與傳遞，主要過程及結(jié)果（計(jì)算三輪）列于表2 中，彎矩單位為kN·m。

表2 傳統(tǒng)力矩分配法計(jì)算

采用本文方法計(jì)算時(shí)，由載荷作用特點(diǎn)，可只取C結(jié)點(diǎn)作為分配結(jié)點(diǎn)，按單結(jié)點(diǎn)力矩分配法進(jìn)行處理，基本結(jié)構(gòu)見圖3（c），而且，因結(jié)點(diǎn)B處不平衡力矩為0，無需計(jì)算相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和分配系數(shù)。計(jì)算C結(jié)點(diǎn)處分配系數(shù)時(shí)，B結(jié)點(diǎn)處于放松狀態(tài)，由kr=SBA=EI分別代入式（1）和 式（2）可 得SCB=8EI/7 和CCB=0.25 ，SCD為已知，相應(yīng)的分配系數(shù)μ，傳遞系數(shù)C，固端彎矩MF，分配與傳遞彎矩等主要結(jié)果見表3所示，彎矩單位為kN·m，各桿端最終彎矩均為精確解。

表3 精確力矩分配法計(jì)算

對(duì)比表2 和表3 可知，傳統(tǒng)力矩分配法盡管分配系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單、傳遞系數(shù)為常數(shù)，但過程繁瑣，計(jì)算量大，結(jié)果近似，而本文方法計(jì)算量小，結(jié)果精確。

例2：用力矩分配法計(jì)算圖4 所示六跨連續(xù)梁。

圖4 六跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)

解：由載荷作用特點(diǎn)，取全部結(jié)點(diǎn)作為分配結(jié)點(diǎn)并按順序分層，可選順序包括B→F（5 層）、F→B（5 層）和B→D←F（3 層）等，為減少力矩分配與傳遞次數(shù)，選B→D←F順序，即以結(jié)點(diǎn)D為中心將分配結(jié)點(diǎn)分為3 個(gè)計(jì)算層，結(jié)點(diǎn)B和F為首層，C 和E為第2 層，D為末層，同層分配結(jié)點(diǎn)均不相鄰，可同時(shí)放松，當(dāng)放松第2 層及末層結(jié)點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)需計(jì)算確定。轉(zhuǎn)動(dòng)剛度S，分配系數(shù)μ，傳遞系數(shù)C，固端彎矩MF，力矩分配和傳遞過程以及位移法結(jié)果等如表4 所示，彎矩單位為kN·m。

表4 六跨連續(xù)梁精確力矩分配法計(jì)算

由表4 可知，各層剛結(jié)點(diǎn)下方只有一條平衡線，即最終平衡時(shí)只經(jīng)歷一輪完整力矩分配和傳遞過程，結(jié)點(diǎn)約束全部移除，相應(yīng)的不平衡力矩全部消除，所得結(jié)果與位移法完全一致，為精確解。

例3：已知各桿EI為常數(shù)，用力矩分配法計(jì)算圖5 所示剛架，并作彎矩圖。

圖5 無側(cè)移超靜定剛架

解：由載荷作用特點(diǎn)，取所有剛結(jié)點(diǎn)作為分配結(jié)點(diǎn)并分為2 個(gè)計(jì)算層，結(jié)點(diǎn)A，C和E為首層，D為末層，其中，首層各結(jié)點(diǎn)均不相鄰可同時(shí)放松。由于E結(jié)點(diǎn)為復(fù)剛結(jié)點(diǎn)，D結(jié)點(diǎn)放松時(shí)的傳遞彎矩反號(hào)后按EF桿，EI桿的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度比例分配并向支座傳遞。具體計(jì)算過程和最終彎矩圖分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 力矩分配與傳遞計(jì)算過程

圖7 彎矩圖（單位：kN·m）

5 結(jié)論

（1）將分配結(jié)點(diǎn)依次分層并按照同層相鄰結(jié)點(diǎn)不同時(shí)放松、放松后不重新固定的原則逐層移除約束的計(jì)算策略，一方面能夠使各分配彎矩直接或通過已放松結(jié)點(diǎn)向支座傳遞，從而快速消除結(jié)點(diǎn)不平衡力矩，另一方面各分配結(jié)點(diǎn)只經(jīng)過一輪完整力矩分配和連續(xù)傳遞變形即恢復(fù)至最終平衡位置，結(jié)果精確，計(jì)算量小。

（2）按順序放松結(jié)點(diǎn)時(shí)，分配彎矩和向各放松結(jié)點(diǎn)的傳遞彎矩可由遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)動(dòng)彈性支承等直桿與約束剛度有關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和傳遞系數(shù)計(jì)算得到，公式形式簡(jiǎn)潔，便于應(yīng)用。

（3）各分配彎矩向放松結(jié)點(diǎn)的傳遞是以支座為終點(diǎn)的單向連續(xù)傳遞過程，傳遞彎矩使結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角增量，結(jié)點(diǎn)余桿通過協(xié)調(diào)變形獲得彎矩增量，計(jì)算時(shí)將傳遞彎矩反號(hào)后按結(jié)點(diǎn)余桿轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的比例分配并向相鄰結(jié)點(diǎn)傳遞和分配，直至支座。