力矩分配法

用一般的力法或位移法分析超静定结构(见杆系结构的静力分析)时,都要建立和解算线性方程组。如果未知数目较多,计算工作将相当繁重。H.克罗斯于1930年在位移法的基础上,提出了不必解方程组而是逐次逼近的力矩分配法。
- 中文名 力矩分配法
- 外文名 momentdistribution method
力矩分配法
以位移法为基础的一种数值渐近方法,是美国H.克罗斯于1932年发表的,主要用于杆系刚结结构(如连续梁和刚架)的受力分析。
设想将结构承载后能产生位移的节点(杆件的连接点)用相应的假想约束固定,在假想约束处就产生不平衡力矩(或力),然后逐个放松附加约束,消除不平衡力矩(或力),恢复真实变形状态。若首先放松节点i的附加约束,则i点的不平衡力矩Mi就会使刚结于i点的所有杆件变形,不平衡力矩Mi随即消失,这就是把Mi分配给节点i备杆件的近端,而各杆件远端由于受到i端分配力矩的影响也得到一定的力矩,前者称为分配力矩,后者称为传递力矩。然后再将节点i固定住。在消除同节点i相邻的节点j的不平衡力矩时,节点i得到了节点j端传来的力矩,以此作为i节点新的不平衡力矩,再次放松约束,将不平衡力矩分配给节点i各杆的近端。如此循环进行,直到各点不平衡力矩都趋于零为止。循环中,节点i处第k个杆的分配力矩为Mik=-μikMi,其中分配系数,Kik为第k个杆的弯曲刚度,表示连接于节点i处所有杆的弯曲刚度的总和。第k个杆在i端分配到的力矩对远端(即节点k)的影响就是传递力矩,它等于CikMik,其中Cu称为传递系数,其值为:
循环计算完毕后,将各杆端各次的分配力矩、传递力矩和最初的不平衡力矩(称为固端力矩)相加,即得各杆端的实际力矩值。此法适用于计算连续粱和无侧移刚架。
数学原理
具有四根等截面杆的刚架(图a,图中i代表各杆的线性刚度,i=EI/l,E为材料的弹性模量,I为杆件的截面惯性矩,l为杆长),若在点O作用一外力矩MO,使结点O发生单位转角嗘0=1,则结构的变形如图a虚线所示,相应的弯矩图如图b(转角及弯矩均以顺时针方向为正。习惯上把每一杆件的转动端称为近端,另一端称为远端)。由图可看出,作用于点O的力矩MO将由各杆近端共同承担,并传递到远端。各杆的远端弯矩与近端弯矩之比称为该杆的传递系数C,对于等截面杆,它仅与远端的支承情况有关。各杆的传递系数分别为CO1=1/2,CO2=0,CO3=-1,CO4=0。


根据静力平衡原理,MO应等于各近端弯矩之和,即MO=4i1+3i2+i3,如图c。杆端发生单位转角时的近端弯矩称为该杆的转动刚度Ki,各杆转动刚度之和 ∑Ki称为结点O 的转动刚度。图中任一杆的近端弯矩可表

因子 Ki/∑Ki称为分配系数Di。它表明当点O受到MO作用时,i杆所分配到的力矩与该杆转动刚度Ki对结点O转动刚∑Ki的比值有关。由此可知,点O 受任一确定的外力矩M作用时,任一杆的近端弯矩为MiO=DiM;远端弯矩为MiO=CiMOi=CiDiM。
基本思路
①固定结点,在结点O上加一刚臂控制转动,分别求出各杆端由荷载产生的固端弯矩,作用于一结点上的各杆固端弯矩的代数和称为不平衡力矩;
②放松结点,取消本不存在的刚臂,让结点转动,将不平衡力矩按各杆的分配系数求得各杆的分配力矩;
③传递力矩,按分配力矩和各杆的传递系数向各杆远端传递,得各传递力矩。循此规则,分配、传递、反复计算,直至得到足够精度的杆端力矩数值为止。
最后,杆端力矩等于固端力矩、分配力矩、传递力矩之和。
对于有侧移刚架,也可以应用由力矩分配法发展出来的方法计算,如无剪力分配法计算单跨刚架、附加剪力平衡方程的力矩分配法等,但其应用范围受到限制或不很方便,所以对于一般有侧移刚架,常采用迭代法。
