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构件重要系数在桁架体系中的运用
摘要:本文针对桁架结构,提出一种基于结构承载力变化的构件重要系数,用
于对桁架结构构件的重要程度进行评估。该系数在计算过程中可以反映由不同构
件失效所导致的失效场景和构件间的拓扑关系。算例表明该系及其与结构拓扑关系的联系。
3 构件重要系数计算方法
外荷载的分布影响结构的承载力,从而影响构件重要系数。因此,当评估一根构件的重
要程度时,前提需在一个具体荷载的作用下。对桁架施加增量荷载可以得到桁架的最终承载
力以及失效场。为简化分析,做如下三条假定:
1)所有的桁架构件均为脆性构件,对于单个构件,其极限抗拉承载力和极限抗压承载力
相等。当构件的轴力达到其极限抗拉(压)承载力时,该构件失效并被移除;
2)受压构件不考虑受压失稳;
3)构件移除均为概念移除,换言之,对构件失效时的动力效应不予考虑。
据式(1),构件重要系数计算主要在于计算完好结构和损伤结构的承载力。假定桁架结构
由 n 个构件组成,构件 i 的极限抗压(拉)承载力记为 Nimax,则桁架结构的构件重要系数
计算流程图如图(2)。
3 算例
如图 3 所示,三个算例桁架分别记为 A、B、C,各桁架的荷载工况均相同,设计参数见
表 1,所有构件均为脆性构件,截面均为圆形,弹性模量E=200000Mpa,fy=240Mpa。对于桁架 A,当 F 增加至 kN 时,构件 1 失效。移除构件 1,维持 kN,荷载重
分布使得构件 3、5 失效。结构形成机构并倒塌。构件 1、3 对结构非常重要(),为结构
中的关键构件。构件 1 的失效导致第一层的其他构件失效,并引发了结构的整体倒塌,倒塌
时第二层的构件并未破坏。这种失效模式非所期望的理想模式,故桁架 B 增强了局部抗力[ ],
桁架 C 加强了冗余度。
对于桁架 B,构件 1、3、4 和 5 截面得到了不同程度加强。当 F 增加至 kN 时,构
件 9 失效,继而引发了构件 7、8 和 10 的接连失效,导致了结构第二层形成机构。分析以第
二层形成机构结束,而第一层保持完好。较之桁架A,桁架 B 的第一层构件重要系数变化不
大,而由于失效场主要集中在第二层,第二层构件的重要系数有所增加。
对于桁架 C,其在桁架 A 基础上增加了两个跨越了第一层和第二层的对角支撑。当F 增
加至 kN 时,构件 1 失效,内力重分布使构件 3、6、5、8 和 9 相继失效,结构最终转
变为机构。较之桁架 A,增加的构件 11、12 为结构提供了备用传力路径,因而减小了第一层
构件的重要系数。此外,由于增加构件

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