由基本截面插入形成复杂复合截面的方法 【技术领域】
本发明涉及一种复合截面的处理方法，具体是一种由基本截面插入形成复杂复合截面的方法，属于土木建筑工程技术领域。
背景技术
工程中大量采用型钢混凝土、钢管混凝土、钢-混凝土叠合梁等构件。这些构件包含两类以上的不同材料，并且由两个以上基本截面组成。这类构件不同于单一材料组成的截面，在结构有限元计算中需要专门处理。在其它建筑结构有限元计算软件中，针对一些常用的复合截面设置截面类型库。使用时可以调整各截面参数，但除这些参数外，截面类型是确定的，不能改变。
经对现有技术的文献检索发现，李云贵等在《建筑科学》1995年第2期上发表的论文“一个新的高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE”，该文所介绍的分析软件SATWE即采用上述方法。这种针对常用复合截面设置截面库的处理方法，存在两方面缺点：1、即便是常见的复合截面，其类型种类也很多。开发计算软件时，针对每种复合截面均需要有相应的参数设置界面(如对话框)，才能使用户正常使用。导致软件开发的工作量非常大。2、随着建筑结构的发展，一些特殊的、不规则的复合截面类型大量出现。由于截面库中的复合截面类型数是有限的，并且已有复合截面只能调节尺寸、不能改变基本形状，将不能满足这些特殊截面地计算要求。
在实际的结构中出现的一些非常规复合截面，如超出软件已有截面库的范围，只能将这些截面进行简化处理。实际上，正是有特殊的受力要求，才会有这些特殊的截面类型。简化后复合截面不能反应实际截面的特点，将不能有效反应结构的受力情况，使计算结果有很大的近似性，从而影响结构设计的可靠性。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有复合界面有限元处理方法的不足，提出一种由基本截面插入形成复杂复合截面的方法，使其不但能大幅度减小软件开发工作量，而且能适应任意复杂、特殊类型复合截面的处理要求。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将复合截面拆分成数个相对简单的截面，而这些基本截面，也是有限元软件一般已经具备的基本截面定义，利用相对简单的基本截面，通过插入的方式形成各类复杂的复合截面。方法步骤如下：
(1)定义各类基本截面，并设定基本截面上一点为该基本截面的基准点。
(2)将复合截面分成两类：
A)包含式，其中第一个基本截面为外包截面，其它基本截面包含于外包截面。
B)拼接式，各基本截面相互不包含。
(3)定义复合截面的局部坐标系2轴、3轴，其中2轴为水平轴，3轴为竖直轴。
(4)将基本截面以其基准点为基准，按如下参数插入到复合截面中，通过这些参数的组合，即可定义任意形状的复合截面：
A)基本截面基准点在复合截面局部坐标系中的2、3轴坐标值(xi，yi)；
B)基本截面绕本身基准点的转角α；
C)基本截面绕本身基准点翻转标志(翻转，或不翻转)；
D)基本截面的材料。
(5)计算符合截面的几何、物理参数。具体方法如下：
EIx=Σi=1nEi′(Ii,x′+Aiyi2)]]>
EIy=Σi=1nEi′(Ii,y′+Aixi2)]]>
EA=Σi=1nEi′Ai]]>GAx=Σi=1nGi′Aix]]>GAy=Σi=1nGi′Aiy]]>
Iix′＝Iixcos2α+Iiysin2α Iiy′＝Iixsin2α+Iixcos2α
其中：α为基本截面的转角。基本材料的计算弹性模量E’，按下面确定：
包含式截面中的非外包基本截面：Ei′＝Ei-E1，Gi′＝Gi-G1，(i＞2)
包含式截面中的外包截面，拼接式各截面：Ei′＝Ei，Gi′＝Gi
基本截面考虑转角后，另有惯性矩的偶联分量Iixy′＝(Iix-Iiy)sinαcosα，当基本截面对称、或基本截面不对称但复合截面总体对称时均为0，其它情况下为小量，可以忽略。
根据上述系列公式，即可进行有限元计算，得到结构构件的内力。在各类工程结构中，还需根据内力进行构件的后处理验算。如型钢混凝土的配筋计算，格构钢构件的强度稳定验算，这些验算需根据相应的技术标准、规范进行。
本发明方法确定的复合截面在后处理验算时，可以在程序判断的基础上结合用户判断确定截面类型和验算参数。如包含式复合截面，外包截面为混凝土、内部为钢，则可判断为型钢混凝土。如拼接式复合截面中，基本截面全部为钢截面，则可能为格构式截面。在程序判断基础上，再提供对话框，用户确认或修改。这样对于常见情况可直接采用程序判断结果，减少用户的操作量；同时对于复杂截面用户可以干预调整，满足任意类型的需要，达到软件处理的多样性要求。
本发明有效减小了有关复合截面的软件开发工作量。因为基本截面的类型数是有限的，且相关软件都已经具备基本截面的定义。本发明利用已有的基本截面拼接、复合成复合截面，在软件实现上只需一个界面即可。
本发明适应任意类型复合截面的处理。基本截面根据基准点坐标、旋转角度、翻转标志、材料，能复合成任意形状的复合截面。对各种可能的复杂、特殊截面，均可以如实地、不作简化地进行计算。本发明极大地扩充了结构有限元计算软件的功能。也为复杂、特殊建筑结构的科学、合理的设计提供了有力的工具。
本发明方法是一个系统、完整的方法，针对有限元计算的前处理、计算、后处理都有完善的处理措施。
【附图说明】
图1本发明实施例中特殊、复杂的复合截面
图1中(a)、(b)、(c)为包含式截面，(d)、(e)、(f)为拼接式截面。
图2本发明插入法形成复合截面各参数图示
图3本发明插入法形成复合截面的软件实施对话框
图4本发明后处理附加参数设置软件实施对话框
【具体实施方式】
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图及具体的实施例作进一步描述。
如图1所示，图中各截面均为在实际工程中出现过的特殊、复杂的复合截面，结合该图可更好地理解本发明包含式、拼接式两种类型的意义。
图1中a、b、c为包含式截面，其中外包截面为混凝土截面，内部为钢截面，完全包含在混凝土截面之中。其中截面c外围有环形钢截面，环形内包圆形混凝土截面，但在定义截面时，设内部圆形截面的直径与环形外径相同，则环形仍被包含于圆形截面。
图1中d、e、f为拼接式截面。截面d为矩形混凝土截面外包角钢加固截面。截面e为钢-混凝土叠合梁截面，上部长方形为混凝土板，下部拼接槽钢。截面f为方钢管内接十字加强肋截面，十字肋在方钢管内部空腔中，仍为拼接式截面。
如图2所示，为本发明插入法各参数的意义图。
图中水平轴2轴、竖直轴3轴为复合截面的局部坐标系。图中L形基本截面的拐角点为该截面的基准点，其坐标值(xa，ya)为该基准点在复合截面局部坐标系中的坐标值。
L形基本截面本身也有局部坐标系(2a，3a)，一般与复合截面局部坐标系平行，如该图所示是按α角度插入后的旋转结果。
如基本图形插入时需要翻转，则将L形基本截面按图中“翻转轴”进行翻转。
如图3所示，为本发明在计算机上编程实现的对话框图。
首先是复合截面包含式、拼接式两种类型选项。其次，通过“基本截面”按钮调用软件已有的基本截面，通过“材料”按钮调用软件已有的材料参数(直接调用已有参数，不需额外的软件编程工作)。再次，外提供编辑框，输入基本截面插入坐标、插入角度、翻转标志。
选择好基本截面，并设置好相关参数后，点“插入基本截面”按钮，基本截面即插入到底部小列表中。对话框具有图形显示框，动态显示基本截面插入后的图形。鼠标选择小列表中的一个基本截面，相应图形颜色变亮，同时显示该基本截面的各参数，便于检查。如双击小列表，则删除相应基本截面。
对话框右侧主列表显示已经设置好的各复合截面。新的复合截面设置好后，点“添加”按钮，即添加到列表尾部。也可以在主列表中选择一个已经输入的复合截面，该截面的参数显示在右侧的小列表、图形框中，并显示各参数，可以进行修改，修改后按“确认修改”按钮，修改后的参数即可保存。
如图4所示，为本发明附加参数程序实现对话框。
右侧主列表为各复合经程序初步判断后的截面类型，及相应参数。选中列表中的一个复合截面，即可在对话框右侧各项中修改该复合截面的类型，以及轴压类型、塑性发展系数、对称性等附加参数。
以下为具体的实施例：
实施例1、一个型钢斜向相交的特殊型钢混凝土截面
复合截面类型：包含式。由下表3个基本截面组成，得到的复合截面见图1(a)。 序号 基本截面 插入点 转角 材料 翻转标志 1(外包) 矩形(0.6m×0.6m) (0，0) 0 砼C40 不翻转 2 工字钢(I45a) (0，0) 0 钢Q235 不翻转 3 工字钢(I45a) (0，0) 60 钢Q235 不翻转
实施例2、一个特殊的型钢混凝土巨型框架柱截面
复合截面类型：包含式。包含下表3个基本截面，得到的复合截面如图1(b)所示。 序号 基本截面 插入点 转角材料 翻转标志 1(外包) 矩形(5m×1.5m) (0，0) 0砼C50 不翻转 2 焊I(1×1×0.03×0.03) (-1.5，0.5) 0钢Q345 不翻转 3 焊I(1×1×0.03×0.03) (1.5，0.5) 0钢Q345 不翻转
实施例3、一个内部十字钢板加强的特殊钢管混凝土截面
复合截面类型：包含式。由下表4个基本截面组成，得到的复合截面见图1(c)。 序号 基本截面 插入点 转角 材料 翻转标志 1(外包) 圆形(D＝1.0m) (0，0) 0 砼C50 不翻转 2 环形(1.0m×0.01m) (0，0) 0 钢Q345 不翻转 3 矩形(0.7m×0.01m) (0，0) 0 钢Q345 不翻转 4 矩形(0.7m×0.01m) (0，0) 90 钢Q345 不翻转
实施例4、一个包角钢加固柱截面
复合截面类型：拼接式。包含下表5个基本截面，得到的复合截面如图1(d)所示。 序号 基本截面 插入点 转角材料 翻转标志 1 矩形(0.8m×0.8m) (0，0) 0砼C30 不翻转 2 角钢(L160×14) (-0.41，-0.41) 0钢Q345 不翻转 3 角钢(L160×14) (0.41，-0.41) 90钢Q345 不翻转 4 角钢(L160×14) (0.41，0.41) 90钢Q345 翻转 5 角钢(L160×14) (-0.41，0.41) -90钢Q345 不翻转
实施例5、一个槽钢拼接的叠合梁截面
复合截面类型：拼接式。包含下表3个基本截面，得到的复合截面如图1(e)所示。 序号 基本截面 插入点 转角材料翻转标志 1 矩形(1.5m×0.12m) (0，0) 90砼C30不翻转 2 槽钢(C36b) (0.005，-0.28) 0钢Q235不翻转 3 槽钢(C36b) (-0.005，-0.28) 0钢Q235翻转
实施例6、一个方钢管内部十字肋板加强柱截面
复合截面类型：拼接式。包含下表3个基本截面，得到的复合截面如图1(f)所示。 序号 基本截面 插入点 转角材料 翻转标志 1 框(0.6×0.5×0.01) (0，0) 0钢Q345 不翻转 2 矩形(0.012×0.58) (0，0) 0钢Q345 不翻转 3 矩形(0.012×0.48) (0，0) 90钢Q345 不翻转
以上6个特殊复合截面，都是在实际工程中出现的、并且现有软件无法有效处理复合截面类型。从实施例可看出，本发明通过基本截面拼接成复合截面的方法，不但能有效计算这些特殊截面，而且操作过程简洁、直观。