弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。     

基于纤维模型叠合板式剪力墙非线性分析

考虑叠合板式剪力墙(SSSW)墙体截面弯曲变形、轴向变形及剪切变形对单元动力特性的影响,应用纤维模型模拟墙体弯曲与轴向变形相互作用的非线性滞回特性,通过剪切弹簧模型对剪切变形进行模拟。采用此模型对不同变幅加载路径下的4片不同配筋形式和轴压比的墙体进行数值模拟,并与拟静力试验结果进行对比。结果表明,考虑剪切变形的纤维模型可以较好地模拟SSSW的非线性特性,可以采用此模型进行SSSW结构弹塑性分析。     

基于截面轴力与弯矩屈服面本构积分的梁-柱单元

梁-柱单元模型是杆系结构有限元分析的基础,现有的塑性铰模型和纤维模型无法兼顾计算精度与效率。该文依托Euler-Bernoulli梁理论,并以塑性理论和数值方法为基础,选用截面组合思想构建截面的轴力与弯矩的屈服面,提出了在截面内力空间上基于轴力与弯矩屈服面进行截面本构积分的平面梁柱单元。通过一悬臂柱的静力弹塑性分析和框架柱的动力弹塑性分析算例,验证了所提出的截面轴力弯矩(NM)耦合单元模型,在计算精度上接近纤维模型,在计算效率上远高于纤维模型。     

静动力弹塑性分析的杆系离散单元计算理论研究

杆系离散单元法的现有研究成果均假定接触本构模型的切向弹簧仅用于描述剪力引起的纯剪切变形,这与弯曲梁理论下剪力引起的变形情况不相符。该文针对该问题重新定义了切向弹簧,并根据能量等效原理系统推导了不考虑或考虑剪切变形工况接触本构模型的切向接触刚度系数计算公式。在此基础上,提出了杆系离散单元精细塑性铰法以描述结构的塑性开展问题,推导了颗粒间的弹塑性接触本构模型。采用自编程序对两个大型网壳结构分别进行了静、动力弹塑性行为分析,验证了接触本构模型正确性和精细塑性铰法的适用性。该文将杆系离散单元法的基本计算理论系统化,并补充了杆系离散单元法的弹塑性计算理论,为结构静、动力分析提供了新思路。     

基于宏观单元的结构非线性分析方法、算例及工程应用

罕遇地震作用下结构和构件进入塑性阶段而会发生弹塑性损伤,正确的模拟结构进入非线性状态后的力学行为对评价结构的抗震安全性具有重要的意义。该文采用纤维单元及多弹簧单元等宏观单元对CFRP混凝土构件、预应力混凝土梁及剪力墙进行构件弹塑性分析,并与试验结果进行对比,表明宏观单元对混凝土构件弹塑性模拟的适用性。该文对采用纤维单元对足尺钢框架振动台试验进行数值分析,表明经过构件层次的力学行为校对后的纤维单元模型能准确预测结构在大震作用下的响应及倒塌前的破坏行为。通过大量算例结果和试验结果对比,说明基于宏观单元的非线性分析方法可以准确模拟整体结构与构件的非线性行为。最后通过两个工程实例说明了宏观单元可以应用于复杂工程整体结构非线性分析中,具有实际工程应用意义。     

三种非线性梁柱单元的研究及单元开发

罕遇地震作用下混凝土梁柱构件易进入塑性阶段而发生弹塑性损伤,正确地模拟结构进入非线性状态后的力学行为对评价结构的抗震安全性具有重要的意义.通过面向对象语言编制了基于宏观单元的结构弹塑性分析软件平台MESAP,增加了三种非线性梁柱单元:基于刚度法纤维单元、基于柔度法纤维单元及基于柔度法的塑性铰单元.通过算例分析三种非线性...     

组合构件双重非线性分析模型研究与应用

以超高层建筑中当前广泛应用的杆系组合构件为研究对象,采用三维空间梁单元对其进行复杂受力状态下的双重非线性分析。为贴近实际工程同时简化计算,首先根据有限元方法和最小势能原理建立单元考虑几何非线性的弹性切线刚度矩阵;然后通过划分截面广义应变将单元截面刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵与塑性刚度矩阵,在假定广义应变增量分布状态基础上,基于纤维模型法推导出单元塑性刚度矩阵;最后将考虑几何非线性的弹性刚度矩阵与塑性刚度矩阵集合成整体刚度矩阵,根据构件自身特性选取合理材料本构关系及数值计算方法进行构件非线性受力分析。数值分析结果表明,该文模型与方法概念清晰、计算精度高,还可应用于钢筋混凝土构件的受力性能非线性分析。     

火灾下钢筋混凝土梁非线性分析与寿命预测

火灾会导致钢筋混凝土性能退化,该文基于元胞自动机(Cellular Automata,CA)与纤维模型提出了一种用于火灾下钢筋混凝土梁非线性分析的方法。建立CA模型模拟了火灾中梁截面温度扩散演化过程,得到不同升温时间下截面各处的温度;引入损伤模型得到钢筋损伤因子-升温时间变化关系;将元胞自动机模型与纤维模型结合,对火灾下钢筋混凝土连续梁进行时变非线性分析。结果表明:CA模型能够有效模拟钢筋混凝土梁截面的温度扩散过程;引入的损伤模型可有效将钢筋损伤进行量化;编制的MATLAB计算程序可有效用于高温损伤后钢筋混凝土梁的非线性分析;CA模型与纤维模型的有效结合可分析钢筋混凝土梁的变形与承载力时变演化过程,并对其耐火寿命进行评估。该方法可为火灾下钢筋混凝土结构的耐火寿命预测与评估提供理论工具。     

采用自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析与易损性计算方法

地震易损性分析是评价工程结构抗震安全性的重要手段,但在计算过程中通常需进行大量的动力时程分析,这导致其计算效率通常较低。该文旨在建立框架结构强震下的高效动力分析与倒塌易损性计算方法。使用纤维梁单元建立框架结构数值分析模型,引入隔离非线性理论进行局部材料弹塑性行为模拟,并通过对考虑P-Δ效应的几何刚度进行矩阵分解和摄动变换,提出了能够同时对局部材料弹塑性行为和几何非线性行为进行隔离表达的纤维梁模型控制方程,结合Woodbury公式进行控制方程求解,所提方法在结构动力非线性分析时能够避免整体刚度矩阵的反复更新,显著提升了求解效率;为克服动力Woodbury公式对时间步长选取的限制,进一步建立不同时间步长下该公式中相关系数矩阵的预处理机制和自适应调度机制,提出了基于自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析方法,在此基础上结合多条带法,建立了结构倒塌易损性曲线的快速计算方法。使用一个9层框架结构验证了所提方法的高效性和准确性。     

基于等效层模型的静动力抗震分析及其在剪力墙减震设计中的应用

以某高层剪力墙结构为工程背景,基于等效层模型,将静力弹塑性方法与非线性时程分析方法相结合,对结构进行了消能减震分析。首先对结构三维空间模型进行了静力弹塑性分析,得到了结构的层间恢复力曲线。在此基础上,根据能量相等原则确定了等效三线型恢复力模型,建立了结构等效弹塑性层模型,进行了弹塑性时程分析,并研究了非线性粘滞流体阻尼器对高层剪力墙结构在罕遇地震作用下反应的振动控制。分别对减震前后剪力墙结构在EL CENTRO波、唐山波和人工波作用下的整体反应进行了分析和评估。研究结果表明,采用静动力综合抗震分析方法对结构弹塑性等效层模型进行时程分析可以用于评估结构的弹塑性整体抗震性能,为工程设计提供参考;采用粘滞流体阻尼器可以明显减小高层剪力墙结构在罕遇地震作用下的反应,使得层间位移满足《建筑抗震设计规范》的要求,该方法可为类似结构的减震设计提供借鉴。     

单层网壳结构弹塑性屈曲分析的离散单元法研究

该文提出离散元塑性区法,即将任意2个球元的接触截面划分成若干小面积,通过各小面积的应力状态描述整个截面的塑性发展过程,较离散元塑性铰法更精确。该文推导了杆系离散元截面应变增量计算公式,建立了截面在三维应力-应变状态下的结构弹塑性本构方程、加卸载准则、截面内力积分公式以及计算分析流程。离散元弹塑性屈曲分析的追踪策略与弹性屈曲分析完全相同,即仍采用离散元力控制法或位移控制法。采用Fortran语言自编程序对若干单层网壳结构算例进行弹塑性屈曲分析,验证了离散元塑性区法的正确性和适用性,拓宽了离散单元法在工程领域的应用范围,为结构分析提供了新路径。     

基于柔度的网格截面非线性梁单元

梁单元材料非线性有限元求解时,材料进入非线性阶段后,难以通过梁理论准确描述截面的应力状态,该文据此提出了基于柔度法和分布式塑性理论的梁单元材料非线性方法-网格截面法,这种方法采用平面等参单元将梁单元网格化,由单元轴向积分点位置截面网格积分点的应力描述单元截面应力分布,并通过对截面网格材料的积分得到积分点位置的截面刚度,并运用基于柔度的有限元方法,通过力插值函数和能量原理得到梁单元的柔度矩阵,进而对柔度矩阵求逆以计算单元刚度矩阵。同时讨论了该方法在进行结构材料非线性有限元分析时的优越性。最后通过算例验证了上述结论。     

考虑剪切和扭转变形的有限质点法纤维梁单元研究

为提高有限质点法分析结构弹塑性问题的精度,该文将纤维梁模型融入有限质点法的计算求解框架中,推导了考虑剪切变形和扭转变形的有限质点法纤维梁单元的质点内力求解公式。该单元采用Timoshenko梁理论描述梁截面变形状态,以单元纯变形分量表示截面上任一点的位移,并结合纤维材料的三维本构关系以考虑弯曲、剪切和扭转变形之间的耦合作用。数值算例的分析结果表明,该纤维梁单元能够有效地模拟结构弹塑性行为,相较于塑性铰法具有更高的精度。     

基于能量的局部火灾引起钢结构连续倒塌简化分析方法

为研究局部火灾引起多高层钢结构倒塌的破坏机理以及多高层钢结构在火灾下的抗倒塌性能,基于结构初始倒塌破坏机制,建立了单柱受火的火灾引起多高层钢结构倒塌分析的单自由度简化分析模型,模型将受火柱上部结构简化为三折线弹塑性弹簧模型,将受火柱简化为集中塑性铰模型,并推导了基于能量的结构反应计算公式,建立了能量的计算方法。最后通过整体结构的数值对比分析,验证了此方法用于火灾引起钢结构连续倒塌分析与计算的合理性与可行性。     

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。     

秸塑复合材料的非线性黏弹塑性分析

在拉伸试验中,秸塑复合材料在加载和卸载时滞后回线表现出明显的非线性特征。在不同水平荷载下的蠕变试验中,响应为非线性黏弹塑性,其黏塑性应变可从卸载后的恢复曲线中可得到。在蠕变试验中,黏塑性响应描述为时间和应力水平的幂次函数。黏弹塑性响应采用Schapery非线性黏弹塑性模型,该模型假设黏弹性柔量是时间的幂次函数。对实验数据采用最小二乘法进行拟合,确定Schapery非线性黏弹塑性模型中的各个参数,并利用该模型对不同应力水平下秸塑复合材料的蠕变行为进行预测。最后,将实验结果与理论结果进行了对比。结果表明:Schapery非线性黏弹塑性模型对表征秸塑复合材料的黏弹塑性行为具有足够的精度,可用来预测不同应力水平下秸塑复合材料的蠕变特性。     

弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析

基于柔度法且沿单元长度积分的弹塑性纤维梁柱单元是可以模拟复杂的截面双向滞回曲线和截面刚度沿杆长方向连续变化的单元模型。由于其计算工作量太大,这种复杂的单元自提出以来,一直没有得到推广应用。对弹塑性纤维梁柱单元模型进行了研究,在此基础上对其单元参数进行了分析,通过研究单元积分段以及截面上纤维的合理划分,使计算工作量适当减少而又不影响计算结果准确性,为纤维单元在大型结构中应用打下基础。     

基于离散宏单元的砌体结构高效非线性分析方法

砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成，材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种:分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模，可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态，但非线性分析计算量大，多用于局部构件的细部分析和模拟；整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体，建模过程简单、易行，适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式，结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法，该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式，采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式，进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分，并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分，可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式，引入Woodbury公式进行求解，该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新，非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解，显著提升了计算效率。     

基于精细积分法的相邻结构弹塑性地震碰撞分析

罕遇地震作用下,结构会不可避免进入塑性状态,并且相邻结构会产生碰撞现象。将相邻的复杂结构简化为多个单自由度结构,并在相邻结构间增加接触单元,以模拟多点碰撞。地震反应过程区分为分离状态和碰撞状态,分别建立了增量动力平衡方程和全量动力平衡方程,推导了分离状态增量动力平衡方程和碰撞状态全量动力平衡方程的精细积分法,并解决了滞回曲线界点的精确分析和分离-碰撞状态转换问题。设计了增量精细积分法和全量精细积分法相结合求解弹塑性地震碰撞反应的算法。通过算例分析,验证该算法能精确地模拟结构的材料非线性行为和碰撞行为。在此基础上,对接触单元模型进行参数化分析,结论有助于进一步理解相邻结构碰撞现象。     

基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析

为更深入研究型钢混凝土剪力墙的抗震性能,在已有该类剪力墙滞回性能试验结果基础上,采用OpenSees软件中非线性纤维梁-柱单元进行低周往复加载的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力方法模拟纤维截面的抗剪。计算结果与试验结果总体吻合较好,表明该纤维模型法能较好模拟型钢混凝土剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应及刚度退化。该方法可为此类结构体系的弹塑性分析提供参考。