几何材料非线性分析的新空间梁柱单元

给出了基于UL法的三维梁柱单元虚功增量方程,首次详细推导了同时考虑翘曲和剪切变形以及力矩空间转动影响的三维空间薄壁梁柱单元的几何非线性切线刚度矩阵;材料非线性通过在单元端部形成塑性铰来考虑,对Orbison截面塑性面进行了修正,以考虑扭矩和翘曲对截面强度的影响,采用塑性流动法则推导了单元端部进入塑性时的单元弹塑性切线刚度矩阵。算例表明,只需要一到两个单元就可以准确预测空间钢框架的极限承载力和失稳模态,有效考虑剪切变形及翘曲对结构的影响。     

地震作用下边坡潜在破坏面预测研究

实际边坡在地震作用下的潜在破坏面往往并不是预先可以确定的。本文利用时程分析法对地震作用下的均质土坡和顺层岩质边坡进行动力响应分析,以地震波正向峰值时刻和震后瞬间所对应的塑性云图作为研究依据,利用极限平衡法对理想弹塑性边坡的安全系数Fs×(1+5%)范围及其对应的潜在圆弧破坏面范围和塑性区之间的关系进行研究。最终发现对于均质土坡而言,地震波正向峰值时刻和震后瞬间安全系数Fs×(1+5%)所对应的潜在圆弧破坏面范围以及所对应的塑性贯通区具有相似的区域;对于顺层岩质边坡,地震波正向峰值时刻和震后瞬间安全系数Fs×(1+5%)所对应的潜在直线破坏面范围集中在岩层交界面附近,而且两个时刻所对应的潜在破坏面范围十分接近。     

钢筋砼梁转移塑性铰框架弹塑性全过程分析方法与程序设计

本文推导出用于梁转移塑性铰框架并适用于一般框架进行弹塑性全过程分析的单元刚度矩阵、单元固端力矩阵、单元杆端位移和节间荷载引起的塑性铰转动量矩阵,建立了钢筋砼杆件的N-M-φ理论曲线,解决了节点位移,层间位移、结构总位移和杆端内力、杆件各截面内力的计算问题,编制出相应的电算程序并经上机运行和试验框架的验证,理论分析与试验结果符合良好。     

考虑张拉–剪切渐进破坏的边坡强度折减法研究

针对边坡渐进破坏过程中局部岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想弹塑性模型,提出一种考虑张拉–剪切渐进破坏的强度折减法。从劣化函数、破坏判据、折减系数、滑动面显示和折减范围等方面对该方法进行研究;以极限塑性应变作为边坡点破坏准则,将破坏点从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体破坏判据;基于弹塑性计算的初应力法,提出一种边坡张拉–剪切全滑动面定量显示指标I_(cs)。结果表明,应变软化模型所得塑性区明显小于理想弹塑性模型,考虑张拉破坏的边坡安全系数偏于危险;I_(cs)指标能同时显示并区分边坡潜在滑动面的张拉与剪切部分。该基于应变软化模型的计算方法进一步完善了边坡稳定性分析的强度折减法理论。     

平面刚架极限荷载计算机方法之研究

采用迭代计算求多层多跨平面刚架塑性极限载。编程中，利用单元定位向量，在平面刚架出现新的塑性铰的同时，相应地修改原始数据。为了简化程序结构，程序中仅用了一种单元刚度矩阵。程序能考虑轴向变形的作用。例题说明了辩证法的正确性。     

单拱面预应力混凝土系杆拱梁桥极限承载力分析的截面内力塑性系数法

基于UpdatedLagrangian (更新拉格朗日 )列式单元增量平衡方程 ,提出了一种建立钢筋混凝土空间梁单元弹塑性刚度矩阵的新方法———单元节点截面内力塑性系数法 ,并编制了单拱面预应力混凝土系杆拱梁桥空间稳定极限承载力计算程序。理论分析结果与两个模型试验结果十分接近 ,验证了分析方法的正确性及可靠性。该方法可以用于大型桥梁的空间稳定极限承载力分析     

塑性铰模型对混凝土框架结构动力弹塑性分析的影响

建筑结构在遭遇罕遇大震时,部分结构构件将进入塑性状态.对结构进行弹塑性分析可以更好地掌握建筑结构在大震下的动力响应特性.基于SAP2000软件,分别采用该软件提供的默认塑性铰单元和弹塑性计算用的塑性连接单元,建立混凝土框架结构的弹塑性动力计算模型,输入折线时程曲线和地震记录曲线,进行弹塑性动力时程分析.结果表明,采用刚塑性滞回模型的默认塑性铰单元计算得到的结构加速度响应比采用弹塑性滞回环模型的要低,在使用程序默认塑性铰单元作动力弹塑性时程分析时需要注意考虑该现象对结果的影响.     

基于刚体准则的空间框架弹塑性非线性分析方法

基于刚体准则,采用二阶改进塑性铰模型,构建了空间弹塑性梁单元及其弹塑性刚度矩阵,建立了高效简洁的非线性增量迭代方法,可有效分析截面屈服产生的有限转动、二阶效应等柔性空间钢框架结构材料与几何非线性耦合效应。对于受初始力平衡的单元,随着单元的刚体转动与移动,其初始平衡力在当前状态下应保持大小不变,仅方向随单元做刚体转动,而实际结构的变形可以视为较大的刚体位移与较小的自然变形(弹性或非弹性)的组合。将此刚体准则植入增量迭代法,在预测阶段采用通过了刚体运动检验的弹塑性矩阵,从而合理确定迭代初始方向;在修正阶段使用刚体准则计算单元结点力,保证了计算精度。对三个典型柔性框架结构所做分析表明,本文方法能够准确预测结构的极限承载力值与塑性铰发展过程。对于空间框架结构,每根杆件仅需划分一个单元,极大提高了计算效率、降低了计算成本。与塑性区法、纤维元法以及考虑截面翘曲的修正切线刚度法等相比,本文提出的方法具有物理概念明确、单元划分少、刚度矩阵简单、分析过程简洁、计算精度与效率高等显著特点,适于工程应用。     

塑性应变极限状态下I形和矩形管截面变形分析

通常在钢结构弹塑性设计中会假设大多数受压横截面中具有"全塑性铰"。基于平衡条件提出的用于计算塑性极限状态下结构内力的公式,不能计算出这种极限状态下各种内力组合下结构的整体变形。针对矩形管截面和双轴对称I形截面的弹塑性分析提出一个简单模型。该模型考虑了横截面塑性应变极限状态下的结构整体变形(轴向变形和弯曲曲率)与相应内力(轴力和弯矩)的关系。利用这个模型可以对横截面延性进行真实的评估。     

不平衡推力法的弹塑性有限元改进

结合杭金衢高速公路K111碎石土滑坡工程实例,研究如何使极限平衡法与有限元法有机结合应用于边坡稳定性计算和分析中,以及碎石土边坡稳定性系数与滑动面抗剪强度发挥程度的关系。研究结果表明,可以采用弹塑性有限元边坡稳定性极限分析法,得到边坡接近破坏状态时滑坡体的塑性变形破坏区,然后据此确定边坡的滑动面;通过野外工程地质勘探揭示,该法确定的潜在滑动面与实际滑动面基本相符;可根据极限状态下塑性应变值的大小确定滑面带上不同抗剪强度取值段,采用全面考虑滑面上岩土体抗剪强度不同发挥程度的不平衡推力法计算碎石土边坡的稳定性系数;采用该方法进行碎石土边坡稳定性分析能更加真实地反映边坡所处的实际状态。     

材料屈服与破坏的探索

对材料的屈服和破坏进行分析，认为屈服和破坏是两个不同的概念，是材料变形过程中的两个不同阶段。初始屈服是材料第一次由弹性状态进入塑性状态的标志，也是材料弹性变形的上限，是弹性状态与塑性状态的分界点；破坏是塑性过程发展的最终结果，是塑性变形所能达到的极限状态，也代表材料的极限变形能力。超过屈服点，材料不一定破坏，从屈服到破坏之间有一个塑性变形的范围。破坏准则也应不同于屈服准则，但通常人们所说的破坏准则确切地说应该是屈服准则，所以有必要正确认识屈服与破坏的关系，建立不同于屈服准则的真正的破坏准则。阐述屈服与破坏的区别和关系，分析实践中由于对破坏这一概念认识不清而导致的一些问题，指出极限平衡和塑性区贯通都不是真正的破坏。总结3类表达屈服准则的途径，并初步探讨描述材料破坏的3种不同方法：应变或位移、能量及动力学方法。     

基于强度折减的拉格朗日差分方法分析土坡稳定性

运用连续介质显式拉格朗日有限差分方法,通过逐步折减土体的抗剪强度,来分析土坡稳定的安全系数。实例计算表明,强度折减系数达到某一数值时,土坡顶点的水平位移会快速增加。根据这一现象,提出了界定土坡破坏的坡顶位移增量标准。即坡顶位移增量与折减系数增量之比大于系数sc为土坡破坏,并建议了sc的取值。这样可避免强度采用折减方法分析土坡稳定时,以不收敛等"模糊"概念作为土坡破坏状态的判别标准,具有物理意义明确、客观具体、便于数值计算等特点。与瑞典圆弧法、简化Bishop法及Spencer法比较可见,这些方法的潜在滑动面形状相似、位置十分接近,说明本文方法及"破坏"状态的判别标准是合适的。文中对剪胀角的影响进行了讨论,得到"不考虑"剪胀性的关联流动法则会高估土坡稳定安全系数的结论。     

挡土墙地震主动土压力的库仑解

传统的Mononobe-Okabe法在实际工程中有着广泛应用,但它仅适用于无黏性土的极限土压力计算,且不能给出土压力分布。基于极限平衡理论,视墙后填土为服从Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性材料,假定墙后塑性区的一簇滑移线为直线即平面滑裂面,考虑墙背倾角、地面倾角、土黏聚力和内摩擦角、墙土之间黏结力和外摩擦角、地面均布超载、塑性临界深度以及水平和竖向地震系数等因素的影响,建立较为完善的塑性滑楔分析模型,进而采用极限平衡法求解挡土墙地震主动土压力、滑裂面土反力及其分布,并且通过量纲一化的分析首次提出几何力学相似原理。研究结果表明,总地震主动土压力随水平地震系数代数值的增大而增大;但随竖向地震系数代数值的增大并非总是减小,当水平地震系数较大时,可能出现先减后增的情况。     

土质边坡极限平衡状态及临界滑动面的判定方法

 开展边坡失稳判据及临界滑动面确定方法的理论与数值实现研究。应用分叉理论的研究成果,证明满足关联流动法则的理想弹塑性材料,在平面应力或平面应变条件下的失稳模式为应变局部化模式,由此类材料构成的边坡模型的失稳过程为局部带渐进扩展过程。基于以上证明,提出局部化带贯通判据,认为表征边坡整体失稳的充要条件是局部化带在边坡内部的完全贯通。基于数值模拟,发展一种局部化带路径追踪技术,根据每个增量时步土体单元的局部化状态信息,通过后处理显式追踪局部化带的形成、扩展、汇合直至贯通的过程,直观、方便地判断边坡的极限平衡状态,同时确定临界滑动面的位置。并开展强度折减和位移加载算例研究,验证局部化带贯通判据及数值实现方法的适用性。     

DDA法计算边坡安全系数的黏聚力影响分析

在应考虑黏聚力作用的场合下,DDA法按强度折减技术或其它方法给出的安全系数比传统分析方法如极限平衡法明显偏低。即使采用改变块体划分方式、提高内力场分析精度、增加接触点等方法,也均不能提高安全系数。通过分析DDA接触模型发现,造成这一结果的根本原因在于DDA在处理界面黏聚力c时采用了与传统分析方法刚塑性模型完全不同的方式。刚塑性模型认为c是常数。而DDA认为一旦界面发生过滑移后c便为零,而是否滑移的判断完全依赖于接触力计算的准确性,接触力不准确导致发生滑移的不正确判断,使得c被不合理地消除,而DDA法采用的罚法接触处理以及动力迭代模式是很难保证准确获取接触力的。为此尝试为DDA法引入刚塑性模型,补偿接触点在滑面上的黏聚力作用,数值实验表明可明显提高DDA安全系数值,而与传统方法有较好的可比性,该建议措施对于DDA正确地进行边坡稳定性安全系数评估是有意义的。     

基于强度折减的有限元方法求边坡稳定安全系数

当折减系数达到某一数值时,边坡内的一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通,认为边坡破坏,定义此前的折减系数为安全系数,与极限平衡法相比有限元法具有很多优点。集中讨论屈服准则、内摩擦角和粘聚力、剪胀角、计算范围的选取、坡脚的形状和尺寸、网格疏密程度、不同的破坏标准对全系数的影响以及大变形和小变形有限元对比分析。     

边坡稳定性有限元分析的处理技巧

在不同区域采用不同的本构模型进行边坡稳定性分析,能有效地消除有限元分析中的边界效应,真实地反应出边坡的受力状态。应用强度折减系数法得到边坡的稳定安全系数,并与极限平衡法的结果进行比较。分析高边坡和带有软弱夹层的边坡,得出较满意的结果。     

陡倾层状岩质斜坡极限平衡稳定分析

针对自然界中的层状岩质滑坡绝大部分呈现出明显的三维形态特征,在倾倒破坏极限平衡二维推导分析方法的基础上,考虑层状岩质斜坡的三维受力状态,进行三维力系的简化与等效,提出了考虑三维受力的倾倒分析方法,在考虑真倾角方向的倾倒极限平衡分析中,将层状岩质滑坡近似为悬臂梁处理。并以重庆鸡冠岭滑坡为例进行验证分析。计算结果表明:1自然状态下,鸡冠岭斜坡处于稳定状态;2地下采空状态下,鸡冠岭煤层上覆岩层逐层发生倾倒破坏,并挤压下伏阻滑关键块体,导致关键块体剪出破坏后形成滑坡。该分析结果与实际情况基本一致。     

关于有限元边坡稳定性分析中安全系数的定义问题

在边坡稳定性分析的极限平衡法中存在3种安全系数的定义:定义1将安全系数定义为剪切强度比剪应力;定义2将安全系数定义为强度储备系数,当土体抗剪强度除以安全系数后,边坡将处于临界平衡状态;定义3将安全系数定义为沿某一特定滑面的抗滑力比滑动力。讨论了定义3与定义1之间的关系,给出了在进行有限元边坡稳定性分析时确定对应于定义3和定义2的临界滑面的统一算法,最后通过算例证明了一般情况下基于定义3所求得的安全系数和临界滑面不同于基于定义2所求得的结果,同时指出基于定义3的计算结果会表现出一些不合理的现象。