高层斜交网格筒-核心筒结构抗震性能分析

摘　要：斜交网格筒新型结构体系具有较大的抗侧刚度,为建造高层、超高层结构提供了有利条件,目前已在国内外有多例成功实践,但相关抗震性能研究还很少。采用Perform-3D程序对典型钢管混凝土斜交网格筒-钢筋混凝土内筒结构进行了静力弹塑性分析。总结了体系塑性发展过程及构件屈服顺序,给出了斜交网格筒屈服路径,并从斜交网格筒作用力的变化阐述了内外筒间内力重分配的原因,明确了内外筒内力分配特点。基于内外筒抗侧刚度的发展过程,探讨了结构抗侧刚度退化的主要原因。     

钢筋混凝土梁非线性有限元分析方法

针对钢筋混凝土结构有限元分析中,材料进入非线性阶段后,难以通过梁理论准确描述混凝土截面和钢筋应力状态的问题,提出了基于柔度法和分布式塑性理论的钢筋混凝土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混凝土应力描述单元截面应力分布,同时考虑钢筋对刚度的贡献,并通过对截面网格材料的积分计算积分点位置的截面刚度矩阵,再利用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计算单元刚度矩阵。通过算例验证该方法在钢筋混凝土承载力分析时的准确性。     

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。     

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。     

高层框架-斜交网格结构协同受力性能研究

高层框架-斜交网格结构是由高层斜交网格结构和框架结构组成的双抗侧力体系。采用理论推导和数值模拟的方法研究了该体系处于弹性和弹塑性状态下楼层水平剪力分配规律。针对高层斜交网格结构和框架结构协同工作变形特点,提出结构体系的弹性平面简化分析模型,进一步推导出结构侧向变形和剪力计算公式,并研究了结构处于弹性阶段时的剪力分配规律;采用非线性静力推覆法对结构体系在弹塑性阶段的变形特性、刚度退化和剪力分配规律进行了研究。结果表明:高层斜交网格结构和框架结构的协同工作性能良好,结构在弹性阶段,结构刚度的特征值及荷载分布对其剪力分配影响较大;结构进入塑性阶段,斜柱刚度退化速率较快,楼层剪力存在重分配现象。     

有限元网格的拓扑分析

有限元网格生成及节点编号优化是有限元分析的关键技术之一。在有限元计算过程中,可通过优化节点编号来减少整体刚度矩阵的带宽,从而节约存储空间,减少有限元分析的计算时间。通过分析有限元网格的拓扑关系,依据单元节点相关性,提出了构造单元节点拓扑阵和组装有限元网格整体节点拓扑阵的有效方法,为优化有限元网格节点编号,减小有限元方程组中总体刚度矩阵的带宽奠定了基础。     

并联剪力墙弹塑性分析方法

本文提出将并联剪力墙简化成一宽柱框架来进行弹塑性分析，按生杆系有限元法集成弹性总刚。在分析过程中，总刚和弹性部分保持不变，每形成一个塑性铰，只在总刚中增加一行一列而不必修改单元刚度矩阵。大大节省机时的存贮空间。     

空间杆系结构的弹塑性大位移分析

为适当降低杆系结构弹塑性分析的计算量,该文假设单元塑性变形集中于单元端部。在单元端部截面上,将截面分割为若干小块面积,用小块面积中心处材料的弹塑性性能代替整个小块面积的弹塑性性能。通过对小块面积弹塑性性能的分析,得出端部截面的弹塑性刚度,再将其与单元内部弹性部分的截面刚度沿杆长进行Gauss-Lobatto积分,由此获得梁单元的弹塑性刚度矩阵。该文对小面积中心点采用基于材料应变等向强化的弹塑性本构关系,为准确分析杆端截面小块面积的弹塑性应力状态,该文提出了有效的应力调整算法以修正计算过程中偏离屈服面的应力值。数值算例表明,该文方法准确、高效、可靠。     

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。     

基于低色散无网格仿真模型的舱室薄壁-腔体振声耦合研究

对飞机舱室结构进行薄壁-腔体振声耦合特性的研究是进行舱室噪声控制和声学设计的关键问题;基于波动声学的数值仿真方法是舱室场景中振声耦合分析常用的方法,但由于受刚度矩阵失真影响,在中频段普遍存在高色散误差。针对此问题,以降低振声耦合系统的刚度矩阵失真为目标,发展了一种具有低色散误差的无网格仿真模型;首先推导了外力及声源混合激励源下的振声耦合系统;然后发展了一种基于无网格支撑域的声压梯度光滑技术,可降低耦合系统的刚度;最后将低刚度的声压梯度光滑技术与高刚度的经典无网格法进行结合,提出一种在中低频段内自适应的刚度矩阵重组技术,最终得到低色散无网格仿真模型。矩形封闭空间及实际舱段结构的算例对比均显示低色散无网格仿真模型能够使离散系统刚度更接近连续系统的刚度,从而在较宽的中低频段内使数值解更接近真实解。     

空间钢框架精细塑性铰法高等分析

几何非线性单元的精度主要决定于单元恢复力的计算方法,刚度矩阵对单元精度的影响很小。建立了考虑剪切变形影响的精细塑性铰法空间梁柱单元。单元二阶效应由稳定函数考虑,采用精细塑性铰模型考虑材料非线性,可考虑截面的逐渐屈服以及由残余应力引起的分布塑性对单元刚度的削弱。单元刚度矩阵包含了轴向、弯曲和扭转位移之间的耦合效应。利用ANSYS软件的用户可编程特性(UPFs)编写了单元程序,通过连接将用户单元添加到ANSYS软件单元库中。算例分析结果表明,采用作者提出的单元时,每根杆件用一个单元模拟分析可达到很高精度,而采用ANSYS中BEAM189单元时,每根柱需3~4单元模拟才能达到合适的精度。分析结果还表明,多高层框架结构中构件剪切变形的影响不可忽略。     

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。     

Boundary element analysis for an interface crack between dissimilar elastoplastic materials

The boundary element method (BEM) is presented for elastoplastic analysis of cracks between two dissimilar materials. The boundary integral equations and integral representation of stress rates are written in such a form that all integrals can be evaluated by the regular Gaussian quadrature rule. An advanced multidomain BEM formulation is suggested for the solution of analysed problems where the substantial reduction of stiffness matrix is observed. The elastoplastic behaviour is modelled through the use of an approximation for the plastic component of the stresses. The boundary and the yielding zone are discretized by elements with quadratic approximations. In numerical examples the path independence of the J- and L-integrals for a straight interface crack and a circular arc-shaped interface crack are investigated, respectively. The influence of the different values of Young's modulus on the J-integral, shape and size of plastic zones is treated too.     

Stability analysis of cylindrical shells using refined non‐conforming rectangular cylindrical shell elements

The accuracy of stability analysis depends on the accuracy of both the element stiffness matrix and geometry stiffness matrix. Therefore, when carrying out the stability analysis of thin cylindrical shells using the finite element methods will require, firstly, a refined non‐conforming rectangular curved cylindrical shell element RCSR4 is proposed according to the refined non‐conforming FE method, in which both the C¹ and C⁰ weak continuity conditions are satisfied and as a result, can ensure the convergence of computation. At the same time, a refined geometrical stiffness matrix is introduced to replace the standard consistent geometrical stiffness matrix. Simple expressions of the refined constant strain matrices with adjustable constants are introduced with respect to the weak continuity conditions. Numerical examples are presented to show that the present method can indeed improve the performance and the accuracy in stability analysis. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于共旋法与稳定函数的几何非线性平面梁单元

建立一个准确、高效的几何非线性梁单元对于描述杆系结构的非线性行为至关重要。该文基于共旋坐标法和稳定函数提出了一种几何非线性平面梁单元。该单元在形成中把变形和刚体位移分开,局部坐标系内采用稳定函数以考虑单元P-δ效应的影响,从局部坐标系到结构坐标系的转换则采用共旋坐标法以及微分以考虑几何非线性,给出了几何非线性平面梁单元在结构坐标系下的全量平衡方程和切线刚度矩阵;在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。通过多个典型算例验证了算法与程序的正确性、计算精度和效率。     

Frame elements with mixed formulation for singular section response

Mixed formulations of frame elements offer significant advantages over more traditional displacement formulations, particularly under large cyclic inelastic deformations including the effects of shear. This paper complements the recent proposal of a consistent variational basis for the mixed formulation of frame elements by supplying the explicit definition of the stress field over the cross‐section. The paper also addresses the numerical stability of the element state determination algorithm in the presence of an ill‐conditioned or even singular section stiffness matrix. The proposed algorithm is based on the eigendecomposition of the section stiffness matrix and uses the Sherman–Morrison–Woodbury formula and the Moore–Penrose pseudoinverse to avoid the inversion of ill‐conditioned matrices in the element state determination. In the extreme case of uniform tension or uniform flexure the section flexibility matrix is split into an elastic and a plastic component before eigendecomposition. With the proposed method the inelastic response of the element under multiple perfectly plastic hinges can be successfully traced. Numerical examples demonstrate the capabilities of the approach. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

薄壁高墩大跨度连续刚构桥的非线性稳定分析

结合龙潭河特大桥的工程实例,采用有限元程序ANSYS,分别选取两种单元建立了梁单元模型和壳单元模型,对比分析了该大跨度连续刚构桥高墩的稳定性。在对刚构桥的稳定分析时采用几何非线性和材料非线性耦合的方法。采用U.L.列式法求解切线刚度矩阵来考虑几何非线性。为了模拟桥墩材料非线性性能,在壳模型中用COMBIN39多线性单元多弹簧模型(MS模型)来模拟墩底塑性铰区,在梁模型中用COMBIN40双线性弹簧单元模拟墩底塑性铰。通过分析可知,考虑非线性影响的稳定分析对于指导工程实践具有更好的实际意义。     

空间钢框架结构的改进双重非线性分析

为了探讨三维结构的高等分析方法,给出基于UL法的严格三维单元虚功增量方程,详细推导了考虑剪切变形影响的三维梁柱单元的几何非线性切线刚度矩阵和基于三维单元简化塑性区模型的双重非线性刚度方程,并编制空间钢框架结构的双重非线性分析程序。使用包括几何与材料双重非线性的数值算例来验证方法和计算机程序的可行性、精确度与有效性。利用该程序,只需一个单元/构件即可准确预测空间钢框架结构的极限承载力与失稳模态,提高了结构的非线性分析效率。     

模拟P波向无穷远域传播的一致边界

将人工边界设置在半无穷层单元和内部有限元区域的交界面上,建立了半无穷层单元的刚度矩阵后,得到了边界节点的动力平衡方程。任意给定激励圆频率,将边界节点系统的动力平衡方程转化为特征值方程。求解特征值方程得出边界节点系统的特征值和特征模态,利用模态叠加原理得到体现左半无穷层单元和右半无穷层单元对内部有限元区域作用的边界矩阵,这就是该文的一致边界。将其与内部有限元区域的刚度矩阵进行组装来模拟无穷远域介质对波的传播作用。最后用数值算例来说明一致边界的精确性和可行性。     

计及二阶效应的一种变截面梁精确单元刚度阵

推导一种精确的Bernoulli-Euler变截面梁单元,解决了传统变截面梁单元在结构稳定性分析中存在的计算精度较低的问题,以常见的外形沿轴向按线性变化的变截面梁为例,给出梁单元的精确刚度阵。放弃传统有限元通过插值理论构建变形场,并通过虚位移原理获取单元刚度阵的方法,直接从计入二阶效应的单元平衡微分方程中得到变截面梁的载荷位移关系,进而得到有限元格式的变截面梁精确刚度阵。借助于变截面梁单元刚度阵,可导致与精确的微分方程解析法同样的计算精度。通过与几个经典算例和ANSYS计算结果比较表明:该精确刚度阵可直接应用于结构稳定性分析,获得变截面梁结构精确的欧拉临界力。