考虑节点转动刚度的圆管杆件结构自适应有限元分析方法

为了判断杆件结构的有限元分析精度对节点转动刚度是否敏感,并据此调整杆件结构的离散方式,根据Zienkiewicz-Zhu后验误差估计理论,定义了正应力范数来衡量有限元的计算精度,推导了考虑节点刚度的梁单元节点力-位移公式,并以试算得到的梁/杆单元的两节点位移作为边界条件,根据半刚性节点位移-力的公式,给出了杆件需要采用梁单元、杆单元、梁+弹簧单元离散的节点刚度范围,然后通过试算确定杆件结构的合理离散方式。在ANSYS中用APDL语言实现以上算法,并以2个简单结构为例说明了该算法的流程并验证了它的正确性。     

一种新型剪力墙多垂直杆单元模型:原理和应用

在经典梁理论的基础上提出了一种新的多垂直杆单元模型。新模型的横向位移函数为沿纵向三次式,单元刚度矩阵中考虑了轴向拉压变形与剪切变形的相互作用以及弯曲变形与剪切变形的相互作用。每个单元在纵向采用了四根竖向弹簧,用四段常数应变来拟合线性变化的纵向正应变,一定程度上反映了纵向正应变沿纵向坐标的变化。计算精度随单元高宽比的增加下降极少,减少了单元的划分数量,加快计算速度,并且对于各种荷载组合,均有着较高的计算精度,适应面较广。最后通过算例,并与试验结果比较,表明该模型具有较好的计算精度,可适用于高层建筑结构的弹塑性静力和动力分析。     

任意边界条件下弹性梁耦合振动特性分析EI北大核心CSCD

采用谱几何法建立了任意边界条件下弹性梁横向、纵向和扭转耦合振动分析模型。将弹性梁的横向、纵向和扭转振动位移函数分别描述为一种辅助函数为三角级数的改进傅里叶级数;在弹性梁两端引入边界约束弹簧组,通过改变其刚度值模拟任意边界条件;应用Hamilton原理从能量角度推导整个结构的拉格朗日函数;采用Ritz法对其进行求解。计算了弹性梁模型不同边界下前6阶固有频率,与文献解对比最大误差为0.02%,验证了该方法的正确性和较快的收敛性。该模型统一了弹性梁横向、纵向和扭转振动的位移函数表示形式和模态特性求解方程,通过改变边界约束弹簧刚度系数可以实现对弹性梁耦合振动特性进行调整,为弹性梁动力学性能优化提供了一种参数化的研究方法。     

基于混合单元法的预应力混凝土梁非线性分析

利用共旋坐标法提出了一种预应力钢筋混凝土梁非线性分析的混合单元模型,在随转坐标系内,采用分层梁单元来模拟混凝土结构,带初应变的杆单元来模拟预应力钢筋,预应力钢筋杆元和混凝土梁元的变形协调则通过非线性刚臂来实现,通过刚臂单元两端节点位移和力的关系形成预应力钢筋对混合单元刚度矩阵的贡献,从而导出随转坐标系下预应力混凝土梁考虑材料非线性的切线刚度矩阵,几何非线性则由单元随转坐标系到结构坐标系的转换矩阵及其微分来体现,从而获得结构坐标系下混合单元模型的几何与材料双非线性切线刚度矩阵。数个钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土梁非线性分析算例表明:所提出的混合单元模型能较好地分析预应力钢筋混凝土梁非线性性能,具有一定的实用价值。     

一类考虑温度效应的截面插值梁模型

提出了一种截面插值梁模型,利用该模型求解梁在非均匀热载荷作用下的动静态响应,解决了传统梁理论无法处理受不均匀温度场的梁的问题。利用拉格朗日插值函数对梁单元的截面和轴向分别插值,构造梁的位移场。将位移场代入热弹性动力学方程,得到单元应变和应力,再依据虚功原理推导出单元刚度矩阵、质量矩阵以及等效节点载荷列阵,求解得到热应力。利用热应力的横向剪切力更新单元刚度矩阵,计算梁在热载荷作用下的振动特性。计算结果表明,该方法得到的结果与实体单元模型结果吻合,并且更易于处理受非均匀热载荷作用的细长结构,同时能很好地反映截面的形状、受载及响应结果。     

改进傅里叶方法在梁结构振动特性分析中的应用

对一般边界条件下Euler-Bernoulli梁的振动特性展开研究。首先基于改进傅里叶法建立了梁结构的位移函数表达式,其中位移函数被表示为傅里叶余弦级数展开式与辅助多项式函数的叠加,其后基于最小势能原理建立拉格朗日方程,并通过Rayleigh-Ritz法进行求解,得到其固有模态及强迫振动响应。通过讨论旋转方向和横向弹簧刚度取值对计算结果收敛性的影响,验证了本方法的数值稳定性,得到用于模拟经典边界条件的弹簧刚度值。将计算结果与有限元法对比,验证了本方法的有效性。在此基础上对一般边界条件下梁结构受迫振动的响应特性进行研究,给出弹簧刚度值等参数对梁结构振动特性的影响规律。     

单拱面预应力混凝土系杆拱桥极限承载力分析

本文将系杆拱桥的拱肋离散为空间圆弧梁单元,基于拖带圆柱坐标推导格林应变张量,用平截面假定及三次插值函数描述圆弧梁单元位移模式,采用加权残值配点法消除剪力和薄膜力闭锁;现吊杆为二力杆单元。对于多室箱形梁系杆离散为梁段单元,考虑箱形梁翘曲、畸变、横向弯曲等。基于连续介质力学U．L．列式法建立系杆拱桥的平衡方程并考虑材料的非线性。根据分析模型编制了相应的计算程序,计算结果与实验结果一致,同时分析了单拱面系杆拱桥极限承载力的影响因素,并计算了一座实桥的极限承载力。     

改进傅里叶方法在梁结构振动特性分析中的应用

研究了一般边界条件下Euler-Bernoulli梁的振动特性。首先基于改进傅里叶法建立了梁结构的位移函数表达式,其中位移函数被表示为傅里叶余弦级数展开式与辅助多项式函数的叠加,其后基于最小势能原理建立拉格朗日方程,并通过Rayleigh-Ritz法进行求解,得到其固有模态及强迫振动响应。通过讨论旋转方向和横向弹簧刚度取值对计算结果收敛性的影响,验证了本方法的数值稳定性,得到用于模拟经典边界条件的弹簧刚度值。通过将本文计算结果与有限元法对比,验证了本方法的有效性。在此基础上对一般边界条件下梁结构受迫振动的响应特性进行了研究,讨论了弹簧刚度值等参数对梁结构振动特性的影响规律。     

空间薄壁截面梁非线性有限单元模型

基于Timoshenko梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑横向剪切变形和扭转剪切变形及其耦合作用、弯扭耦合、以及二次剪应力影响的空间薄壁梁非线性有限元模型。以更新的拉格朗日格式描述的几何非线性应变推得几何刚度矩阵。同时考虑了材料非线性,假定材料为理想塑性体,服从Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割法,由数值积分得到空间薄壁梁的弹塑性刚度矩阵。算例表明该文所建梁单元模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析。     

梁轨纵向位移阻力系数双弹簧模型研究

对考虑加载历程的城市轨道交通桥梁梁轨非线性相互作用问题进行了研究。基于DT-2扣件位移阻力试验结果和分析,提出适用于加载历程的扣件“双弹簧模型”。采用该模型进行梁轨相互作用计算,并与传统线性叠加方法进行对比分析。结果表明:传统“线性叠加”法在钢轨拉压力计算上偏于保守,而在梁轨相对位移与墩顶纵向水平位移计算上偏于不安全。     

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱塑性铰区弯矩-转角恢复力模型

采用Clough双线性恢复力模型作为双壁空心管柱塑性铰区弯矩-转角关系恢复力模型。推导了骨架线上两个控制点即屈服点和极限点的弯矩、转角计算式。基于建立的弯矩-转角恢复力模型,计算了9个双壁空心管柱试件截面的屈服弯矩和极限弯矩以及水平力加载位置的屈服水平位移、极限水平位移和水平力-位移滞回曲线,计算结果与试验结果符合较好。     

翼板开洞率100%的钢-混凝土组合梁整体弹性稳定性分析

在实际工程中由于功能的需要出现了混凝土翼板完全断开的钢-混凝土组合梁,洞口在混凝土翼板完全断开使得组合梁在正弯矩作用下存在整体稳定性问题。该文首先运用有限元软件ANSYS建立弹性有限元模型对整体侧扭失稳模式进行了初步分析。在此基础上假设了组合梁整体失稳时的侧移函数和截面转角函数,运用瑞利-里兹能量法推导出了翼板完全断开的钢-混凝土组合梁侧扭失稳模式的临界弯矩计算公式,并进行了参数分析。最后通过计算实例说明了该文分析内容及结果的必要性。     

钻柱纵向和扭转振动分析

介绍钻柱的振动状态和产生振动的原因。针对钻柱的纵向振动,分别建立了力激励法和位移激励法的数学模型;计算结果表明,力激励法与位移激励法求得的消振转速相反,即力激励法的消振转速恰恰是位移激励法的共振转速,反之亦然;传统多以力激励为边界条件来研究钻柱纵向振动的频率响应,并指导现场消振作业的,这样给出的最佳消振转速,恰恰是共振转速;在钻井作业中,钻头的纵向跳动比纵向受力的变化要稳定得多,钻柱的动负荷比动位移重要得多,应该用位移激励法研究钻柱的纵向振动问题。针对钻柱的扭转振动问题,分别建立了扭矩激励法和转角激励法的钻柱扭转振动数学模型;证明用转角激励法来研究钻柱的扭转振动更符合实际。     

轴向循环载荷下直杆的一个弹塑性计算模型

本文给出了轴向循环载荷下直杆的一个弹塑性计算模型。在大应变条件下得到了该模型各变形阶段中载荷——挠度的解析关系式。     

钢筋粘结滑移弯矩-转角计算模型

纵筋在梁-柱或基础-柱界面处滑移将使侧向变形出现显著的增加。该文在现有二折线型钢筋粘结滑移弯矩-转角骨架曲线基础上,提出了屈服点以及破坏点滑移转角计算方法,可以用于预测滑移造成的侧向变形。根据与相互独立的五批共24个圆柱试验结果对比,其计算结果具有较高的精度。在OpenSees软件中用基于力的纤维单元与粘结滑移弯矩-转角模型,对不同圆柱低周反复试验进行数值模拟,发现该模型计算结果与试验结果吻合很好。进一步,对圆柱在地震波作用下的振动台试验进行时程分析,柱顶位移和柱底滑移变形都能得到很好的预测。进行参数分析,结果表明极限点滑移量在总变形中的占比约为30%~40%,该占比随轴压比增加而减小,随体积配箍率减小而减小。     

全直桩码头横向水平力分配计算方法探讨

高桩码头桩基的设计需要考虑作用在码头上水平荷载的影响. 该文分析了国内外关于高桩码头水平力分配的计算方法, 针对全直桩码头的特点, 假定码头上部结构为刚体, 码头平台在水平力作用下绕刚度中心转动, 并考虑桩顶纵向变位的影响, 推导得出了全直桩码头水平力分配的计算公式. 结合工程实例, 将该文公式与有限元方法、我国港工规范查表法进行了比较分析. 计算结果表明该文公式与有限元方法所得结果吻合较好, 与规范查表法所得结果最大相差约8%.     

成层地基与浅埋结构物动力相互作用的简化分析

基于任意侧向位移下挡土墙地震土压力理论,建立了新的地基-浅埋式结构物相互作用力与其相对位移之间的关系,并对该关系加以推广,应用到成层地基及深基础情形。提出了一种实用的求解成层地基-浅埋式结构物动力相互作用的简化质-阻-弹模型,该方法概念简单合理,参数确定简便,不需迭代,计算量小,可适用于以下情形:1) 结构物可视为粘弹性介质;2) 地基和浅埋式结构物可简化为一维运动;3) 结构物运动对土体运动的影响忽略不计。     

混凝土结构中考虑滑移效应的钢筋本构模型研究

以钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构中的钢筋滑移效应为研究对象,通过黏结应力分布简化模型,得到了钢筋应力-滑移关系,基于已有拉拔试验数据验证了该钢筋滑移关系的可靠性。结合塑性铰长度模型建立了可考虑滑移效应的钢筋应力-应变理论关系,分析了混凝土强度、钢筋直径和塑性铰长度等参数对该关系的影响,提出了考虑滑移效应的双线性钢筋本构模型。基于OpenSEES有限元平台,将该模型用于纤维截面的宏观单元模型中模拟RC柱的侧向荷载-位移反应,通过与已有试验结果、不考虑钢筋滑移效应的纤维模型计算结果及考虑钢筋滑移效应的零长度纤维模型计算结果进行对比分析,验证了本文模型的精度和可靠性,并对其适用范围进行了讨论。结果表明,基于本文钢筋本构的纤维模型可以更为准确地计算RC柱的荷载-位移曲线,且能够考虑由钢筋滑移变形引起的柱顶附加水平位移。     

FRC框架结构基于等效单自由度模型的抗地震倒塌能力评估

为了快速评估建筑结构的抗地震倒塌能力,该文基于Adam等提出的等效单自由度模型,首先用Pushover分析方法对纤维增强混凝土(FRC)结构进行静力弹塑性分析,获得其基底剪力-顶点位移曲线,据此确定其力-变形关系;然后根据力-变形关系以及侧向位移形状函数,确定相应的等效单自由度模型的相关参数;按等效单自由度模型计算结构的抗地震倒塌能力。分别对某8层钢筋混凝土框架结构和FRC框架结构进行分析。结果表明:用与多自由度结构相应的等效单自由度模型评估FRC框架结构的整体抗地震倒塌能力是可行和偏于保守的;采用抛物线加载模式比倒三角加载模式得到更接近由IDA分析所得的结构抗地震倒塌能力中位值;在其他条件相同时,FRC框架结构比普通混凝土框架结构具有更高的抗地震倒塌能力。     

隔震高层结构的悬臂梁模型的地震反应研究

对底部隔震悬臂梁的地震等效作用和效应进行了研究。水平力作用下具有弯曲型侧移曲线的悬臂梁在动力特征上与高层结构接近,隔震悬臂梁可作为隔震高层结构的一种等效的简化模型。采用伯努利-欧拉梁理论推导出底部隔震悬臂梁的周期和振型,利用振型反应分解谱法分析隔震悬臂梁的地震效应,研究隔震前后各振型的等效地震作用的变化。研究发现隔震高层减振的主要原因在于调整了各振型对内力的贡献比例,延长了高阶振型的周期,从而降低高阶振型的影响,实现减振的目的;隔震对结构上部和底部作用也不同,且对剪力影响大于弯矩;隔震层刚度越弱,对高阶振型的抑制作用越明显,隔震后与隔震前1 阶振型的周期比大于1.4 可取得较好的隔震效果,规则的隔震高层结构可只采用2 个振型计算。