薄壁箱梁纵向剪滞翘曲函数精度选择的研究

根据箱形结构纵向翘曲位移函数设置的基本原理,选择一系列符合箱梁基本翘曲模式的翘曲位移函数,然后以最小势能原理为基础,综合考虑剪力滞后效应、剪切变形和转动惯量的影响,推导出相应翘曲位移函数箱形截面梁的振动控制微分方程和边界条件,据此得出箱形结构的固有频率方程。依据固有频率方程求出特定边界条件下相应翘曲位移函数箱形结构的自振频率,然后借助自振频率的大小对所设置翘曲位移函数的精确度做出评判。静力分析算例结果证明了翘曲位移函数精度选择的必要性,该文将解析解与数值解结果进行了比较,证明了方法的有效性。     

考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁解析解

通过在Newmark 模型中引入(1)描述横向非均匀分布的纵向位移的翘曲形函数和(2)描述钢梁腹板剪切变形的Timoshenko 梁假定,建立了一个能考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁模型,并推导了均布荷载作用下的解析解。最后通过4 个算例验证了模型和解析解的正确性和适用性,并显示了考虑组合梁剪切变形的必要性。另外,算例还表明,在组合梁的三维有限元建模中采用Timoshenko 梁单元来考虑钢梁的剪切变形会导致显著的误差。     

薄壁箱梁剪力滞效应分析的初参数法

选取剪力滞效应引起的附加挠度作为广义位移,在定义新的剪力滞广义力矩及广义翘曲位移函数基础上,将薄壁箱梁的剪力滞变形状态从初等梁挠曲变形状态中分离出来作为一种独立的基本变形状态进行分析。对广义翘曲位移函数引入两个修正系数以充分考虑剪力滞翘曲应力的自平衡条件。提出了剪力滞翘曲应力的简便计算公式,它与初等梁弯曲应力公式具有相同的形式。用能量变分法建立了剪力滞控制微分方程,以广义力矩、广义剪力、附加挠度及其变化率作为四个初参数,给出了微分方程的初参数解。对两跨连续箱梁模型的应力计算表明:本文计算值与实测值及其它文献给出的计算值均吻合良好,从而验证了该文分析方法的正确性。挠度计算表明:剪力滞效应使该箱梁在集中荷载和均布荷载作用下的跨中挠度分别增大17%和16%。     

槽形截面梁静力学特性的研究

该文综合考虑了槽形梁的剪切变形和剪滞翘曲应力的自平衡条件,以最小势能原理为基础建立了槽形结构三个广义位移的控制微分方程和自然边界条件,获得了相应广义位移的闭合解,提出了一种对槽形梁静力学特性的准确分析方法。算例中详细分析了剪切变形、剪力滞后和自平衡条件等因素对槽形梁挠度和应力的贡献,明确了槽形梁的静力学特点。该文解析解与有限元数值解进行了比较,证明了该文方法的有效性。     

波形钢腹板组合工字梁的振动特性

为分析波形钢腹板组合工字梁的弯曲振动频率及其动力反应特性,综合考虑剪切变形、转动惯量、剪滞翘曲应力自平衡和腹板褶皱效应等多重因素的影响,对组合工字梁上、下翼板设立2个不同的纵向翘曲动位移差函数,基于能量变分法和Hamilton原理建立该类结构的弹性控制微分方程和自然边界条件,获得相应广义位移的闭合解,结合数值算例计算了不同边界条件下组合工字梁的固有频率,详细分析了剪力滞效应和翘曲应力自平衡对组合工字梁振动特性的影响。研究结果表明：该闭合解计算结果与ANSYS有限元值吻合良好,且计算精度明显提高;剪力滞效应降低了组合工字梁的竖向刚度,其影响随频率阶数的升高而增大,随跨宽比的增大而减小;与简支组合梁相比,两端固支组合梁的频率值受剪力滞效应的影响更大;翘曲应力自平衡对组合工字梁自振频率的贡献值小于5%,对翼板动应力幅值的影响可达10%以上;在进行该类结构动力特性分析时平截面假定不再适用。     

宽翼薄壁工字形曲梁剪滞效应的能量变分法

为了准确反映宽翼薄壁工字形曲梁上下翼板(b1≠b2)的剪滞变化幅度,分别对上下翼板设置了一个不同的剪滞纵向位移差函数(U 1(z),U 2(z))。该文以最小势能原理为基础,考虑弯曲和翘曲扭转的因素,引入剪力滞后和剪切变形效应的影响,建立了曲线工字形梁的控制微分方程和自然边界条件,获得了弯、扭、翘和剪滞效应相耦合的广义位移的闭合解,提出了一种对该类结构更加准确的力学分析方法。算例中,该文解析解与板壳有限元结果吻合较好,证明了该文方法的有效性。     

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。     

横向荷载作用下薄壁杆件稳定分析的有限杆元法

根据位移变分原理,本文提出薄壁杆件稳定分析的有限杆元法。分析中考虑了杆壁中面剪应变的影响,能很好地描述剪力滞后现象。本方法采用线性函数作为横截面翘曲位移的插值函数,适用于任意横截面形状和任意边界条件的薄壁杆件。本文讨论了横向荷载作用下具有不同边界条件的工字型薄壁梁的屈曲荷载。数值算例结果表明了本方法灵活、有效、且有很好的精度。     

变截面连续箱梁桥剪力滞及剪切变形双重效应分析的传递矩阵法

基于能量原理,考虑箱梁截面底板、顶板、悬臂板剪滞翘曲幅度一般各不相同的影响和轴力自平衡条件,计入腹板剪切变形,导出了箱梁的平衡控制微分方程组、边界条件;给出了该方程组在均布荷载作用下的初参数解,提出一种研究变截面连续箱梁桥剪力滞后效应的传递矩阵法。建立了相应的场矩阵和点矩阵,从而实现了变截面连续箱梁桥内力、应力及位移的一维递推求解。数值算例与模型试验及已有文献结果对比表明:该文方法计算精度好、效率高,为求解连续箱梁、变截面箱梁的剪力滞问题提供了强有力的计算手段。     

基于变分原理的波形钢腹板箱梁挠度计算解析法

该文通过在纵向位移函数中引入翘曲变形函数以及剪切转角来分别考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的影响,基于能量变分原理,提出一种波形钢腹板箱梁挠度计算的解析方法。并分别针对单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,将该文方法与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法及有限元值进行比较分析。结果表明:该文方法具有较高的准确性;剪切变形影响系数随高跨比和宽跨比的增大明显增大,而剪力滞效应影响系数受高跨比的变化影响较小。     

板桁组合结构空间计算的板桁梁段有限元法

本文考虑了板桁组合结构桥面板的局部屈曲，剪力滞后和板桁梁段截面畸变、翘曲、扭转与剪切变形的影响，利用横向有限条带法构造了桥面板板段的局部空间变位模式，提出了板桁梁段有限元法。该方法自由度少，计算精度高，能用于大型板桥组合结构的空间计算。     

弹性耦合对直升机复合材料桨叶稳定性的影响

研究了弹性耦合对复合材料桨叶动特性和气弹稳定性的影响, 所采用的结构模型考虑了剪切变形、剖面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合。推导出同时考虑剪切和翘曲影响的小应变、中等变形梁的应变2位移关系,并构造出21 个自由度梁单元, 应用Hamilton 原理推导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上, 对三种不同构型的复合材料桨叶进行固有频率计算和气弹稳定性分析。计算结果表明: 尽管复合材料弹性耦合对桨叶固有频率的影响非常小, 但却改变了固有振型分布, 使桨叶挥舞-摆振-扭转运动之间存在耦合; 弹性耦合对桨叶气弹稳定性有很大的影响; 正的挥舞2扭转耦合使得摆振一阶稳定性增加, 负的挥舞2扭转耦合却使摆振一阶稳定性下降。      

多肋T形梁桥动力反应的分析

为了更加准确分析多肋T形梁桥的动力学特性,本文考虑了剪切变形、剪力滞后和剪滞翘曲应力的自平衡条件,以能量变分原理为基础建立了多肋T形梁广义位移的控制微分方程和自然边界条件,获得了相应广义位移的闭合解。以算例为基础详细讨论了剪力滞后和自平衡条件等因素对多肋T形梁桥动力反应的影响,得到了该类结构动力学特性的规律。本文解析解与有限元数值解进行了比较,说明了本文力学分析方法的有效性,本文方法丰富和发展了多肋T形梁桥的计算理论。     

Nonlinear finite element analyses of FRP-reinforced concrete slabs using a new layered composite plate element

A simple and shear-flexible rectangular composite layered plate element and nonlinear finite element analysis procedures are developed in this paper for nonlinear analysis of fiber reinforced plastic (FRP)-reinforced concrete slabs. The composite layered plate element is constructed based on Mindlin–Reissner plate theory and Timoshenko’s composite beam functions, and transverse shear effects and membrane-bending coupling effects are accounted for. Both geometric nonlinearity and material nonlinearity of the materials, which incorporates tension, compression, tension stiffening and cracking of the concrete, are included in the new model. The developed element and the nonlinear finite element analysis procedures are validated by comparing the computed numerical results of numerical examples with those obtained from experimental investigations and from the commercial finite element analysis package ABAQUS. The element is then employed to investigate the nonlinear structural behavior and the cracking progress of a clamped two-way FRP-reinforced concrete slab. The influences of reinforcement with different materials, ratio and layout in tension or compressive regions on structural behavior of the clamped slabs are investigated by parametric studies.     

复合材料空间薄壁梁的有限元分析模型

在剪切梁理论的基础上, 采用9 节点平面单元模拟梁任意截面形状; 采用27 节点体单元, 模拟截面出平面外的二次翘曲位移, 从而建立了空间复合材料任意截面薄壁梁考虑二次翘曲的有限元分析模型。根据本文中导出的复合材料有限元模型编制了相应的分析计算程序。算例表明: 本文中建立的复合材料薄壁梁模型正确, 可以用于考虑多种耦合影响因素作用下复杂结构空间薄壁复合材料梁的有限元分析计算。      

Fatigue analysis of concrete bridge deck slabs reinforced with E-glass/vinyl ester FRP reinforcing bars

FRP composites have been widely used as internal reinforcement for concrete bridge deck slabs. However, experimental researches on the behavior of such FRP-reinforced elements in general have been limited, especially those on fatigue performance. This research is designed to investigate the fatigue behavior of concrete bridge deck slabs reinforced with GFRP bars. A total of six full-size deck slabs were constructed and tested under concentrated cyclic loading conditions. Different reinforcement types, ratios, and configurations were used. Also, different schemes of cyclic loading were applied till failure. Finite element modeling was used to investigate the effect of different parameters on the ultimate static capacity. The results showed the superior fatigue performance and longer fatigue life of concrete bridge deck slabs reinforced with GFRP composite bars compared to the steel reinforced ones.     

箱梁的剪力滞效应分析

在变分法薄壁箱梁剪力滞基本微分方程的基础上,提出了一种与现有普通梁单元配合使用的分析箱梁剪力滞效应的有限元方法,导出了剪力滞单元系数矩阵和广义荷载列阵计算公式。针对变分法分析剪力滞问题的特点,给出了按照剪力滞广义平衡与变形协调条件进行结构系统分析、组集结构总剪力滞系数矩阵的方法。分析了连续梁和悬臂梁这两种不同结构类型、不同边界支承条件的箱梁在不同荷载条件下的剪力滞效应,并与变分法解析结果作了对比,验证了该文方法的广泛适用性和可靠性。     

Evaluation of effective flange width by shear lag model for orthotropic FRP bridge decks

In bridge engineering, the three-dimensional behavior of a bridge system is usually reduced to the analysis of a T-beam section with a reduced width of deck in relation to center-to-center spacing of stringers, over which the longitudinal normal stresses are assumed to be uniformly distributed, which is termed as effective flange width. It is defined in the AASHTO specifications primarily for concrete slabs and has inherent applicable limitations because of its empirical nature. This paper provides an analytical shear lag model for effective flange width for orthotropic bridge decks, applicable to various materials including Fiber-Reinforced Polymer (FRP) and concrete decks. To verify this solution, a Finite Element (FE) parametric study is conducted on 44 simply-supported FRP deck-on-steel girder bridges. The results from the shear lag model correlate well with the FE results. The accuracy of this model is further verified by close correlations with an existing empirical solution. It is also illustrated that the shear lag model, with the introduction of a reduction factor, can be applied to predict effective flange width for FRP deck-on-steel girder bridges with partial composite action, by favorable comparisons between the analytical and testing results for a T-beam section cut from a one-third scaled bridge model, which consists of an FRP sandwich deck attached to steel girders by mechanical connectors.