非对称平面剪铰结构展开过程分析与仿真

该文研究由刚性杆组成的单自由度非对称平面剪铰桁架结构的运动学及动力学特性。首先,利用剪铰结构的几何特性推导各个剪铰单元的运动规律,得到了单自由度剪铰结构各杆件的广义坐标表达式。然后建立系统的质量矩阵和约束方程,并利用拉格朗日乘子法建立其动力学模型。采用Baumgarte坐标违约和速度违约稳定法进行数值求解。最后利用MATLAB软件包对由两个非对称剪铰单元组成的可展桁架结构的展开过程进行了数值仿真,并对仿真结果进行了相应的分析。该文的工作为非对称剪铰桁架结构的工程应用提供了理论基础。     

向量式有限元在索穹顶静力分析中的应用

索穹顶结构是一种由预应力拉索与竖杆组成的高效柔性空间结构,易发生较大位移,拉索可能出现松弛现象。该文采用向量式有限元进行了索穹顶的静力分析。向量式有限元是一种向量力学与数值计算相结合的分析方法,不同于传统分析力学方法和其他数值计算方法。向量式有限元基于运动方程求解,不需求解非线性方程组及刚度矩阵,尤其适合于发生刚体位移和几何大变形的结构或机构求解。该文首先介绍了向量式有限元的基本原理,推导了预应力索单元的求解公式,最后采用自编向量式有限元程序,分析了一个单摆模型和一个索穹顶结构模型。结果表明:向量式有限元应用于索穹顶静力分析是可行而且可靠的,在传统有限元计算难以收敛的情况下仍然可以对结构进行精确的非线性分析,为索穹顶的非线性分析提供了一种新的方法和手段。     

强化有限元的考虑界面滑移的组合梁数值模拟

该文针对组合梁结构连接界面的非线性效应,采用物理区域与单元网格相独立的策略,并引入无厚度界面单元模拟界面的非连续变形,建立了基于强化有限元的考虑界面滑移的组合梁分析模型。该文所采用的物理区域与单元网格相独立的强化有限元,数学单元和物理单元在空间上重合不再是必要条件,可以根据物理单元力学描述的需要选择数学单元的大小和形状。同时一个单元内可以分成多个区域,各分区可以是不同的材料,可以具有不同的几何形状,可以具有不同的受力特点,如板、梁等,从而可以大大减少复杂结构的网格数量。该文方法可以快速便捷得到剪切连接件抗剪刚度从零变化到无穷大时所对应的挠度、界面滑移以及截面应力的变化,可以直观地确定出抗剪刚度能够充分发挥作用的区间,为实际工程设计中确定经济合理的抗剪刚度提供依据。该文方法计算效率高,可以适用于实际工程复杂变截面及空间结构的计算分析,尤其是规模庞大、受力分析繁琐的桥梁结构。     

基于场一致性的可带铰空间梁元几何非线性分析

虽然关于几何非线性分析的空间梁单元研究成果较多,但这些单元均是基于几何一致性得到的单元刚度矩阵,而基于场一致性的单元研究则较少,该文基于局部坐标系(随转坐标系)下扣除结构位移中的刚体位移得到的结构变形与结构坐标系下的总位移的关系,直接利用微分方法导出两者增量位移之间的关系,再基于场一致性原则,最终获得空间梁单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵,在此基础上根据带铰梁端受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式,利用该文的研究成果编制了程序,对多个梁端带铰和不带铰的算例进行了空间几何非线性分析,计算结果表明这种非线性单元列式的正确性,实用价值较强。     

索结构静力分析的新型拉索单元研究

总结和分析不同工况下索结构中拉索的受力特点, 将拉索行为归纳为已知原长和已知索力两种典型受力情况。利用悬链线拉索解析解的线性展开, 并引入适当的约束条件, 建立两种新型的拉索单元, 给出单元切线刚度矩阵的显式表达。提出索结构非线性静力分析的一般迭代算法, 算法中利用等效线自重考虑弹性变形对拉索静力状态的影响。以斜拉悬臂结构的多阶段安装为例, 分别采用该文方法和传统方法针对不同工况进行了索结构分析, 对比计算结果证明了该文新型单元和算法的效率和精度。     

基于增量谐波平衡法的含索铰可折展桁架非线性动力学特性

为了揭示含索铰可折展桁架的非线性动力学行为,建立了考虑铰链间隙、刚度和阻尼及索非线性特性的可折展桁架纯弯曲动力学模型。对非线性动力学方程进行一次泰勒展开和参量的多次谐波描述,实现了非线性动力学方程到代数方程的转化,通过迭代进行非线性动力学系统的响应计算。并利用龙格库塔方法对非线性系统进行数值分析,与增量谐波平衡(IHB)法进行对比,验证了IHB法计算的正确性。以激振频率为变化参数,对悬臂支撑的含索铰桁架结构进行解的稳定性分析,得到铰链间隙、铰链刚度、激振力和索对结构响应稳定性的影响。基于IHB法可快速准确的进行多自由度可折展结构动力学求解,为研究大型折展桁架的动力学行为奠定了基础。     

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。     

剪式可展机构非线性动力学分析的子系统方法

剪式可展机构由相互耦合的闭环子系统构成,针对这种拓扑结构的多体系统,给出了基于子系统模型的非线性动力学建模方法。将剪式可展机构分解为多个简单子系统,推导出子系统等效质量矩阵和等效力向量,通过子系统间的反向递推求解整个多体系统的等效质量矩阵和等效力向量,从而将大规模运动方程转化为简单运动方程,缩减了求解规模。所建立的子系统模型可以重复使用,且当子系统的结构或子系统个数发生变化时,便于整个剪式可展机构模型的修改,易于程式化建模。与传统方法的对比验证了该方法的正确性。     

焊钉连接件抗剪刚度计算方法研究

为建立组合结构桥梁常用的焊钉连接件抗剪刚度计算方法,通过共计40个焊钉抗剪承载性能模型试验,分析了焊钉在混凝土中的变形特点和受力机理,建立了焊钉连接件抗剪刚度计算式。研究结果表明:以剪力-滑移曲线对应滑移量为0.2mm处的割线模量作为抗剪刚度,所对应的剪力约为最大剪力的45%,并近似位于剪力-滑移曲线线性与非线性分界处;抗剪刚度计算式反映了焊钉直径、弹性模量及混凝土弹性模量的影响,物理意义明确,与试验数据具有较高的吻合度。     

索杆梁耦合结构分析模型及其应用研究

为了研究索杆滑动连接特性对索杆梁耦合结构受力的影响,定义了由一个通过滑动节点连接的三节点活动滑移索单元和多个两节点非活动滑移索单元组成的单元组,基于更新拉格朗日法推导了三节点直线型滑索单元几何非线性刚度矩阵,并建立了输电线路索杆梁耦合结构有限元模型。通过高压架空输电线路耐张段的非线性静力调索分析验证了耦合结构模型的可行性,探讨了耦合结构在导线发生断裂失效后的动响应变化规律及其传播特性。计算结果表明,导线静态张力与规范设计参数相差较小,可用于后续分析。考虑滑移的导线张力在导线断裂初期有短暂增加的趋势。导线断裂对邻近绝缘子和铁塔横担杆件的受力有明显的影响,且动响应的传播会导致邻近塔的导线张力增加。     

管拱面内五点对称加载试验及其承载力简化算法研究

进行了钢管拱和钢管混凝土拱面内五点对称加载受力全过程试验。对多点对称荷载作用下管拱受力性能进行了讨论,对管拱极限承载力的简化算法进行了分析。结果表明,对称多点集中力下,非纯压拱会发生非线性分支屈曲破坏;拱以受压为主时,管内混凝土对提高拱的极限承载力和刚度均有较大的作用;采用等效梁柱法进行管拱极限承载力计算具有较好的稳定性。     

竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥极限承载能力与失效模式分析

提出采用塑性极限分析法研究竖向荷载作用下大跨飘浮体系斜拉桥的极限承载力和失效模式。基于塑性极限分析的相关假定并结合基本机构证明了该方法应用于斜拉桥失效分析的可行性,结合飘浮体系单塔斜拉桥推导了极限承载力计算公式并分析对应的失效模式,通过优化方法-内点法获得斜拉桥塑性极限荷载及其对应失效模式,并与OpenSEES有限元分析结果进行了对比分析。结果表明:竖向荷载作用下,主梁在拉索屈服强度较小时为整体性破坏,反之则为局部性破坏;相比拉索而言,主梁屈服强度对斜拉桥破坏的影响则正相反;拉索锈蚀在降低斜拉桥极限载荷系数的同时也改变其倒塌失效模式;相比于有限元法,塑性极限分析法简便且易操作,可用于研究竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥的极限承载能力与失效模式,且能够快速有效评估结构参数变化对其失效行为的影响。     

普通钢板墙柱型剪切耗能装置抗震性能研究

提出了一种上、下由普通钢板焊接的刚度较大的约束板、中部核心耗能区段由退火热处理后的普通钢板制作的墙柱型剪切耗能装置。完成了不同加劲肋方式的8个足尺试件的拟静力试验,并从滞回曲线、承载力、延性等方面分析耗能装置的抗震性能。研究表明:该装置具有初始刚度大、承载力高和耗能性能优良等特点;改变中间耗能区段上的加劲肋方式和尺寸,有助于改善钢板剪力墙的承载力和刚度,延缓并减轻滞回曲线中的“捏缩效应”;当耗能装置丧失承载力,大多会出现中部耗能区段的局部小区格内钢板疲劳开裂、中部耗能板整体出现面外屈曲失稳、板角焊缝被撕裂等现象。     

防屈曲支撑的型式、设计理论与应用研究进展

该文综述了防屈曲支撑构件自发明以来40年的发展历程,可以看出防屈曲支撑逐步向轻型化、高承载和复杂功能方向的发展趋势。特别介绍了新近发展的全钢装配式、梭形、内核分离式、多肢格构式及桁架（索桁架与刚性桁架）约束型防屈曲支撑的型式和组成、受力机理和破坏模式、弹性屈曲荷载、单调轴压下的承载力、反复拉压荷载作用下的滞回和低周疲劳性能、试验研究成果等,重点关注防屈曲支撑的外围约束刚度、约束比门槛值、外围连接强度以及端部构造等设计理论的研究成果。综述了国内外相关规范对防屈曲支撑设计的相关规定,介绍并讨论了基于约束比和基于正则化长细比的两种设计方法。     

火灾后混凝土构件的剩余刚度估计

火灾后混凝土构件的剩余刚度是混凝土结构变形性能和抗震分析的重要指标,也是火灾后混凝土构件修复和加固的重要依据之一。该文基于等效弹性模量法、改进分段模型法以及参数反演法方法等计算了标准火灾作用后混凝土构件的剩余刚度,分析了受火时间、含钢率和截面尺寸等因素对剩余刚度的影响规律。计算表明该文发展的三种方法可以方便有效地计算火...     

冻融循环后一字形短肢剪力墙抗震性能试验研究

为了研究冻融循环作用、混凝土强度和轴压比对一字形短肢剪力墙抗震性能的影响,探讨冻融环境下一字形短肢剪力墙的轴压比限值,设计制作了6个剪跨比为1.14的一字形短肢剪力墙试件并对其进行了200次循环的人工气候冻融试验,进而进行拟静力试验。基于试验描述了各试件的破坏过程与特征,并以抗剪承载力、延性系数、塑性转角、强度衰减、刚度退化和累积滞回耗能等指标为参数,分析了冻融环境下一字形短肢剪力墙抗震性能的衰减规律。试验结果表明:冻融循环作用对一字形短肢剪力墙的抗剪承载力、强度衰减、刚度退化和耗能能力影响较为显著,而对其变形能力影响较小;冻融循环次数不变,增大混凝土强度可有效增强一字形短肢剪力墙构件的抗冻性能,提高其抗震能力;冻融环境下,应严格控制一字形短肢剪力墙构件的轴压比。     

Simulations of delamination in CFRP laminates: Effect of microstructural randomness

Due to their high specific strength and stiffness, fibre-reinforced composite materials are being increasingly used in structural applications where a high level of performance is important (e.g. aerospace, automotive, offshore structures, etc.). Performance in service of these composites is affected by multi-mechanism damage evolution under loading and environmental conditions. For instance, carbon fibre-reinforced laminates demonstrate a wide spectrum of failure mechanisms such as matrix cracking and delamination. These damage mechanisms can result in significant deterioration of the residual stiffness and load-bearing capacity of composite components and should be thoroughly investigated. The delamination failure mechanism is studied in this paper for a double cantilever beam (DCB) loaded in mode I. Several sensitivity studies are performed to analyse the effects of mesh density and of parameters of the cohesive law on the character of damage propagation in laminates. The microstructural randomness of laminates that is responsible for non-uniform distributions of stresses in them even under uniform loading conditions is accounted for in the model. The random properties are introduced with the use of Weibull’s two-parameter probability density function. Several statistical realisations are carried out which show that the effect of microstructure could significantly affect the macroscopic response emphasizing the need to account for microstructural randomness for accurate predictions of load-carrying capacity of laminate composite structures.     

可恢复预制装配式RC梁柱节点抗震性能研究EI北大核心CSCD

针对预制装配式RC梁柱节点连接及震损后快速修复的问题,提出了一种可恢复的梁柱节点连接形式。该连接主要由多缝耗能装置、抗剪连接键和预埋装置等部件通过高强螺栓连接而成。设计了一个装配式节点足尺试件并进行拟静力加载试验,研究该节点的破坏模式、承载力、变形和耗能能力等特性,并与现浇节点试件试验结果进行对比分析。结果表明:该装配式节点的初始刚度和承载力基本接近于现浇节点,且相比于现浇节点具有更高的延性、变形和耗能能力。装配式节点的破坏主要集中在多缝耗能装置上,预制梁柱构件基本保持在弹性范围内,基本可以实现节点损伤位置可控以及便于震后快速修复的目的。同时,推导多缝耗能装置的承载力-变形关系,建立装配式梁柱节点的简化分析模型,并通过试验结果验证了其准确性,可为后续研究装配式RC框架结构的抗震性能和工程分析设计奠定基础。     

大宽厚比H形截面轴压构件极限承载力直接强度法研究

利用ANSYS有限元程序对大宽厚比H形截面轴压构件的极限承载力进行了非线性有限元分析。分析中考虑了材料非线性和初始几何缺陷的影响,通过变化构件尺寸、材料屈服强度等参数,对共计44个构件进行了分析。应用新兴的直接强度法和传统的有效截面法对构件的极限承载力进行了计算。结果显示:有限元计算结果与直接强度法计算结果及有效截面法计算结果比值的平均值分别为1.039和1.098。与直接强度法相比,有效截面法计算过程较繁琐,且结果略显保守。直接强度法起源于单轴对称截面冷弯薄壁型钢结构构件的承载力计算,分析表明用其对大宽厚比H形截面柱的极限承载力进行计算是可行的。