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。     

平面杆系结构几何非线性数值分析

本文基于Ｔ．Ｌ坐标，导出了梁单元的几何非线性的割线刚度矩阵和切线刚度矩阵显式，算例表明，本文的两个刚度矩阵可有效的分析平面杆系结构的几何非线性问题。     

空间杆系钢混结构非线性问题的有限元解

本文推导了建立了用于空间杆系结构非线性计算的多结点空间等参杆单元，这一单元利用等参元的概念，结合有限位移的增量理论，引入钢筋混凝土的弹塑性强化材料模型，有效地解决了空间杆系结构的非线性分析计算问题，能更好地处理空间曲杆，在处理单元弹塑性非线性时，采用了以单元内积分法的弹塑性状态，综合描述单元的弹塑性状态的方法，比较计算结果，这一单元计算模型是合理，有效的，能够解决空间杆系结构的非线性计算问题。     

混凝土结构抗震非线性分析模型、方法及算例

结构在大震作用下会进入非线性并产生损伤,准确预测地震荷载下钢筋混凝土结构的非线性行为,对评估混凝土结构的抗震安全性具有重要意义。清华大学土木工程系近年来开发的适用于钢筋混凝土杆系结构的纤维模型THUFIBER程序,适用于预应力混凝土杆系结构的纤维模型NAT-PPC程序,以及适用于剪力墙结构的分层壳墙元模型的非线性分析程序。这些程序可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,可以模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为,借助通用有限元程序方便的前后处理功能和非线性计算功能,该程序可以准确模拟地震作用下结构的三维非线性地震响应,也可模拟爆炸、倒塌等极端非线性行为,通过一系列的数值分析与试验结果的对比和工程应用算例,说明所研发程序的精度和计算能力。     

任意截面预应力混凝土细长柱的非线性分析

提出了轴力和双向弯曲作用下任意截面混凝土和预应力混凝土细长柱的非线性有限元计算模型。分析时既考虑了由单元变形和轴力二次矩引起的几何非线性效应,也考虑了由材料非线性应力应变关系和截面刚度矩阵引起的材料非线性效应。推导了非线性全过程分析的标准有限元公式,得到的单元刚度矩阵可分割成三个子矩阵,分别反映了材料非线性、材料非线性和单元大位移的耦合、轴力二次矩等三种不同的非线性作用效应。计算分析结果和试验结果吻合较好。     

塑性梁—柱分析的多分段单元

在材料弹性范围内,梁－柱受力问题可归为几何非线性问题。而材料进入塑性后梁－柱受力问题就成为双重非线性问题。当材料进入塑性后,梁－柱在宏观上表现为截面刚度的改变。因而将一个梁－柱单元看成是多个截面刚度在不断改变的杆段组成后,则梁－柱塑性受力问题就可以简化为几何非线性问题。本文首先推导由3个不等刚度杆段组成的杆元的刚度矩阵,从而得到9个杆段及27个杆段组合成的杆元的刚度矩阵。算例表明,采用27个变刚度杆段的梁－柱单元有很好的精度。在结构整体分析中,采用一个单元来模拟一个梁－柱构件,从而高效、高精度地实现结构的双重非线性分析。     

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。     

联肢剪力墙非线性分析模型研究及数值模拟验证

联肢剪力墙体系由于连梁的存在使得其在地震作用下的非线性行为与实体剪力墙结构相比变得更为复杂。该文改进了基于修正力插值单元（MFBFE）的柔度矩阵,将其作为该体系墙肢和连梁的非线性分析单元;建议了一种对角斜筋配筋方式连梁截面的剪切滞回模型（DCBHShear）,其骨架曲线采用三折线型,包括开裂点、屈服点、极限点公式的确定,卸载、再加载刚度的变化通过剪切位移延性和刚度折减系数控制,捏拢影响由捏拢系数控制。在OpenSees中的单元类和单轴材料类开发改进的MFBFE单元和DCBShear模型,并结合实体剪力墙截面的剪切滞回模型（SWShear）和OpenSees中已有的单轴材料Steel02、Concrete02分别对两个四层1∶3缩尺的联肢剪力墙试件建模和非线性分析,给出了OpenSees框架下改进后的MFBFE单元调用这些单轴材料的实现方式。分析结果与试验结果对比显示该方法成功预测了两个试件的初始刚度、峰值力以及滞回耗能,具有较高的精度。     

钢-混凝土组合简支梁滞回性能非线性有限元分析

为实现钢-混凝土组合简支梁滞回性能三维非线性有限元分析,该文提出混凝土在单轴拉、压应力下的损伤变量计算方法,给定了混凝土的卸载规则,完善并提出混凝土应力-应变滞回本构关系和钢材循环本构关系,应用ABAQUS有限元软件建立混凝土棱柱体试件、钢材试件和钢-混凝土组合简支梁有限元三维非线性有限元模型,对混凝土棱柱体试件在单轴受压和受拉反复荷载下的试验结果进行分析,对钢材试件在单轴拉压循环荷载下的试验结果进行分析,对钢-混凝土组合简支梁在循环荷载下的荷载-挠度滞回关系、梁端荷载-滑移滞回关系以及栓钉的荷载-侧向变形滞回关系曲线等试验结果进行分析,计算结果与试验结果符合较好。     

基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析

为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能,基于分层壳单元与非线性纤维梁单元,在ABAQUS软件中进行用户材料模型子程序二次开发。用分层壳单元模拟剪力墙,纤维梁单元模拟外围组合框架,分别对钢管混凝土组合框架、带钢管混凝土边框柱及型钢混凝土边框柱的组合剪力墙进行低周往复加载试验数值模拟。计算、试验结果总体吻合较好。在此基础上,对比分析该类组合剪力墙滞回性能、受力特征及破坏特征,数值模拟获得墙板在典型时刻的裂缝分布等与实测结果接近。研究表明,采用分层壳单元与纤维梁单元能较准确、有效模拟带边框柱组合剪力墙体系的滞回性能,亦能较好描述剪力墙裂缝发展情况。该方法可为实现高层建筑钢与混凝土混合结构体系抗震性能有效、准确的数值模拟分析提供参考。     

空间框架结构非线性分析的简化数值方法

钢筋混凝土框架结构正常使用期间是带裂缝工作的,合理的分析方法应考虑因开裂引起的非线性。在杆系结构有限元基础上,根据构件截面广义应力-应变关系,提出了空间框架结构非线性分析的简化数值方法——网格-等效截面法。该方法能考虑材料非线性,混凝土开裂导致构件有效刚度降低,混凝土徐变和加载历程等影响因素。给出了相应的实施步骤,并采用通用有限元软件ANSYS部分功能,自编主体计算程序的混合编程方法编制了程序。通过考题,程序编制方法正确,计算精度满足工程要求。最后,采用程序对荷载和温度作用下某超长框架结构进行了计算。     

钢管混凝土拱空间高效双非线性有限元分析

大跨度钢管混凝土空间桁架拱桥的复杂造型使得有限元分析极为特殊,对非线性分析方法的计算精度和效率提出更高要求。采用共旋坐标法,根据共旋坐标系下应变与消除刚体位移后的变形呈线性关系的特点,利用虚功原理无需迭代就能计算出该坐标系下完全粘结钢管混凝土梁单元考虑材料非线性的切线刚度矩阵,再基于场一致性原则导出结构坐标系下考虑几何与材料双重非线性的切线刚度矩阵,从而建立钢管混凝土拱空间高效非线性分析方法。编制了相应的程序,对钢管混凝土模型拱的面内与面外受力进行了计算分析,结果表明在计算精度和效率上是比较满意的。     

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。     

基于损伤理论的钢筋混凝土拱结构破坏过程的数值模拟

从一服役28年的旧拱桥上拆下来两个钢筋混凝土拱肋,对其进行了静载破坏试验。将第一作者提出的弹性损伤理论与有限元法相结合,针对钢筋混凝土结构的破坏问题,建立了相应的损伤力学有限元数值计算方法,编制了相应的计算机程序。对钢筋混凝土拱肋的破坏过程进行了数值模拟计算。拱的破坏模式、位移与应变的理论计算结果与试验结果吻合良好。得出了混凝土材料损伤特性参数的数值,揭示了混凝土材料破坏过程中一些复杂的力学行为。在较大的荷载水平下,钢筋混凝土结构呈明显的非线性特征。研究表明,本文损伤模型可以较好地描述混凝土材料的损伤与破坏行为。     

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。     

A hybrid force/stiffness matrix method for the analysis of thin-walled composite frames

A novel method for the analysis of frames constructed of thin-walled members of anisotropic composite materials is presented in this paper. The method accounts for non-isotropic coupling effects that exist in composite material beams due to the anisotropy of the composite material laminates that form the thin-walled cross section. The method also accounts for warping effects known to be significant in thin-walled members. The analysis is performed by the direct stiffness matrix method utilizing a new approach that divides each thin-walled member of the frame into one-dimensional warping-beam superelements and non-warping conventional beam elements. The element stiffness matrices for these two one-dimensional beam elements are obtained by a numerical procedure that is based on the classical force method analysis. The stiffness matrices of both beam elements are 12 × 12 matrices corresponding to the six degrees of freedom per node required for conventional space frame analysis. The remarkable feature of this representation is that warping is accounted for without introducing additional degrees of freedom to account for the bimoment and warping twist in the members. This is accomplished by use of the warping-beam superelement that linearizes the regions of non-uniform torsion in the thin-walled beam. Examples of space frame structures constructed of thin-walled composite material I-beams are presented to demonstrate the method. Results of analyses using the proposed method are compared with those obtained from two-dimensional finite element models.     

考虑反复加载时混凝土损伤积累的RC平板及剪力墙的有限元分析模型的开发

反复荷载作用下的混凝土、钢筋的本构模型是评价和分析钢筋混凝土(RC)结构的承载力-变形特性关键,旨在开发适用于反复荷载作用下RC平板、剪力墙的2维非线性有限元分析的材料本构模型,探讨并推出了反复荷载作用下在混凝土的本构模型中考虑混凝土损伤积累的方法;并对RC平板和剪力墙进行了反复加载的2维有限元模拟。分析结果与实验结果的比较表明,采用所建议的考虑损伤积累的2维非线性有限元分析模型由加载至最大承载力前能很好的模拟反复加载时RC平板、剪力墙的非线性特性。     

基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析

为更深入研究型钢混凝土剪力墙的抗震性能,在已有该类剪力墙滞回性能试验结果基础上,采用OpenSees软件中非线性纤维梁-柱单元进行低周往复加载的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力方法模拟纤维截面的抗剪。计算结果与试验结果总体吻合较好,表明该纤维模型法能较好模拟型钢混凝土剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应及刚度退化。该方法可为此类结构体系的弹塑性分析提供参考。