考虑剪切变形的连续钢-混组合梁动力特性分析EI北大核心CSCD

考虑剪切变形和剪切滑移的影响,提出了一种适用于分析连续钢-混组合梁(steel-concrete composite continuous beams, SCCCBs)动力特性的理论模型。把连续钢-混组合梁的n-1个中间支撑代替为未知反力Ri(i=n-1),从而连续组合梁的动力学问题退化为承受未知荷载的简支组合梁动力学问题。通过Laplace变换和逆变换,得到包含未知反力的振型函数。代入梁端和中间支撑边界条件,即可获得关于n-1个未知反力的线性方程组,由其系数矩阵行列式不为0即可求得自振频率。模型中把混凝土子梁和钢梁分别按照独立的Timoshenko梁单元考虑,相比于子梁同剪切转角假设模型和不考虑剪切变形的模型,具有更高的计算精度。最后,分析了剪切变形、边中跨比和跨高比等因素对连续钢-混组合梁自振特性的影响。结果表明:该理论计算结果具有更高的计算精度;当L/(nh)>10时,可忽略剪切变形对连续钢-混组合梁自振频率的影响。     

基于等效单层理论的钢-混组合梁动力分析方法

基于Reddy高阶梁理论和黏结滑移理论,提出了钢-混组合梁动力分析的等效单层理论有限元计算模型。模型中考虑了混凝土板与钢梁之间的剪切滑移和各子梁剪切变形的影响。钢-混组合梁的轴向位移沿梁高假定为三阶函数,从而可以更加准确的模拟剪切应力的抛物线变化。该计算模型的优点是预先在构建的组合梁高阶位移场中考虑了子梁间的剪力连续性和上下表面无剪应力条件,使得到的等效单层位移场函数中不包含横向位移的一阶导数,从而在有限元计算时只需要使用C~0连续的插值函数。最后,通过与已发表的论文中数值结果对比,说明了该计算模型的合理性、适用范围和计算精度。结果表明:等效单层理论可适用于分析钢-混组合梁的自振特性,具有较高的计算精度;且高跨比越大,该计算模型的优势越明显。     

Reddy高阶组合梁的非线性有限元分析

该文基于Reddy高阶梁理论,提出了小变形双层组合梁的隐式运动学假定;应用拉格朗日乘子法,将该隐式关系引入到组合梁的最小势能原理,得到了考虑各子梁和粘结滑移层非线性材料特性的高阶组合梁非线性位移法有限单元,且该单元可以容易地转化为非线性Timoshenko和Euler-Bernoulli组合梁有限单元。随后,该研究分别应用提出的Reddy、Timoshenko和Euler-Bernoulli组合梁有限单元对双跨连续钢-混凝土组合梁进行了准静力分析,考察剪切效应对组合梁构件的挠度、粘结层滑移和截面应力的影响,且参数分析了组合梁的跨高比对剪切效应的影响。参数分析表明:短粗组合梁结构往往表现出显著的剪切效应,Newmark假定不再适用。     

基于压弯耦合效应下预应力梁的竖向自由振动研究

基于大位移广义变分原理,考虑梁的压弯耦合、剪切应变能和转动惯量的影响,建立了预应力梁的不完全广义势能泛函,通过对位移变分,推导出预应力梁自由振动微分方程。并以预应力混凝土简支梁和悬臂梁为例,通过引入边界条件,求出了自由振动频率的解答。对比Bernoulli-Eular梁和Timoshenko梁,详细分析了轴向荷载、剪切效应和转动惯量对自振频率的影响,研究发现,轴向压力荷载可使梁的自振频率降低,反之增大。剪切变形的影响约为转动惯量的3倍,随着主模态阶数的增加和长细比L/r的减小,轴向荷载、剪切变形和转动惯量的影响非常显著。因此,对于预应力混凝土梁,当跨高比L/h≤8,或长细比L/r≤28时,必须考虑轴向荷载、剪切变形和转动惯量的影响,通过与Bernoulli-Eular梁和Timoshenko梁的精确解相比较,证明该文的解答是正确的。     

变截面压电层合梁自由振动分析

考虑压电材料的质量效应和刚度效应,将表面粘贴或埋入式压电悬臂梁看作变截面梁,研究压电材料对智能结构固有特性的影响。基于一阶剪切变形理论导出压电层合梁的抗弯刚度和横向剪切刚度,计及梁的剪切变形和转动惯量,采用Timoshenko理论推导变截面压电层合梁的频率方程。给出了T300/970压电层合梁和硬铝压电层合梁的前3阶固有频率,并和有限元结果、等截面梁的计算结果进行比较。计算表明,压电材料对压电结构固有频率和固有振型的影响显著,在以振动控制为目标的压电结构动力学建模过程中,有必要考虑压电材料的质量和刚度。     

单桩基础海上风机横向自振频率求解及参数敏感性分析EI北大核心CSCD

梁理论的合理选择对风机横向自振频率的求解意义重大。以往提出的海上风机自振频率计算方法都基于某一种梁理论,且缺乏各参数的敏感性分析。为了对比不同梁理论对风机自振频率求解的影响,采用回传射线矩阵法,分别基于Bernoulli-Euler梁、经典Timoshenko梁和修正Timoshenko梁理论,提出海上风机横向自振频率计算方法,通过实测数据验证了该方法的准确性,并综合对比各参数的敏感性。研究结果表明:Bernoulli-Euler梁理论未考虑剪切变形与转动惯量,自振频率计算结果略大于Timoshenko梁理论;剪切变形引起的转动惯量可以忽略不计,修正Timoshenko梁理论与经典Timoshenko梁理论计算结果一致,但物理意义更加清晰;基频对塔筒结构参数的敏感性最高,其次是连接段与桩基;基频对塔筒高度的敏感性最高,对海床高度与叶轮机舱组件质量的敏感性较高,壁厚变化对基频的影响不显著。     

《薄壁Timoshenko梁弯扭耦合振动的动态有限元法》

通过直接求解单对称均匀薄壁Timoshenko梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其精确的动态刚度矩阵。在本文研究中考虑了弯扭耦合、翘曲刚度、转动惯量和剪切变形的影响。针对某弯扭耦合的薄壁梁算例,应用本文推导的动态刚度矩阵,采用自动Muller法和结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,计算了该薄壁梁的固有特性,并讨论了翘曲刚度、剪切变形和转动惯量对该弯扭耦合薄壁梁的固有频率和模态形状的影响。数值结果验证了本文方法的精确性和有效性,并指出随着模态阶次的增加,剪切变形、转动惯量和翘曲刚度对薄壁梁的固有特性的影响更加显著。     

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。     

基于能量法分析考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁自振特性

对于考虑剪力键纵向分布不均匀或梁体变截面的钢-混组合梁,为了分析其自振特性,基于Hamilton原理并利用分区变分法,建立了考虑相对滑移影响的钢-混组合梁运动控制微分方程。给出了简支-简支、固支-自由、固支-简支和固支-固支等四种常见边界条件下自振特性的计算方法。以两孔考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁为例,计算了其基频和一阶振型,并与ANSYS软件数值分析和实验测试结果进行了对比分析。结果表明,三者结果基本一致,说明该研究的方法可以用于分析考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁自振特性。     

考虑剪切变形影响的斜梁桥自振频率的解析方法

斜梁桥振动频率没有显式解,给使用《公路桥涵设计通用规范》方法计算冲击系数带来不便。考虑斜梁桥振动时的弯扭耦合效应,分别采用修正的Timoshenko梁理论建立其弯曲振动的动态刚度矩阵,采用Saint-Venant扭转理论建立其自由扭转振动的动态刚度矩阵,结合斜支承边界条件,导出斜支承坐标系下的动态刚度矩阵,提取弯矩-转角的刚度方程,根据其奇异条件建立关于斜梁桥自振频率的超越方程,采用二分法对超越方程进行求解以得到自振频率。该文分析了一座标准A型单跨斜箱梁桥考虑与不考虑剪切变形影响时的前5阶振动频率随斜交角的变化,比较了正交简支初等梁和正交简支深梁、斜支初等梁和斜支深梁的前5阶频率。结果显示:斜梁桥基频随斜交角的增大而增大、第2阶频率随斜交角的增大而减小;斜梁桥振动频率的计算应采用考虑剪切变形影响的深梁理论。     

Vibration of nonclassical shear beams with Winkler-Pasternak-type restraint

Transverse vibration of the shear beams containing rotary inertia and with a two-parameter elastic foundation is studied. Using asymptotic analysis of Timoshenko beam theory, we derive explicit characteristic equations of the nonclassical shear beams with Winkler-Pasternak elastic restraint and with both ends linked to translational and rotational springs. The condition of the nonclassical shear beams reducing to the classical ones is found. Natural frequencies of the nonclassical modes are evaluated for free- and pinned-elastically restrained shear beams with or without bracing. The influences of elastic restraint stiffness and rotary inertia on the natural frequencies are discussed. Some extreme cases can be recovered from the present. The obtained results are helpful in the design of a tall frame building.     

内置钢板-高延性混凝土组合连梁抗震性能试验研究

为提高钢板与混凝土的协同变形能力,提出采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土,设计了2个内置钢板-高延性混凝土(HDC)组合连梁与2个内置钢板-混凝土组合连梁对比试件。通过拟静力试验,研究试件的破坏过程、破坏形态、滞回特性、耗能能力及刚度退化等。结果表明:跨高比为1.5的试件均发生剪切破坏,跨高比为2.5的试件均发生剪切黏结破坏;与混凝土组合连梁相比,HDC组合连梁的延性和耐损伤能力均得到明显提高;试件发生剪切破坏时,HDC组合连梁较混凝土组合连梁的极限位移角和累积耗能分别提高了44.4%和83.5%;试件发生剪切黏结破坏时,HDC组合连梁的耗能能力仍有较大幅度提高。根据4个小跨高比组合连梁试验结果,计算得到其设计剪压比为0.48~0.57,明显高于小跨高比连梁的剪压比限值。基于试验结果和受剪机制分析,提出了小跨高比组合连梁的受剪承载力计算公式,其计算值与试验值吻合较好。     

Stability and vibration analyses of carbon nanotube-reinforced composite beams with elastic boundary conditions: Chebyshev collocation method

This article aims to investigate stability and vibration behavior of carbon nanotube-reinforced composite beams supported by classical and nonclassical boundary conditions. To include significant effects of shear deformation and rotary inertia, Timoshenko beam theory is used to formulate the coupled equations of motion governing buckling and vibration analyses of the beams. An effective mathematical technique, namely Chebyshev collocation method, is employed to solve the coupled equations of motion for determining critical buckling loads and natural frequencies of the beams with different boundary conditions. The accuracy and reliability of the proposed mathematical models are verified numerically by comparing with the existing results in the literature for the cases of classical boundary conditions. New results of critical buckling loads and natural frequencies of the beams with nonclassical boundary conditions including translational and rotational springs are presented and discussed in detail associated with many important parametric studies.     

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。     

基于有限元法的周期压电智能梁滤波特性分析

周期结构具有通频和禁频特性,使其在动态载荷的滤波器、具有主动控制功能的结构研究中得到了重要应用。基于Timoshenko梁理论,考虑基梁和压电片的转动惯量和剪切效应,采用有限元法和传递矩阵法推导了波在周期性地粘贴压电片的Timoshenko梁中的传播模型,分析了几何尺寸和材料特性对其频带性质的影响,并与Bernoulli-Euler梁理论得到的结果进行了对比。研究表明,当基梁与压电层厚度比达到40时,禁带带宽减小了54%,因此对于周期结构中的深梁,应舍弃Bernoulli-Euler梁理论而采用Timoshenko梁理论建立的模型;对于不同尺寸和材料特性的压电周期结构,频带性质会有很大不同,可以通过调整结构的参数来改变其频带性质,从而改变波动在结构中的传播特性。     

弹性支撑旋转Timoshenko梁动力学特性

为研究弹性支撑旋转梁动力学特性随转速及弹性支撑参数变化规律,考虑剪切效应、转动惯量和陀螺效应,采用Hamilton原理推导旋转Timoshenko梁动力学方程,应用Chebyshev谱方法获得系统涡动频率与模态振型数值解。结果表明,在高速转动状态下陀螺效应、支撑结构刚度对Timoshenko梁动力学特性有显著影响;各阶固有频率随着转速增加而分成正向涡动频率与反向涡动频率,高阶频率变化幅度更大;涡动频率随支撑结构直线刚度增加而呈阶梯状变化,当直线刚度增加到一定值后系统涡动频率将保持稳定;随着支撑结构转动刚度增加,涡动频率出现一个最小值与最大值,前者低于自由边界条件下频率值,后者高于固定边界条件下频率值。相关结果可用于各类旋转梁机构的设计与优化。     

Development of a Novel Beam Model and Its Dynamic Characteristics

Rotatory inertia due to the shear deformation is usually neglected for all engineering beam models. This article, however, introduces a novel beam model that further considers the rotatory inertia caused by the shear deformation, based on the Timoshenko beam model. The equation of motion for the proposed beam model is derived. Its dynamic characteristics, including wave and vibration characteristics, are studied in detail. Numerical simulations are conducted and related issues are discussed. It is found that the improvement is negligible when the wave number or vibration order is small for thin beams. However, the improvement is evident when the wave number or vibration intensity is fairly large for thick beams. This research finding reveals that only one frequency spectrum, one set of the wave phase velocities, and one set of group velocities should be considered in Timoshenko-type beams. This finding can help settle the debate in the literature on how many frequency spectra should be considered for these analyses. This research study shows that the proposed new beam model is more reasonable, accurate, and it is a more realistic model.