高层钢框架的非线性分析模型

本文提出了对高层钢框架考虑材料非线性和几何非线性的分析方法。几何非线性分析模型包括考虑杆件大变形和框架结构在受力状态下的任意大变形平衡。杆件大变形效应包括轴向力弯曲刚度,杆端大侧移,杆端大转角,杆件大应变以及它们之间的相关作用。本文还讨论了切线刚度矩阵中非线性项的几何意义。并利用考虑了几何非线性和材料非线性的分析模型编制了电算程序,该程序能追踪位移与外力关系的全过程。     

几何非线性与徐变共同作用下三维杆系结构有限元分析

几何非线性与徐变均为大跨或高耸柔性混凝土结构分析中必须考虑的重要因素,而现有计算方法通常只单独考虑,而未考虑两者的共同作用。基于几何非线性分析的随转坐标法和徐变效应分析的初应变法,该文首先建立三维梁元在随转坐标系下计入初应变效应的几何非线性平衡方程;再利用静力平衡原则,导出三维梁元在结构坐标系下同时考虑几何非线性与徐变的平衡方程,提供了详细的分析流程,编制了相应的非线性计算程序。以某大跨径混合梁斜拉桥混凝土桥塔为例,进行了考虑混凝土徐变效应的几何非线性分析;结果表明,无论是几何非线性还是徐变,单独考虑时得到的内力和位移结果均小于考虑两者共同作用得到的结果,因此在大跨或高耸柔性混凝土结构分析中考虑几何非线性与徐变共同作用是很有必要的。     

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。     

既有钢筋混凝土拱肋承载力测试与分析

对于服役多年的钢筋混凝土桥梁,混凝土开裂、钢筋锈蚀等存在着复杂性和随机性,对其性能影响很大。基于实桥两根服役28年的钢筋混凝土拱肋极限承载能力试验研究,详细阐述了拱肋的荷载位移、荷载应变关系、残余承载力以及失效形势,分析了影响承载力的相关因素,给出了服役多年混凝土的本构关系,分别建立了考虑与未考虑老化与损伤的拱肋极限承载能力的有限元计算模型,并对比分析了理论计算值和实验结果。各项研究表明初始裂缝、钢筋锈蚀和拱轴线的线形对结构的承载能力和失效形势有较大影响。     

钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力试验研究

进行了钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力全过程的试验研究。研究表明,在面内和面外荷载共同作用下,面内的受力性能对初始缺陷的敏感性要大于面外受力;面外变形是钢管混凝土单肋拱极限承载能力的主要控制因素;与面内受力相反,空间受力时,几何非线性成为钢管混凝土拱的非线性性能与极限承载力的主要影响因素,材料非线性降为次要的影响因素。对应用通用程序进行钢管混凝土拱空间受力双重非线性有限元分析进行了探讨。     

重力坝坝内厂房周边混凝土的应力分析

本文考虑混凝土材料的弹塑性，对坝内设有厂房的某混凝土重力坝进行了三维非线性有限元分析，结果对指导工程设计具有和现实意义。     

混凝土结构非线性徐变计算方法研究

为准确分析既有病害条件下的混凝土结构长期变形及受力行为, 该文进行了混凝土材料非线性徐变计算方法研究。以非线性弹性徐变本构理论为基础, 利用Hongnestad模型推导出材料软化系数, 提出一种新的非线性徐变本构模型, 采用初应变法进行显式迭代, 实现混凝土材料非线性徐变分析。以混凝土徐变及开裂的线性耦合假定为基础, 模拟长期持载过程中裂缝的扩展。采用ADINA用户子程序二次开发实现了相关算法, 并通过混凝土非线性徐变经典试验的对比分析, 验证了计算方法的可靠性。     

预应力混凝土曲线桥极限承载能力分析

针对梁段法难以客观分析预应力混凝土(P.C.)曲线桥梁极限承载能力的问题,提出采用实体退化单元的三维分析方法。基于经典的三维实体等参元和梁、板壳等理论,提出了新型实体退化单元,建立了用于钢筋模拟的三维弥散模型,从几何非线性、材料非线性及求解方法等三个方面对极限承载能力分析的具体实现方式进行了讨论。用一试验结果对该方法进行了验证,并将其用于四跨P.C.曲线梁桥,从破坏型式、应力变化及变形发展等方面对结构极限状态进行了分析。结果表明:该方法通用、可靠,应用于实桥是可行的,为更深入了解P.C.曲线梁桥极限状态性能提供了新的方法。     

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。     

三维退化壳条分析钢筋混凝土板壳

将三维退化壳条应用到板壳结构的非线性分析,几何非线性是通过VonKármán假定考虑的。将钢筋混凝土结构的材料非线性特性应用于壳条,该壳条可以用来分析变厚度、任意配筋的钢筋混凝土板壳几何和材料非线性。利用“拟刚度矩阵法”,消除了有限条法在非线性分析时刚度矩阵与级数项的耦合,大大简化了有限条在处理非线性问题时的数值计算。两个算例的结果验证这种理论方法的有效性和精度。     

氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究

氯离子侵蚀作用引发的结构耐久性损伤将导致RC结构抗震性能发生时变劣化。在材料层次,该文通过考虑钢筋截面削弱、保护层混凝土开裂软化、核心区混凝土极限压应变降低等模拟氯离子侵蚀对RC框架结构材料性能的影响,并基于试验数据验证了模拟方法的准确性;在结构层次,基于上述材料力学性能退化模型和纤维模型,对3层、6层与8层多不同服役期(0年、30年、50年和70年)RC框架结构进行数值建模,继而进行了静力与动力弹塑性分析,研究了其随服役期增长承载与变形能力退化规律和层间位移角分布变化规律。研究结果表明:结构腐蚀后,随着服役期的增加,结构承载力、特征点位移、位移延性、软化段刚度等抗震性能指标均逐渐减小,结构的屈服PGA和倒塌PGA亦不断降低,结构最大层间位移角不断增大,且结构在罕遇地震作用下层间位移反应受服役期影响较设防地震作用更为明显。     

A nonlinear modified couple stress-based third-order theory of functionally graded plates

In this paper a general nonlinear third-order plate theory that accounts for (a) geometric nonlinearity, (b) microstructure-dependent size effects, and (c) two-constituent material variation through the plate thickness (i.e., functionally graded material plates) is presented using the principle of virtual displacements. A detailed derivation of the equations of motion, using Hamilton’s principle, is presented, and it is based on a modified couple stress theory, power-law variation of the material through the thickness, and the von Kármán nonlinear strains. The modified couple stress theory includes a material length scale parameter that can capture the size effect in a functionally graded material. The governing equations of motion derived herein for a general third-order theory with geometric nonlinearity, microstructure dependent size effect, and material gradation through the thickness are specialized to classical and shear deformation plate theories available in the literature. The theory presented herein also can be used to develop finite element models and determine the effect of the geometric nonlinearity, microstructure-dependent size effects, and material grading through the thickness on bending and postbuckling response of elastic plates.     

混凝土坝地震动力损伤分析

基于塑性损伤本构理论,将损伤变量作为内变量,在Drucker-Prager本构模型中引入损伤变量,考虑材料损伤引起的材料劲度的退化,基于非关联流动法则计算材料的塑性应变,根据材料的有效塑性应变计算损伤量,考虑到张开裂缝闭合时材料弹性劲度的恢复,推导了考虑塑性损伤的混凝土动态本构关系,并给出了内变量的计算步骤和动力方程的迭代格式。最后利用建立的动态本构模型对Koyna重力坝进行了非线性地震响应时程分析,并给出了关键时刻坝体最大受拉损伤分布,结果表明在坝颈和坝基处出现了较大的损伤,坝颈处的损伤最终形成由下游向上游的开裂破坏,这与该坝的实际震害较为一致。     

基于共旋坐标和力插值纤维单元的RC框架结构连续倒塌构造方法

悬链机制会使钢筋混凝土框架结构产生有助于抵抗连续倒塌的附加承载能力,对结构抗连续倒塌能力至关重要。悬链机制处于几何大变形和材料非线性下降段的状态下,需要同时考虑材料非线性和几何非线性,因此对数值分析模型提出了更高的要求。为了解决基于力插值的纤维单元同时处理材料非线性和几何非线性的问题,该文采用基于共旋坐标法,提出了一种基于共旋坐标法的力插值纤维单元。该单元在形成中把变形体和刚体分开,局部坐标系的变形体内采用纤维划分考虑材料非线性,然后加上刚体位移,从局部坐标系到整体坐标系的转换中采用共旋坐标法以考虑几何非线性,给出了二维单元形成原理及非线性求解过程。实例分析结果表明基于共旋坐标法的力插值纤维单元能够较准确的模拟RC框架结构连续倒塌,梁机制阶段主要是材料非线性起控制作用,悬链线机制阶段主要是几何非线性起控制作用。     

Correlation of tensile and flexural responses of strain softening and strain hardening cement composites

Closed form equations for generating moment–curvature response of a rectangular beam of fiber reinforced concrete are presented. These equations can be used in conjunction with crack localization rules to predict flexural response of a beam under four point bending test. Parametric studies simulated the behavior of two classes of fiber reinforced concrete: strain softening and strain hardening materials. The simulation revealed that the direct use of uniaxial tension and compression responses under-predicted the flexural response for strain softening material while a good prediction for strain hardening material was obtained. The importance of strain softening range on the flexural response is discussed using non-dimensional post-peak parameters. Results imply that the brittleness and size effect are more pronounced in the flexural response of brittle materials, while more accurate predictions are obtained with ductile materials. It is also demonstrated that correlations of tensile and flexural results can be established using normalized uniaxial tension and compression models with a single scaling factor.     

A new shear-flexible FRP-reinforced concrete slab element

In this paper, a simple shear-flexible rectangular layered FRP-reinforced concrete slab element is developed based on Mindlin–Reissner plate theory and Timoshenko’s composite beam functions for nonlinear finite element analysis of FRP-reinforced concrete slabs. The Timoshenko’s composite beam functions are developed for FRP-reinforced concrete slabs based on those for composite laminates. The plane displacement interpolation functions of a quadrilateral isoparametric element with drilling degrees of freedom are employed to describe the membrane effects and the bending effects of the slab element are represented by the rotation functions of the slab element derived from Timoshenko’s composite beam functions. Both geometric nonlinearity and material nonlinearity of the materials are included in the new element. The efficiency of the element for nonlinear finite element analysis of FRP-reinforced concrete slabs is validated by comparing the computed results of two numerical examples with those obtained from lab tests.     

Winkler地基上材料非线性矩形薄板主参数共振研究

研究Winkler地基上材料非线性矩形薄板受参数激励的参数共振动问题。按照弹性力学理论建立Winkler地基上材料非线性矩形薄板受参数激励的动力学方程。利用Galerkin方法将其转化为非线性振动方程。应用非线性振动的多尺度法求得系统满足主参数共振条件的一次近似解，并进行数值计算，分析定常解的稳定性。给出主参数共振系统参数平面的分岔集和幅频响应方程的分岔图。分析激励、调谐值、阻尼系数、非线性参数、几何参数对共振响应曲线的影响。     

转动柔性梁横向振动的一种近似解法

通过随体坐标系的建立分析做定轴转动的刚柔耦合系统的变形运动,在考虑柔性梁轴向、横向变形和截面弯转的情况下,采用Green应变理论分析系统的几何非线性.然后用微元法从应力-应变的角度得出了系统的动力学方程.在考虑梁的几何非线性的同时,通过忽略其轴向变形,得出一个描述转动梁横向振动的强非线性方程.最后采用一种改进的L-P法求得了方程的一阶近似解,通过与能量法所得结果的比较表明,所得近似解有较好的精度.