薄壁曲线箱梁空间分析的梁段单元

广义符拉索夫薄壁梁理论耦合有限元技术 ,推导出一种能模拟拉压、弯曲、扭转、扭翘、剪切和剪力滞效应的薄壁曲线箱梁梁段单元。单元为两节点九自由度 ,除了常规梁单元的六个自由度外 ,还有三个分别考虑扭翘、剪切和剪力滞效应的自由度。利用变分原理在曲线坐标系下推导了单元刚度矩阵的显式及其等效结点荷载列阵。并在推导中考虑了曲线箱梁横截面剪心与形心不重合的影响。算例表明了本单元的有效性和准确性。     

薄壁曲线杆系结构空间分析的刚度法

本文根据断面周线不变形的薄壁曲线梁翘曲扭转理论,用能量原理导出了当轴线在同一平面内的空间薄壁曲线梁进行刚度法分析的单元刚度矩阵以及各类荷载作用时的固端力计算方法.取一个节点为七个自由度,分别为空间三个方向的线位移、角位移以及梁端的翘曲位移.在分析中,考虑了断面的剪切中心与形心不重合的影响.本文最后给出了几个算例,证明计算公式是正确的.     

梁翼缘削弱式钢框架考虑节点域剪切变形的力学性能研究

钢框架采用翼缘削弱型节点(RBS)可以提高结构延性,满足结构抗震设计要求。考虑框架节点域的剪切变形,导出连带节点域的RBS梁、柱单元刚度矩阵,利用计算软件MATLAB对RBS节点钢框架结构的内力及变形进行了分析和计算。分析结果表明:在水平荷载作用下节点域剪切变形对RBS节点钢框架变形影响较大,层位移、层间位移以及节点总转角的增量均随层数的增加而相应增大,节点域剪切变形对框架内力的影响较小;工程设计中应考虑节点域剪切变形对RBS节点钢框架侧向刚度的不利影响。     

空间钢框架几何非线性分析的新梁-柱单元

基于更新拉格朗日构形的增量虚位移原理,在其势能项中引入了全部六个应力分量,考虑了结构变形过程中由于力矩空间转动引起的连带弯矩影响及弓形效应,采用可计入单元剪切变形影响的三次多项式插值函数,详细推导了考虑剪切变形及力矩转动属性的空间钢框架梁-柱单元几何非线性切线刚度矩阵．利用框架节点的平衡条件对单元刚度矩阵进行简化,得到了结构整体的几何刚度矩阵．并通过算例证明了本方法的精确度和有效性．     

考虑剪切变形的变截面欧拉梁单元刚度矩阵

ANSYS中的Beam44单元是考虑剪切变形的变截面欧拉梁单元,为明确其单元刚度矩阵推导方法,以形函数为基础,根据虚功原理,系统给出了考虑剪切变形的变截面欧拉梁单元刚度矩阵推导过程。以矩形、圆形、圆环和箱形截面梁为例,经与ANSYS中Beam44单元刚度矩阵对比,明确了其单元刚度矩阵的推导方法、相关假定和使用要求。研究发现:变截面欧拉梁因形函数本身的近似性和截面参数随截面位置变化的复杂性,难以给出普适性的单元刚度矩阵理论表达式。ANSYS对Beam44单刚矩阵推导时,采用了以下3种处理方式以简化计算:采用与等截面梁相同的厄米特形函数,在纯弯模式单刚矩阵的积分计算中对几何矩阵和截面参数分别积分,不考虑截面剪切系数k随截面位置的变化,由此所得单刚矩阵形式与等截面梁Beam4一致。ANSYS对Beam44单元所给等效截面参数,如面积、抗扭惯矩和抗弯惯矩的表达式,源于梁单元两端截面形状为相似形且截面尺寸随杆件线性梯度变化的情况,应用于其他情况时会与理论值有一定偏差。由此可知,在使用Beam44单元时为提高计算精度,应尽量减小单元长度来控制两端截面参数比值,同时对剪切系数k宜取单元中截面的k值或左右截面的均值。     

三维退化纤维梁单元线性和非线性有限元分析

为了解决曲线梁、任意形状截面梁、以及复合材料梁等结构的计算问题,基于退化理论推导得到三维退化纤维梁单元。该单元采用平截面基本假设,考虑剪切变形的影响,用轴线节点位移表示梁单元任意一点的三维位移场。根据UL列式,推导得到该单元考虑几何非线性和材料非线性的切线刚度矩阵。由上述理论编制了有限元计算程序,通过对几个典型算例的分析,证明了这种纤维退化梁单元的精确性、高效性和通用性。     

轴压组合叠合梁自由振动的动态刚度分析

采用动态刚度分析方法,对自由振动和轴压组合叠合梁的屈曲性能进行研究。在公式中考虑了轴力、泊松效应、轴向变形、剪切变形和转动惯量的影响。通过直接求解轴压组合叠合梁自由振动的控制微分方程,建立严格的动态刚度矩阵,并用该矩阵对已有文献中其他组合梁进行计算比较,证明了动态刚度矩阵的适应性。同时,论证了轴力和边界条件对自然频率、屈曲荷载和叠合梁模式的影响。     

预应力混凝土曲线梁内力分析

基于能量法导出的空间薄壁曲线梁单元刚度矩阵和力法推导的空间等效结点荷载,对预应力曲线梁根据力学原理和微分几何基本公式推导了曲线梁预应力等效荷载的完整公式。在分析中考虑了曲线梁的翘曲作用和截面形心与剪心不重合对内力的影响,在预应力等代荷载的推导时直接计入了摩阻力的影响。在此基础上编制了计算程序并通过实例验证了程序的正确,并得出了曲线梁在水平荷载的作用下相当于拱的作用的结论。     

半刚性节点连接的内力分析

针对传统的节点连接刚性分析和设计,选用三参数模型计算连接的初始刚度;提出了钢框架中半刚性连接的梁单元刚度矩阵,并推导了半刚性梁在集中荷载作用下固端弯矩的求解公式;给出了由单元刚度矩阵总体刚度的表达形式。     

高层钢框架-混凝土剪力墙结构的超级单元法

提出了一种考虑钢框架节点柔性、梁柱pδ效应、结构PΔ效应和剪切变形的高层钢框架混凝土剪力墙结构体系的超级单元法计算方法。推导了考虑四种因素情况下,高层钢框架混凝土剪力墙的钢框架部分层抗侧刚度及钢框架混凝土剪力墙结构的超级单元刚度矩阵。     

复合材料梯形波纹夹芯板的挠度分析

考虑剪切变形的影响,研究了复合材料波纹夹芯板均布荷载下的挠度。将复合材料波纹夹芯板等效为等刚度等尺寸的均质板,应用初等梁理论计算了考虑剪切变形的波纹夹层板的挠度。作为一个算例,应用所建立的模型计算了波纹夹芯板悬臂梁结构在均布荷载下的挠度,与有限元模拟得到的结果进行比较,验证本文模型的可行性,并讨论了剪切变形对挠度的影响。     

基于拟力法的纤维梁有限元非线性分析方法

以拟力法中的弹塑性分解思路和纤维梁理论为基础,将梁单元的截面变形分解为弹性变形和塑性变形,并引入塑性自由度,在材料层面建立了基于拟力法的纤维梁有限元非线性分析方法。该方法可以保持结构整体刚度矩阵不变,其非线性状态通过局部塑性矩阵加以体现,在迭代计算时避免了结构整体刚度矩阵的实时更新与分解,且塑性矩阵相比于结构整体刚度矩阵规模小,提高了计算效率。通过数值算例,将文中方法与采用有限元软件ABAQUS的分析结果进行对比,两者吻合较好,证明了该方法的有效性。     

一种能够考虑复杂加载历史的RC框架单元模型

本文提出的单元模型把框架结构构件看作由分布弹塑性梁子单元、节点滑移子单元和剪切子单元等三个在节点上串联的子单元组成。着重介绍了分布塑性梁子单元柔度矩阵的建立过程,该柔度矩阵是在梁端塑性区域平均刚度假定和修正TAKEDA恢复力模型的基础上建立起来的。该单元模型能够考虑非线性变形随复杂加载历史在端部关键受力区域的逐步扩展和反弯点位置的移动,整个推导过程力学概念明确,所获得的柔度矩阵为对称矩阵,便于数值计算。计算结果与试验结果比较表明,本文提出的分布塑性梁单元模型可以较好地反映试件的滞回性能。     

大型渡槽结构地震响应分析

大型渡槽槽身采用薄壁杆件结构,渡槽支架与槽身采用盆式橡胶支座连接,根据此结构特点,提出了大型渡槽结构地震响应分析模型.该模型综合考虑了渡槽槽身横向弯扭耦合振动、约束扭转变形、渡槽支架变形和盆式橡胶支座等对渡槽动力响应的影响.采用能量原理给出了渡槽梁段单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵的表达式.具体计算了某大型渡槽的地震响应,计算结果表明本文模型计算渡槽结构的地震时程响应与大型结构分析程序SAP93计算的结果十分接近,但本文方法相当简单,计算工作量小,使用方便,是大型渡槽结构地震响应计算的实用模型.     

装配式小箱梁桥荷载横向分布系数探究

以某装配式小箱梁桥为例,采用空间有限元法计算荷载横向分布系数,并与常用的近似计算方法的理论计算数据、实验实测数据进行了对比。结果表明,简支装配式小箱梁桥跨中荷载横向分布系数采用刚接板梁法与空间有限元法及实测挠度、主梁应力得到的横向分布系数较为接近,适用于小箱梁结构设计;先简支后连续装配式小箱梁桥跨中荷载横向分布系数采用等代刚度法与空间有限元法及实测挠度、主梁应力得到的横向分布系数更为接近;杠杆法计算的支点剪力荷载横向分布系数对以上2种结构体系均适用。     

Consideration of the problem of shearing and torsion of thin-walled beams with arbitrary cross-section

In structural analysis it is often necessary to determine the geometrical properties of cross-sectional areas. The location of the shear center is of greater importance for a thin-walled cross-section. The purpose of this paper is the computation of the shear center of arbitrary thin-walled cross-sections using the finite element method. The coupling problem of shearing and torsional deformation of thin-walled beams based on Saint Venant's theory is considered. This problem of coupled shearing and torsional deformation was analyzed using the finite element method in which the matrix of shear rigidity and torsional rigidity were determined. The shear center can be obtained by determining the coordinate axes so as to eliminate the nondiagonal terms. Then, applying the stiffness matrix of shear rigidity and torsional rigidity obtained in the above, the stiffness matrix of the space framework elements in which the shear deformation is taken into consideration is developed.     

含剪切带单元模型及其在边坡渐进破坏分析中的应用

提出了含剪切带单元模型。根据最小势能原理,确定了由剪切带横截而产生的新节点位移同单元周边节点位移之间的关系,求出该单元的等效刚度矩阵和等效载荷向量,然后和其他普通单元一起形成总刚度矩阵和总载荷向量求解。应用含剪切带单元模型和破坏面自动寻踪技术,模拟了边坡的渐进破坏过程,分析了粘聚力、内摩擦角和残余系数对滑动面形迹和安全系数的影响。计算结果表明,考虑渐进破坏所得到的滑动面类似于悬链线而非圆弧,这与实际观察和理论分析所得的结果一致。进一步的研究表明,滑动面形迹不仅与边坡中的应力与强度有关,而且还与前一段的破坏历史有关。强度参数对滑动面形迹的影响较小,但对安全系数的影响较大。     

基于结构精细化模拟分析平台的弯剪纤维单元模型

为模拟钢筋混凝土柱在轴力、剪力和弯矩耦合作用下的非线性滞回特性,利用显式中心差分法,建立一种基于显式算法的弯剪纤维单元模型,并引入到结构精细化模拟分析（RSAPS）平台中。该模型基于Timoshenko梁理论,材料模型选用基于修正斜压场理论（MCFT）的二维钢筋混凝土本构模型。应用RSAPS平台分别模拟往复荷载作用下发生弯曲、弯剪和剪切破坏的钢筋混凝土柱的滞回性能,并将分析结果与试验和未考虑剪切变形的纤维单元模型模拟结果进行对比。结果表明：对于发生弯曲破坏的构件,由于剪切变形较小,未考虑剪切变形的纤维单元和弯剪纤维单元均可以较好地模拟构件的滞回性能;而对于发生弯剪破坏和剪切破坏的构件,采用未考虑剪切变形的纤维单元模型,会高估构件的初始刚度和耗能能力,也会高估其受剪承载力;而所提出的弯剪纤维单元模型能较好地模拟构件的刚度和承载力退化,同时,也能较好地模拟滞回曲线中的捏缩现象,模拟结果与试验结果吻合较好。     

几何非线性新梁柱单元及结构程序设计

基于更新拉格朗日构形的增量虚位移原理,在其势能项中引入了全部6个应力分量,采用可计入单元剪切变形影响的三次多项式插值函数,详细推导了考虑剪切变形及翘曲的空间梁—柱单元几何非线性切线刚度矩阵。根据面向对象的程序设计思想,将整个有限元域划分为8个基本类,在单元基类的基础上派生了新的单元类,采用C++语言编制了面向对象的空间钢结构分析程序。几何非线性算例分析结果表明,本文提出的理论分析方法和计算程序是正确的和高效的。