基于杆系离散单元法的单层网壳结构屈曲行为研究

离散单元法因适合处理大位移、非线性和非连续等问题而逐渐被应用于结构工程中,但采用离散单元法进行结构屈曲全过程分析还有待研究。为此,基于杆系离散单元法的基本理论和计算方法,提出离散元力控制法及离散元位移控制法,研究上述方法在结构弹性屈曲全过程分析中的特点及适用性,同时给出离散元位移控制法（力控制法不需要单独处理）对不同荷载工况的处理方法及离散元法在进行结构弹性屈曲分析时的计算流程。采用Fortran语言自编程序,对典型算例进行弹性屈曲全过程分析,与传统方法相比,该方法无需组集刚度矩阵,对几何非线性问题不需特殊处理即可模拟结构的屈曲行为,更具优越性,并通过结果对比,验证了离散单元法在单层网壳结构弹性失稳全过程分析中的有效性。     

基于刚体准则的空间框架弹塑性非线性分析方法

基于刚体准则,采用二阶改进塑性铰模型,构建了空间弹塑性梁单元及其弹塑性刚度矩阵,建立了高效简洁的非线性增量迭代方法,可有效分析截面屈服产生的有限转动、二阶效应等柔性空间钢框架结构材料与几何非线性耦合效应。对于受初始力平衡的单元,随着单元的刚体转动与移动,其初始平衡力在当前状态下应保持大小不变,仅方向随单元做刚体转动,而实际结构的变形可以视为较大的刚体位移与较小的自然变形(弹性或非弹性)的组合。将此刚体准则植入增量迭代法,在预测阶段采用通过了刚体运动检验的弹塑性矩阵,从而合理确定迭代初始方向;在修正阶段使用刚体准则计算单元结点力,保证了计算精度。对三个典型柔性框架结构所做分析表明,本文方法能够准确预测结构的极限承载力值与塑性铰发展过程。对于空间框架结构,每根杆件仅需划分一个单元,极大提高了计算效率、降低了计算成本。与塑性区法、纤维元法以及考虑截面翘曲的修正切线刚度法等相比,本文提出的方法具有物理概念明确、单元划分少、刚度矩阵简单、分析过程简洁、计算精度与效率高等显著特点,适于工程应用。     

组合网壳的非线性稳定分析和试验研究

本文针对三参数方程描述的材料,进行弹塑性大位移稳定分析,研究了组合网壳面板和骨架协同工作时的几何非线性和材料非线性性能,用简化方法考虑结构进入弹塑性后对结构刚度矩阵的影响,并导出了有效的增量平衡方程列式.尝试采用特征刚度法作为自动荷载增量技术,得出了这种结构考虑双重非线性的前屈曲平衡路径.理论得到模型试验的验证.其后,通过计算分析得出重要结论.     

空间梁单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为有效进行空间刚架结构后屈曲分析,提出一种新的空间梁单元切线刚度矩阵的精确分析方法。首先用直接法建立梁单元杆端力与杆端位移的增量关系式,然后根据矩阵微分理论求出单元杆端力关于杆端位移的导数,在求导结果表达式中令杆端位移增量为0,即可得到梁单元切线刚度矩阵。对六层和二十层空间刚架结构进行了后屈曲分析。结果表明:所得的空间梁单元切线刚度矩阵具有足够精度,可有效用于大型空间刚架结构的后屈曲分析。     

考虑初始缺陷的结构非线性屈曲承载力分析

应用非线性稳定分析的基本原理,采用Newton-Raphson法结合弧长控制法计算结构的平衡路径,并以柱子为例,具体计算了3种不同初始几何缺陷下,构件非线性屈曲承载力的具体数值,分析了实际工程中对构件初始缺陷进行严格控制的必要性.     

曲杆单元铰接单层网壳弹塑性后屈曲分析

基于曲杆单元应力 弦长关系和矩阵微分理论,推导出曲杆单元在弹性与弹塑性状态下的切线刚度矩阵精确公式。研究构件取理想弹塑性材料,结构支座取固定铰支座和可动铰支座2种约束情况,考虑构件具有初弯曲,采用曲杆单元切线刚度矩阵和广义位移控制法,取结构自重为参考荷载,对节点铰接的K8大跨单层网壳结构进行弹塑性后屈曲分析。结果表明:曲杆单元切线刚度矩阵公式精确性很高,可有效用于大型铰接单层网壳弹塑性后屈曲分析。     

三维框架结构几何非线性分析综述

结构非线性分析是预测结构承载力或极限强度的有效方法.对三维框架结构的几何非线性、屈曲、后屈曲的研究进展进行综述,主要涵盖以下关键问题:(1)解析或半解析方法;(2)用于增量迭代非线性分析的公式;(3)三维框架在变形状态下的节点平衡;(4)非线性有限元的刚体测试;(5)增量分析中的迭代机制;(6)单元节点力的计算;(7)...     

结构屈曲分析中的改进弧长控制法

本文对结构屈曲问题进行了几何非线性有限元分析,采用改进了弧长约束方程的弧长控制法求解非线性方程组,用以处理屈曲时载荷下降的问题,并通过算例,说明算法和程序的正确性和有效性.     

某大跨度钢桁架结构的选型与屈曲分析

以某跨度110m的输送压缩空气管道工程为背景,进行了大跨度钢桁架结构的杆件截面、空间几何形状、支座形式等结构要素的选型,论述了采用四边形立体方管钢桁架结构能够较好地满足设计要求。对结构进行了线性屈曲分析和考虑初始缺陷的几何非线性屈曲分析,结果表明:本工程四边形立体管桁架结构的整体稳定性能良好,增大桁架结构的宽高比、提高支座的约束刚度以及增加横截面的抗扭转能力均能够提高结构的线性屈曲因子;钢桁架结构发生非线性屈曲时的临界荷载相对于线性屈曲有较大幅度的降低。     

带裂缝受压或受拉薄板的屈曲数值分析

板受压时通常发生屈曲破坏,尤其是当板厚与板的其他尺寸相比十分小时,这种破坏模式常先于强度破坏。受拉情况下也可能发生屈曲破坏,尤其是带裂缝板沿压应力方向,在缺陷周围经常发生局部屈曲现象。通过考虑各种几何、力学和边界特性,对受拉和受压状态下,各种带裂缝矩形弹性薄板的屈曲现象进行分析。简略回顾了板的屈曲破坏,采用有限元方法,进行几个参数分析,通过改变几何和力学参数,确定受压或受拉状态下的临界荷载因子。对不同的裂缝长度、裂缝方向和材料的泊松系数以及通过变化板的边界条件,确定屈曲临界荷载因子。借助几何非线性分析,考虑裂缝界面之间的作用,对裂缝的构造进行研究,以有效掌握整体结构的性能。针对各种受限带裂缝受压或受拉板的屈曲破坏中提参数的敏感性,给出计算结果的简图,得出一些实用的结论。     

Consistent virtual work approach for the nonlinear and postbuckling analysis of steel frames under thermal and mechanical loadings

The aim of this paper is to provide a consistent virtual work formulation for the nonlinear and postbuckling analysis of steel frames at high temperatures. Central to this study is the derivation of the virtual work terms for the thermal stage, in addition to those for the loading stage, based on the updated Lagrangian formulation. The incremental stiffness equation derived for the beam element, considering both the geometrical and thermal effects, is qualified by the rigid body test. The generalized displacement control (GDC) method is adopted as the path-tracing scheme for postbuckling response. Eurocode-3 reduction factors and transformed section method are both adopted for steel I-sections. Two loading cases are studied. For structures loaded gradually under constant temperature, the critical or ultimate loading strength is obtained from the load-deflection curve. For structures heated gradually under constant loading, the critical or maximum temperature that can be sustained by the structure is computed. Conclusions are drawn for the examples studied in this paper.     

劲性支撑穹顶结构施工成形及力学性能试验研究

为研究劲性支撑穹顶结构的施工方法及力学性能,设计了直径为6 m环向8等分的肋环型劲性支撑穹顶结构模型。采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法,分别对有临时支撑和无临时支撑两种情况下结构的施工成形过程进行施工试验和监测,并对其进行施工成形分析;对8个方向、4个方向和2个方向的对称张拉方案进行研究;进行了满跨和半跨的静力加载试验,并与有限元分析结果进行对比。结果表明：提出的施工方法充分考虑了劲性支撑穹顶结构的特点,简单高效,可应用于实际工程;设临时支撑和不设临时支撑结构模型的杆件内力和节点坐标的有限元动力松弛（FEDR）法计算结果和试验值吻合较好;不同张拉方案试验值和FEDR法计算值相差均在7.8%以内,因此可依据实际工程的需要,选取适当的对称张拉方案;有限元分析结果与静力试验结果基本吻合。     

基于非线性涡激力广义模型的涡振幅值换算

节段模型测振风洞试验是研究涡激共振风速锁定区间和振动幅值的主要手段之一,但节段模型涡振振幅并不能由几何缩尺比直接换算至实桥,需要对测试结果进行修正。已有研究表明,涡激力具有强烈的非线性特性,因此基于线性涡激力模型的换算方法不再适用。此外,由于采用的非线性涡激力模型不准确,基于非线性涡激力模型的已有换算方法也不一定适用,并且目前基于非线性涡激力模型的换算方法也没有给出阻尼比的修正方法。为此,文章借鉴量纲分析方法,推导非线性涡激力广义模型,并给出计算涡振振幅的非线性涡激力简化广义模型,然后根据能量相等的原则推导节段模型与实桥的涡振幅值换算公式。研究表明：当节段模型与实桥结构阻尼比一致时,振幅换算关系仅与桥梁阵型函数值有关;当节段模型与实桥结构阻尼比不一致时,振幅换算关系还与涡振生长或衰变过程位移振幅变化率以及涡振稳定状态无量纲幅值有关;不同换算方法的结果对比表明本文换算结果与实测值最为接近。     

楔形体稳定的塑性极限分析下限法

楔形体稳定分析一般采用刚体极限平衡法,然而该方法仅使楔形体的部分平衡条件得到满足,而且还对滑动面反力做了一些假定,由此导致了计算结果不一定是真实的。结合极限分析与块体元法,提出了楔形体稳定分析的下限解法,没有对楔形体的破坏模式、滑动面反力及滑动面数量做任何的假定。采用块体元法的离散思想,将楔形体离散为块体-结构面组成的系统;根据下限定理,构造了满足完全平衡条件、边界条件和屈服条件的静力许可场;建立了下限法数学规划模型,并通过非线性规划获得楔体稳定严格的下限解。3个典型算例验证了本文方法的正确性及可行性。     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的刚体有限元上限分析

采用一种结合刚体有限元与极限分析上限法来求解边坡稳定性问题的新方法。借助刚体有限单元离散计算区域并构造运动许可速度场 ,利用传统的安全系数作为评价边坡稳定的定量指标。水对边坡的影响作用可通过虚功方程表现出来 ,将孔隙水压力当作外力荷载做功。在满足屈服条件、流动法则、虚功方程以及相应的边界条件的基础上 ,引入非线性数学规划方法求解最小安全系数     

基于有限质点法的结构倒塌破坏研究Ⅱ:关键问题与数值算例

采用有限质点法求解结构倒塌破坏的关键问题，包括结构动力反应、几何非线性和材料非线性分析以及构件断裂。采用虚拟运动分离单元的刚体运动和纯变形，用以模拟结构的几何非线性行为；根据不同的本构模型计算质点内力，求解材料非线性问题；为模拟构件的断裂，建立了杆单元和梁单元的断裂准则，提出了断裂发生后的结构计算方法；综合考虑各关键问题，给出结构倒塌过程模拟的分析流程。通过对一个空间刚架的几何非线性、材料非线性和断裂行为的模拟和分析，验证了有限质点法在结构复杂行为计算中的正确性；最后对某悬挑网架结构在台风作用下的倒塌破坏过程进行研究，并将分析结果与现场破坏情况进行对比和分析。研究表明，该方法适用于结构的倒塌破坏研究，可以对倒塌全过程进行模拟，计算结果能够揭示结构的倒塌破坏机理。     

三维地基极限承载力的数值极限分析

根据塑性下限定理,借助有限元技术,建立了极限承载力三维情况下的锥形规划形式。采用原-对偶内点法求解非线性规划问题,基于相应的理论计算框架,构造满足条件的静态容许应力场。该方法克服了屈服函数的线性化或光滑近似;利用对偶性,在求解下限解的同时获得对偶命题(上限)的解。与矩形基础地基极限承载力解析结果比较,精度和准确性有了较大提高;对刚、柔性基础下的地基极限承载力的特性也作了探讨。数值极限分析为计算矩形地基的极限承载力提供了一种简便有效的方法。     

Large deflection inelastic analysis of space trusses using generalized displacement control method

This paper presents the large deflection inelastic analysis of space truss structures including both geometric and material nonlinearities. The geometric nonlinearity is considered, based on an updated Lagrangian formulation, while the material nonlinearity is accounted for by tracing a complete stress–strain relationship in the elastoplastic range. The nonlinear equilibrium equations are solved using an incremental-iterative scheme based on the generalized displacement control method. This algorithm can accurately trace the equilibrium path of nonlinear problems with multiple limit points and snap-back points. A computer program is developed to predict the inelastic post-buckling behavior of space trusses. Numerical results obtained from the developed program are compared with those reported in the literature to demonstrate the accuracy of the proposed procedure.