一般情况下小垂度索的刚度方程及其应用

索单元的刚度随变形而变化,索结构的力学分析是一个典型的几何非线性问题,因而在数值分析中单索的刚度方程显得尤为重要。由于许多文献不常见的单索刚度方程在推导时忽略了索单元元弦向倾的影响,用来进行结构计算尚存在一定的误差。本文因此考虑了影响单元刚度的弦倾角等因素,推导了一般情况下小垂度索的显式表达刚度方程,并运用该刚度方程进行结构数值分析,与采用近似刚度方程的分析结果进行了比较,给出了近似刚度方程与本文     

张力结构的非线性有限元分析

张力结构中的索结构分析通常采用非线性二节点直线或二次曲线单元，但是在大跨度结构，尤其是索弯顶结构的分析中，常用的单元已不能满足精度的要求，本文提出了考虑自重作用下有初始垂度的五结点非线性空间曲线元模型，放弃了一些特殊的假定，考虑了应变表达式中高阶量的影响，推导出了适合于弹性大位移几何非线性分析的Ｌａｇｒａｎｇｄ方程及其切线刚度矩阵，编制了相应的计算程序。     

张拉结构非线性分析两节点曲线单元有限元法

提出适合张拉结构几何非线性分析的两节点曲线单元有限元方法．假定索元的初始形状呈二次抛物线,根据单索的平衡条件、几何和物理关系建立了索元的位移函数;由拉格朗日应变的定义建立了可以考虑任意次高阶位移影响的索元轴向应变的精确表达式,并基于拉格明日描述方法和虚功原理得到了索元的非线性平衡方程与切线刚度矩阵．采用荷载增量法与Newton－Raphson法相结合的混合法进行了实例计算,结果表明：本文方法的精度明显优于两节点直线索单元,适合于大跨度索阿、索穹顶等张拉结构的几何非线性分析．     

滑轮在索上滑行分析的索-轮单元法

为了分析索结构中滑轮在悬索上行走及连续长索从滑轮下绕行问题，创建了一种新的单 元. 被称为索-滑轮单元的三节点新单元模拟一段索支承滑轮，滑轮的中心取为中间节点， 索的两端点为另外两节点. 基于有限元分析的基本原理，并利用处于平衡状态时单元内力之间的关系，推导了单元的算法. 这种新单元可以通过自动调整滑轮两侧索段的长度使单元处于平衡状态，从而简化了计算. 算例证明了新单元的算法及所编制程序的正确性，同时说明了它在工程中的应用. 给出了构成刚度阵的各矩阵的显式表达式. 新单元可以直接用于常规的有限元分析中，分析处于工作状态或施工中的索结构.     

基于欧拉描述的两节点索单元非线性有限元法

本文针对柔性悬索结构几何非线性分析的特点,提出了一种用欧拉描述来表示的两节点索单元非线性有限元模型,在索元变形后的位置上由虚功能建立了非线有限元基本方程及切线刚度矩阵。这样建立的非线性有限元分析方法可充分考虑拉索的几何非线性特性的影响并给悬索结构的初始平衡分析带来方便,算例结果表明,本文方法是精确有效的。     

桅杆结构静力分析简化计算方法

通过整体分析,推导出空间单索在任意荷载作用下的静力计算公式和空间索单元的非线性刚度方程,在此基础上,给出桅杆结构静力分析简化计算的非线性方程式。     

钢筋混凝土剪力墙单元非线性分析模型及其应用

本文简要评述了几种常见的钢筋混凝土剪力墙非线性宏观单元模型后，着重对多垂直杆剪力墙非线性单元模型的几个重要问题如剪力变形的考虑方法，单元刚度矩阵的形式，垂直拉压杆及剪切弹簧的恢复力模型等进行了探讨与改进，最后给出了一个算例，并与试验结果比较，表明非线性宏观墙单元模型具有较好的计算精度。     

带刚臂平面悬链线索单元的非线性分析

针对索梁混合结构中存在的索单元锚固点刚性连接问题,将锚固点的刚性连接视为刚臂,进行了带刚臂的平面悬链线索单元研究。一方面在已有文献的基础上,根据平面刚臂的受力和变形特点,基于微分方法导出了两端带任意刚臂的平面悬链线索单元切线刚度矩阵显式表达式;另一方面,为考虑温度变化对索单元计算的影响,基于索单元变形的几何与物理意义进行了考虑温度变化的索单元节点力计算方法的研究。通过与已有文献的对比,表明了本文研制的程序及导出的考虑温度变化的索单元计算方法的正确性;考虑温度变化下由本文方法得到的索水平张力与已有文献解析解最大仅相差0.862%。同时本文考虑的刚臂非线性因素更加全面,具体体现在:在非线性计算能力上,已有文献方法在荷载大于2.52kN时计算无法收敛,远小于本文方法能达到的35kN;在计算效率方面,在7个荷载增量步内已有文献方法所需的迭代步数为4~33,而本文方法的迭代步数保持在4不变。     

可带铰空间梁单元几何非线性分析的随转坐标法

为了降低可带铰空间梁单元切线刚度矩阵的运算量、提高非线性计算精度，本文首先通过建立单元随转坐标系得到扣除刚体位移后结构变形与总位移之间的关系，进而基于场一致性原则导出空间梁单元的几何非线性单元切线刚度矩阵，并在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征得到考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。该方法利用随转坐标系下除单元轴向相对位移外的其余五个线位移均为零的特点，降低了计算单元切线刚度矩阵所需的相关矩阵阶次，因此减少了运算量。对对角点受拉铰接的方棱形框架进行计算，得出本文结果与解析解的最大误差为0.226%；对45°弯梁和带铰平面结构的空间受力进行计算，得出前者与已有文献提供的解非常接近，误差为0.027%～2.394%，后者与 ANSYS 计算结果的最大误差为1.082%，表明本文算法具有良好的精度。     

拉索穹顶结构非线性分析的混合有限元增量法

拉索穹顶结构是由受压桅杆和拉索组成的新型柔性大跨度空间组合结构,几何上表现为极强的非线性特性,计算困难,本文应用有限元法,结合拉索穹顶结构特征,假定拉索和桅杆的受力满足虎克宣定律,建立了可以直接考虑拉索垂度影响的两节点索单元模型,并与两节点直杆单元相结合,基于修正的拉格朗日描述方法和虚功原理建立了拉索穹顶结构非线性分析的混合有限元增量方程。采用荷载增量法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法相结合的求解     

非线性梁索单元理论在轻型桅杆设计中的应用

导出了轻型桅杆设计计算的非线性梁与索单元理论和方法，求出的桅杆截面内力考虑了索单元的非线性影响，计入了桅杆杆身在轴压下弯曲失稳的效应。在计算桅杆时采用了增量Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代法，如果在设计荷载作用下的迭代过程收敛，则桅杆不会发生绕两个主轴的整体弯曲失稳。本文方法解决了轻型桅杆设计中的强度、整体和层间稳定及刚度计算的难题。     

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析Study on main cable shape of suspension bridge based on slender beam element

悬索桥主缆线形的精细化计算需要同时考虑弯曲刚度及初始弯曲的影响，为此将主缆离散为小挠度的细长梁单元，推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵，其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数。基于细长梁单元编制主缆线形计算的有限元程序，采用改进的迭代法求解几何非线性结构的平衡状态，并考虑鞍座处主缆线形的修正。利用程序计算了两座悬索桥主缆在恒载作用下的变形，结果表明，主缆弯曲刚度对跨中和桥塔附近主缆线形的影响较大，且矢跨比越大，主缆线形的计算误差就越大。由弯曲刚度引起的主缆线形计算误差将会带来吊索下料长度计算不准确、索夹放样坐标不准确、成桥桥面线形达不到设计线形以及成桥吊索力分布不均匀等问题，尤其是对矢跨比较大的自锚式悬索桥，需要在设计和施工中引起足够的重视。     

A Numerical Method to Material and Geometric Nonlinear Analysis of Cable Structures

In this article, a numerical method is presented for computing the stiffness matrix and compatibility relations of cables under uniform distributed loads on any direction. Both the geometrical and material nonlinearities, including softening and yielding of material, are taken into account and the catenary cable element with gauss integration scheme is employed. The proposed formulation includes the effect of uniform distributed loads on any direction and 3D nodal forces to assess the geometric and possible material nonlinearity of cables. The derived equations are then applied to the analysis of cable structures. The accuracy of the responses obtained by the proposed method is evaluated by several benchmark solutions available in the literature. Results of numerical examples indicate the capability of the proposed stiffness matrix in prediction of the elastic and inelastic responses of cables. The proposed formulation is therefore recommended for cable elements to be used in the analysis of cable structures.     

预应力钢桁架结构分析中的摩擦滑移索单元

为精确模拟预应力钢桁架中连续长索在支撑点的滑动,本文创建了一种考虑摩擦力影响的新单元。被称为摩擦滑移索单元的新单元有三个节点,中间节点为支撑点。本文首先利用弹性悬链线的解析解,建立了弹性悬链线单元,并推导了单元两端点的张拉刚度。摩擦滑移索单元由两个弹性悬链线单元组合而成,根据支撑点处索的滑动方向、索力差、滑动摩擦力和滑移刚度调整两索段的原长,使支撑点两侧的索力满足给定的摩擦关系。算例验证了新单元算法的正确性和高效性,对设计的预应力钢桁架的分析,显示了张拉过程中及使用荷载作用下新单元在结构分析中的应用。新单元可直接用于常规的有限元分析,研究在工作状态或施工中存在连续长索滑移的索结构。     

悬索桥结构分析中的索-鞍座单元

为在悬索桥结构的有限元分析中真实、简洁、高效地模拟索鞍,本文建立了一类新的单元。新单元包括索段的一端固定在与其接触部分为单一半径圆弧的索鞍上,另一端分别位于索鞍两侧的两节点“左索-鞍座单元”和“右索-鞍座单元”,以及索段两端点分别位于索鞍两侧,中间一点固定于鞍座上的三节点“索-鞍座单元”,后者的鞍槽可为两不同半径圆弧的组合。根据要求的成桥状态几何参数确定结构的无应力状态时,可利用前二者进行悬索桥的单跨分析。新单元通过自动调整索与鞍座的脱离点而处于平衡状态,从而简化了计算。单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的精确解,并利用了处于平衡状态时索与鞍座之间的内力关系。新单元可象常规单元一样直接用于成桥状态或施工过程中悬索桥结构的有限元分析。设计的算例验证了新单元的正确性,并举例说明了新单元在悬索桥结构分析中的应用。     

悬索结构非线性分析的滑移索单元法

本文提出了一种悬索结构存在在滑移单元时的非线性计算方法,利用文献（１）提出的五节点曲线索单元有限元基本方程,建立了滑移单元非线性分析的计算理论、方法及公式,并进行了实例计算,结果表明,本文方法是行之有效的,可供悬索结构设计、施工时参考。     

损伤因素对单层平面索网静力性能影响研究：有限元分析与试验验证

运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,对横索与竖索连接节点失效、索预应力损失和锚固端失效这三种损伤因素的不同损伤工况下,单层平面索网结构的受力性能进行了非线性有限元分析,并与相应的试验结果进行了全面对比分析。结果表明：本文的有限元模型能够准确地分析计算上述三种损伤因素对单层平面索网结构受力性能的影响,包括结构...