钢管混凝土拱稳定分析的有限元法

在 2 0结点三维块体等参元及 1 6结点相对位移板壳元 [1 ] 的基础上、引入梁的基本假定 ,采用等效数值积分法 ,构造出 1 2 - 2 0结点三维退化平面和柱面层合曲梁单元 ,同时给出用于梁或拱线弹性稳定性分析的有限元列式 ,最后 ,以绍兴轻纺大桥为工程背景 ,计算出轻纺大桥钢管混凝土拱面内屈曲及面外侧倾屈曲的临界荷载。     

拱屈曲荷载分析的三维退化曲梁单元有限元法

在三维块体等参元及１６结点相对位移板壳元的基础上,引入梁的基本假定,考虑几何非线性,构造出三维退化曲梁单元,计算了梁、拱线弹性屈曲临界荷载。     

钢管初应力对钢管砼拱桥承载力影响非线性分析

基于非线性问题的平衡方程和空间梁单元非线性几何方程,推导了一般线弹性关系下计入初应力影响的空间梁单元显式切线刚度矩阵。针对钢管混凝土哑铃型截面的构造特点,提出了组合空间梁单元法,较好解决了哑铃型截面钢管初应力的计算与存储问题,并给出了承载力分析时单元划分的具体方法,编制了专用计算程序,计算结果与试验吻合良好。开展了不同钢管初应力系数、不同截面含钢率和不同跨径对钢管混凝土拱桥承载力的影响分析。结果表明,钢管初应力将使钢管混凝土拱桥的承载力降低,降低幅度与拱肋截面型式有关,承载力最大降低值可超过30%。最后给出了三种考虑钢管初应力影响的常用拱肋截面型式拱桥承载力影响系数实用计算公式。     

钢管混凝土圆弧桁架拱平面内徐变稳定分析

核心混凝土的徐变会增加钢管混凝土拱肋的屈曲前变形,降低结构的稳定承载力,因此只有计入屈曲前变形的影响,才能准确得到钢管混凝土拱的徐变稳定承载力。基于圆弧形浅拱的非线性屈曲理论,采用虚功原理,建立了考虑徐变和剪切变形双重效应的管混凝土圆弧桁架拱的平面内非线性平衡方程,求得两铰和无铰桁架拱发生反对称分岔屈曲和对称跳跃屈曲的徐变稳定临界荷载。探讨了钢管混凝土桁架拱核心混凝土徐变随修正长细比、圆心角和加载龄期对该类结构弹性稳定承载力的影响,为钢管混凝土桁架拱长期设计提供理论依据。     

两端固支复合材料浅拱的动力屈曲分析

本文研究两端固支层合复合材料浅拱在阶跃载荷作用下的动力稳定性问题。通过对浅拱动力响应的数值计算结果,然后利用B-R动力屈曲准则,着重分析了集中阶跃载荷作用下几种铺层顺序及铺层数对浅拱动力临界载荷的影响,并给出了能够产生‘跳跃失稳’的最小的结构参数γ0。此外,在利用伽辽金法求解浅拱动力学控制方程时,通过取梁的自由振动模态和柱的静力屈曲模态作为浅拱的动力屈曲模态,分别进行计算并比较了二者的结果,进而讨论了二级数解的收敛性。     

压电层合梁静动力学分析的高精度梁单元

给出了一个对复合材料压电层合梁进行数值分析的高精度压电层合梁单元。基于Shi三阶剪切变形板理论的位移场和Layer-wise理论的电势场,用力-电耦合的变分原理及Hamilton原理推导了压电层合梁单元列式。采用拟协调元方法推导了一个可显式给出单元刚度矩阵的两节点压电层合梁单元,并应用于压电层合梁的力-电耦合弯曲和自由振动分析。计算结果表明,该梁单元给出的梁挠度和固有频率与解析解吻合良好,并优于其它梁单元的计算结果,说明了本文所给压电层合梁单元的可靠性和准确性。研究结果可为力-电耦合作用下压电层合梁的力学分析提供一个简单、精确且高效的压电层合梁单元。     

钢管混凝土空间桁拱徐变计算的单一单元模型

采用空间杆单元模拟结构杆件，基于徐变作用下钢管与核心混凝土黏结良好因而应变协调的特点，结合徐变的时间步增量分析方法，建立适合钢管混凝土空间桁拱徐变分析的单一单元模型并开发了程序，对湖南茅草街大桥(主跨为368 m的中承式钢管混凝土拱)进行了《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG-T D65-2015)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规定的两种徐变模式下拱肋下挠、截面应力以及杆件内力重分布的对比分析。结果表明：本研究的钢管混凝土杆件单一单元模型相对于常规的双单元模型能提高计算效率；两种徐变模式下计算的由徐变引起的拱肋下挠、截面应力重分布非常明显，杆件内力重分布不太明显；相对而言，后一种徐变模式下徐变对拱肋受力行为的影响更强些。     

哑铃型钢管混凝土拱肋极限承载力研究

为了研究哑铃型钢管混凝土拱肋的力学性能,基于统一强度理论和等效梁柱法,考虑中间主应力和材料拉压比的影响,推导了其极限承载力的新公式。采用梁单元建立哑铃型钢管混凝土拱肋的有限元模型,对其受力全过程进行双重非线性分析。将理论分析结果和数值计算结果与相关文献的试验结果进行比较,吻合良好,验证了本文理论分析方法和有限元计算方法的正确性。采用有限元方法,对荷载工况、长细比、矢跨比、截面形式和腹腔混凝土等参数的影响特性进行分析,研究结果表明,荷载工况对哑铃型钢管混凝土拱肋的极限承载力影响显著,荷载越对称、均匀,拱肋的极限承载力越高,竖向变形越小;拱肋的极限承载力随长细比的增大而显著降低,随矢跨比的增大先提高后略有降低;截面形式对拱肋的强度和刚度均有较大影响,而腹腔混凝土对其强度和刚度几乎没有影响。     

压电/压磁层合纳米梁屈曲及自由振动的研究

针对压电/压磁层合纳米梁屈曲、自由振动问题,基于非局部理论与正弦剪切型变形梁理论,建立了力学模型;利用哈密顿原理推导出层合梁运动方程与边界条件;通过数值解法求得层合梁临界屈曲载荷与自由振动频率。对数值结果分析可知:磁电弹夹层对压电/压磁层合纳米梁屈曲和自由振动的影响不能忽略;磁电弹夹层中压电或压磁材料的体积分数和夹层厚度为主要影响因素;分析得到的影响规律可为此类材料在工程中的应用提供理论参考。     

BUCKING AND FREE VIBRATION OF PIEZOELECTRIC/PIEZOMAGNETIC LAMINATED NANO-BEAM 1)

针对压电/压磁层合纳米梁屈曲、自由振动问题，基于非局部理论与正弦剪切型变形梁理论，建立了力学模型；利用哈密顿原理推导出层合梁运动方程与边界条件；通过数值解法求得层合梁临界屈曲载荷与自由振动频率。对数值结果分析可知：磁电弹夹层对压电/压磁层合纳米梁屈曲和自由振动的影响不能忽略；磁电弹夹层中压电或压磁材料的体积分数和夹层厚度为主要影响因素；分析得到的影响规律可为此类材料在工程中的应用提供理论参考。     

刚接与铰接混合连接杆系结构的几何非线性分析

本文提出用子结构原理解决具有刚接与铰接混合连接空间杆系结构的几何非线性分析,实现其非线性稳定性分析的载荷-位移全过程跟踪。该法无须单独推导刚接、铰接以及一端刚接一端铰接单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,而可以直接由空间梁单元退化得到,而且可以将平面问题与空间问题、刚接与铰接混合连接体系进行统一处理,算例表明,本文方法对于杆系结构的统一和整体分析是有效的。     

Prediction of buckling characteristics of carbon nanotubes

In this paper, to investigate the buckling characteristics of carbon nanotubes, an equivalent beam model is first constructed. The molecular mechanics potentials in a C–C covalent bond are transformed into the form of equivalent strain energy stored in a three dimensional (3D) virtual beam element connecting two carbon atoms. Then, the equivalent stiffness parameters of the beam element can be estimated from the force field constants of the molecular mechanics theory. To evaluate the buckling loads of multi-walled carbon nanotubes, the effects of van-der Waals forces are further modeled using a newly proposed rod element. Then, the buckling characteristics of nanotubes can be easily obtained using a 3D beam and rod model of the traditional finite element method (FEM). The results of this numerical model are in good agreement with some previous results, such as those obtained from molecular dynamics computations. This method, designated as molecular structural mechanics approach, is thus proved to be an efficient means to predict the buckling characteristics of carbon nanotubes. Moreover, in the case of nanotubes with large length/diameter, the validity of Euler’s beam buckling theory and a shell model with the proper material properties defined from the results of present 3D FEM beam model is investigated to reduce the computational cost. The results of these simple theoretical models are found to agree well with the existing experimental results.     

钢筋混凝土平面框架节点单元BCJ⁃5N

本文基于四根刚臂梁结合12个外接一维单元建立了钢筋混凝土框架节点单元，单元具有5个节点15个 自由度，称之为“BCJ-5N”单元．每个节点具有3个自由度，与普通梁单元一致，从而确保本单元适合于同普 通一维梁柱单元一起进行钢筋混凝土结构平面非线性分析．单元考虑了梁受力钢筋在框架节点内的黏结滑移作 用，并通过钢筋混凝土梁正截面强度设计建立了梁端弯矩与截面转角关系的骨架曲线，结合Lowes加载卸载模 型，组成了完整的静力、动力分析的框架节点单元，并将其移植到 ABAQUS通用分析平台上，通过对两跨三 层钢筋混凝土框架结构的滞回分析和三跨三层钢筋混凝土框架结构的动力分析两个算例，验证了本模型适合于 进行循环荷载和动力荷载作用下平面框架结构非线性响应分析．     

基于近场动力学的梁结构振动特性分析方法研究

基于欧拉梁理论推导了两自由度梁的常规态型近场动力学（Peridynamics,PD）模型,并提出一种新的自由边界条件施加方法,对不同边界条件的PD梁进行了模态分析,与局部梁的有限元结果进行了对比,验证了模型的收敛性,分析了PD非局部参数对固有频率的影响。结果表明,当近场作用域内物质点密度较小时,PD梁模型非局部性较弱,与局部梁的有限元结果接近,随着物质点密度逐渐增大,非局部作用增强,PD梁的固有频率逐渐降低;当尺度参数趋于零时,PD梁的固有频率收敛到局部梁的有限元解,PD梁退化为局部梁。研究表明,本文提出的PD梁模型和自由边界施加方法适用于分析梁的振动特性,为采用PD方法分析梁结构的动力特性提供了参考。     

Winkler弹性地基上梁的精化理论

将Cheng精化理论推广到winkler弹性地基上梁的研究当中,对winkler弹性地基上的梁进行了精确的分析,给出其精化理论。首先将板内的位移利用中面上位移及其沿梁厚方向的梯度表示出来,并获得梁内应力张量。再利用winkler弹性地基条件和Lur'e算子方法,获得弹性地基上梁的控制方程。若略去控制方程中的高阶项,与弹性地基上欧拉-伯努利梁的挠度控制方程一致。     

横观各向同性热弹性梁的精化理论

本文从横观各向同性梁的二维问题出发,研究了横观各向同性热弹性梁的精化理论。首先,在不作任何预先假设的条件下,利用横观各向同性热弹性理论和Lur’e算子函数,获得了由梁中线上的物理量表示的位移场和应力场。对热弹性梁上下表面承受非齐次边界条件的情况,推导出梁的近似控制微分方程。再舍去温度项,则横观各向同性热弹性梁的精化理论退化为横观各向同性梁的精化理论。     

部分共同作用框架组合梁有限元分析模型

本文提出了一种新的适用框架整体分析的组合梁有限元模型。在分析了相互作用程度对组合梁刚度影响的基础上,根据Newmark等人的一维部分相互作用理论,建立起部分共同作用组合梁平衡微分方程;结合框架组合梁受力特点引入合理的边界条件,推导出了能够考虑滑移的组合梁单元弹性刚度方程;还给出了常见非节点荷载的等效荷载公式。该组合梁单元节点自由度少,每个构件只需一个单元来模拟,方便了带组合梁钢框架的结构分析。本文的研究还为进一步地考虑混凝土开裂、压碎,钢材屈服等非线性因素,建立组合梁单元弹塑性刚度矩阵提供了理论基础。     

一种新的墙单元

本文提出了一种新的空间墙单元模型，这种墙单元把土建中常用的剪力墙作为它的一种特殊情形．本文基于四边形单元所提出的墙单元在平面内是一块膜，它除面内的两个平动自由度外还具有绕平面转动的自由度；平面外是一块弯曲板．因而它是膜和板的一个组合，它的每个节点具有空间的全部六个自由度．由于考虑了空间墙平面内和平面外的刚度，因此这种新的墙单元能够直接与三维框架的梁、柱单元连接．它也能很容易地处理墙的空间变形。