基于代理模型和等效刚度模型的加筋柱壳混合优化设计

针对轴压作用下的加筋柱壳后屈曲性能优化计算较大的问题,本文提出了一种基于代理模型和等效刚度模型的混合优化策略,即运用基于等效刚度的平铺模型进行有限元后屈曲分析以代替试验设计中大量的精细加筋模型分析,并通过控制等效模型的单元尺寸来调整其分析精度,而等效刚度模型计算时长仅约为精细加筋模型的1/3。对构建的代理模型采用多岛遗传算法进行极限承载力等约束下的轻量化设计,调用精细模型有限元后屈曲分析对代理模型进行更新,从而保证代理模型的拟合精度并得到优化解。工程算例结果表明,本文提出的混合优化方法,使加筋柱壳结构在满足承载力情况下减重效果明显。     

三角形截面梁柱构件的三维等效弹簧计算模型

传统有限元在分析梁柱构件时一般采用常应变单元和双线性单元,但此类单元在梁柱构件受弯分析中计算精度不是很高.本文根据梁柱构件的力学性能,在三维连续介质体受到轴向变形和弯曲变形的状态下,利用其轴向变形和弯曲挠度相同,得到具有相同宽度和高度且刚度等效的超静定桁架力学模型.然后,通过桁架杆的截面参数求得弹簧的刚度系数,从而得等效弹簧元模型.本文提出的等效弹簧模型计算方法简单,便于扩展到更为复杂的构件分析中.     

基于等效刚度的矩形孔蜂窝梁钢框架结构内力计算方法

蜂窝梁钢框架结构因梁截面沿长度周期性变化，不能直接采用普通钢框架结构矩阵位移法计算框架内力和位移．本文基于等效刚度法推导了矩形孔蜂窝梁的等效抗弯刚度、抗剪刚度和轴向刚度，建立了矩形孔蜂窝梁的单元刚度方程，提出了矩形孔蜂窝梁钢框架内力和位移计算方法．算例理论计算结果与有限元分析结果表明，两种方法计算结果非常接近．本文提出的等效刚度法概念清晰，准确性好，适用于计算蜂窝梁钢框架结构的内力和位移．     

混凝土框架-配筋砌块砌体混合结构在竖向力作用下协同工作性能研究

推导了在竖向力作用下混凝土框架-配筋砌块砌体混合结构的框架与砌体墙的轴力分配系数计算公式,分析并确定了结构在竖向力作用下协同工作的影响因素;通过有限元模拟研究了框梁截面高度、框柱截面高度、墙高等因素对竖向力作用下框架和砌体墙的轴力分配的影响。结果表明：柱截面高度对框架和墙轴力分配系数的影响最大,变化在10%左右;砌体弹性模量次之;梁截面高度和墙高度的影响都较小。与此同时,将模型分析结果与公式计算结果进行了比较,验证了公式的正确性。     

混凝土框架-配筋砌块砌体混合结构在竖向力作用下协同工作性能研究

推导了在竖向力作用下混凝土框架-配筋砌块砌体混合结构的框架与砌体墙的轴力分配系数计算公式,分析并确定了结构在竖向力作用下协同工作的影响因素;通过有限元模拟研究了框梁截面高度、框柱截面高度、墙高等因素对竖向力作用下框架和砌体墙的轴力分配的影响。结果表明:柱截面高度对框架和墙轴力分配系数的影响最大,变化在10%左右;砌体弹性模量次之;梁截面高度和墙高度的影响都较小。与此同时,将模型分析结果与公式计算结果进行了比较,验证了公式的正确性。     

桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。     

高温下受压钢构件考虑屈曲的有限元本构模型

为计算大空间钢结构高温下的力学性能, 需考虑受压钢构件屈曲. 将钢构件屈
曲特性反映在材料的本构模型中, 进行高温下大空间钢结构有限元计算. 通过研究轴心
受压钢构件在不同温度下的弯曲变形, 推导出考虑长细比、初始缺陷、临界力等因素的
受压钢构件名义轴向刚度; 通过能量等效, 用等效刚度代替名义轴向刚度, 得到高温下
受压钢构件考虑屈曲的钢材两折线应力--应变本构模型, 数值计算验证了模型的正确性.     

正常使用极限状态下半刚性连接组合梁框架侧移的简化计算

对于无支撑半刚性连接框架而言,仅依靠梁柱本身的抗弯刚度为整个结构提供必需的水平抗侧移刚度,在满足正常使用要求的极限情况下,很有可能是框架的侧移控制设计而不是其承载力,为了充分理解半刚性连接组合梁框架在水平荷载下的侧移特性,本文采用等效刚度梁的概念,将半刚性连接的框架简化为等效的刚接框架,通过等效刚接框架与实际半刚性连接框架有限元分析结果的比较,表明采用等效刚接框架法能准确预测半刚性连接框架的侧移.半刚性连接组合梁框架中的有关参数对其侧移具有不同的影响,半刚性连接组合梁框架的侧移计算可用等效刚接框架进行简化计算,通过算例验证了建议的简化方法不仅可以使计算大大简化,而且具有工程设计可接受的精度.     

半刚接钢框架的动力分析

推导了半刚接钢框架动力有限元的质量矩阵和刚度矩阵．建立了具有不同节点初始刚度的半刚接多层钢框架及相应刚性框架的计算模型．采用ANSYS软件进行数值模拟分析，研究了节点刚度对结构自振频率的影响以及结构在谐振荷载作用下的响应，对地震波激励下的结构进行了时程分析．分析结果表明不半刚接框架节点的柔性对结构自振频率产生较大的影响，节点柔性越大，结构自振频率降低也越大，结构的抗震设计应考虑节点柔性的影响；半刚接钢框架顶点位移和柱底剪力时程曲线在地震波激励时间内表现出良好的稳定性，柔性连接可以代替刚性节点用于抗震区的钢框架设计中．     

5级人防口部粘钢封堵接头抗爆实验研究

通过粘钢实现一典型汽车库人防口部封堵的设计方案,并对原设计方案进行相似设计后,对粘钢接头结构实验模型在核爆炸压力模拟器中进行模爆实验,得到沿竖向支座钢板的位移和应变时程曲线,并和有限元数值解进行了对比,其结果均较吻合,通过沿竖向支座钢板的应变分布规律得到钢板-混凝土界面之间的粘结应力;检验了在5级人防爆炸冲击波作用下,混凝土墙与钢板间粘结面承载力的可靠性;分析了5级人防爆炸荷载作用下支座钢板沿竖向应力的分布规律,为确定混凝土墙与钢板之间粘结应力的计算方法提供了参考。     

钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能分析

基于弹塑性有限元理论建立了钢管混凝土柱-钢梁节点荷载-位移全过程非线性有限元模型,在单元分析中采用改进的AUL表述推导得到梁柱单元刚度矩阵方程,同时考虑了材料的物理非线性和单元的几何非线性,并编制了非线性有限元程序NLFEACFST。采用该模型对相关研究者和作者进行的节点试验进行了分析,理论计算结果与试验结果比较表明,该模型具有很好的适用性和精度。在理论分析模型得到试验结果验证的基础上,对典型的中柱节点进行了荷载-位移全过程非线性特性分析,并对影响节点承载力和荷载-位移骨架曲线的因素进行了参数分析,为进一步从理论研究钢管混凝土框架结构的力学性能创造了条件。     

角钢约束混凝土中长柱轴压力学性能试验及承载力计算

为了研究角钢约束混凝土中长柱在轴压荷载作用下的力学性能,以长细比、缀板间距、混凝土强度等级为变化参数,完成了8个试件的静力加载试验。通过试验观察了试件的破坏形态,获取了其极限承载力、刚度、位移延性和耗能系数等力学性能指标;分析了各变化参数对力学性能指标的影响,利用统一强度理论、极限理论和叠加理论对试件的承载力进行计算。研究结果表明:长细比越小越容易发生柱端破坏,长细比加大后易发生柱中破坏;减小缀板间距,试件的极限承载力和变形能力均得到提高。随着混凝土强度等级的提高,试件的极限承载能力和初始弹性刚度得以提高,但位移延性和耗能能力有所降低。采用统一强度理论的计算值略大于试验值,采用极限分析理论和叠加理论的计算值均小于试验值。     

反复荷载下圆钢管型钢再生混凝土组合柱恢复力模型研究

为建立圆钢管型钢再生混凝土组合柱的恢复力模型,对11根圆钢管型钢再生混凝土组合柱试件进行了低周反复荷载试验研究,考虑了再生骨料取代率、配钢率及钢管径厚比等不同设计参数的影响,分析了组合柱的地震破坏形态及滞回性能。基于组合柱的力学特征及曲线形状,提出了圆钢管型钢再生混凝土组合柱骨架曲线的三折线参数模型,采用理论推导与数据拟合的方法确定了组合柱骨架曲线的模型参数。在此基础上,给出了组合柱的滞回规则和卸载规律,构建了组合柱的恢复力模型,计算滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好,表明该恢复力模型较好地反映了反复荷载下组合柱的受力特征点及滞回性能,可为此类组合柱的推广提供技术参考。     

水平荷载下型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架受力性能非线性数值分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架拟静力试验的基础上,采用Abaqus软件建立该组合框架有限元模型并进行非线性数值分析,获取组合框架的变形图、应力云图及荷载-位移骨架曲线,分析组合框架的受力破坏特征,验证了有限元模型的合理性,并对组合框架进行了参数分析。结果表明,数值模拟计算值和试验值对比误差较小,数值计算模型能够较好地模拟该组合框架的受力性能;组合框架符合强柱弱梁的破坏机制;另外,提高型钢强度或再生混凝土强度对组合框架承载力和刚度有利,但对其变形能力不利;框架承载力和刚度随着梁柱线刚度的增加而提高;增大轴压比对于组合框架的抗震性能和延性不利。研究结论可为该类绿色组合框架的工程应用提供参考。     

钢柱抗爆响应分析单自由度模型适用性评估

为评估单自由度(SDOF)模型在结构抗爆设计中的适用性,分别采用SDOF模型和通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对简支钢柱承受爆炸荷载时的动力响应进行模拟;对比二者计算结果,并以有限元模拟为准,分析SDOF模型的适用范围。研究表明:可按照自由振动阶段SDOF模型位移结果的振幅大小,将其位移响应划分为有限变形阶段、临界阶段、失稳破坏阶段,有限变形阶段SDOF模型与有限元结果基本一致;截面高宽比、翼缘宽厚比对钢柱动力破坏形式有重要影响,高宽比越大、翼缘的宽厚比越小,越容易发生平面外弯扭失稳;在SDOF模型中通过假定塑性铰分布长度计算塑性阶段应变及应变率,采用随时间变化的应变率计算Cowper-Symonds本构关系中的应力放大系数是可行的。     

新型格构式钢骨混凝土柱的轴压性能研究

提出了一种由格构式钢骨及钢筋混凝土所组成的新型LSRC(latticed-steel-reinforced-concrete,格构式钢骨约束混凝土)柱。通过对4个试件的轴压试验分析,对比CFTEC(con-crete-filled steel tube with encased concrete,外包混凝土的钢管混凝土)柱与LSRC柱的力学性能,探究了不同缀板间距对LSRC柱跨中应变的影响。此外,利用有限元软件对试件建立三维模型,阐述了LSRC柱在压力荷载下的破坏过程和各部件间的相互作用。结果表明:与CFTEC柱相比,由于LSRC柱中的钢筋笼能够有效延缓柱外包混凝土的破坏,其具有更高的承载能力和强重比。同时,LSRC柱对跨中角钢材料的抗压性能利用更为充分,但缀板间距的增大将会降低其跨中外包混凝土的约束作用。此外,利用有限元软件建立的模型能够准确模拟LSRC柱在弹塑性阶段的力学性能,柱中的钢筋笼及内侧角钢均具有良好的约束作用。基于试验和有限元结果,提出了LSRC柱的承载力计算公式,其预测值与有限元结果吻合良好。     

火灾与撞击联合作用下钢管混凝土柱力学性能研究

为研究火灾高温与撞击联合作用下钢管混凝土柱的力学性能,基于ABAQUS建立了高温作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱侧向撞击有限元模型。首先,对高温与撞击联合作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱的破坏模式与受力全过程进行了分析,探讨了高温下钢管混凝土柱的抗撞性能与工作机理;其次,重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及撞击能量对抗撞性能的影响,并给出了相关设计建议。研究结果表明:高温与撞击联合作用下,钢管混凝土柱主要发生受弯破坏;受火15 min后,构件抗撞性能明显降低。轴压力对构件抗撞性能产生不利影响,轴压比从0增加到0.2,受火60 min构件抗撞性能下降了7.8%;混凝土强度对高温下钢管混凝土柱抗撞性能有显著影响,受火90 min后,混凝土强度由30 MPa增加到50 MPa,构件抗撞性能提高约85%;外钢管强度与含钢率对高温下抗撞性能影响不大。     

钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载计算的等效柱法

在双重非线性有限元分析的基础上,进行了钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载的简化计算方法——等效柱法的研究,提出了等效柱法中考虑矢跨比影响的稳定系数K₁ 以及考虑初始几何缺陷影响的折减系数K₂及其与现有规范相对应的计算公式。与有限元计算结果的对比表明,采用考虑矢跨比因素的稳定系数的等效柱法能较精确地估算钢管混凝土纯压拱的非线性失稳临界荷载,且计算精度受含钢率和钢材种类变化的影响较小。     

组合式十字形钢管混凝土柱偏压力学性能试验研究

设计了一种由槽钢和方形钢管拼焊形成的组合式十字形钢管混凝土柱,将其灵活地布置在框架结构的中节点,可使柱肢与填充墙等厚,有效地提高建筑使用面积。共制作了6根组合式十字形钢管混凝土柱试件,考虑了偏心距和长细比两种变化参数。通过对其进行偏心受压试验研究,考察了试件的破坏形态和荷载-挠度曲线,并分析了其在不同偏心距和长细比下的荷载-应变曲线发展规律。结果表明:组合式十字形钢管混凝土柱中钢管和槽钢对混凝土的约束作用强,表现为较高的延性系数;偏心距或长细比越大,试件的极限承载力及弹性刚度越小,且偏心距越大延性越好,长细比对延性影响不显著;在受拉侧纵向应变基本上符合平截面假定,在受压侧纵向应变不符合平截面假定。     

正交异性钢桥面板轮载横向效应的解析分析方法

在分析正交异性钢桥面板构造特点的基础上,将轮载影响范围内的桥面板简化为弹性支撑的平面框架,建立了正交异性钢桥面轮载横向效应的解析分析模型,推导了纵肋弹性支撑刚度和车轮荷载集度等效计算方法,提出了桥面板与U肋交接位置处横向弯曲应力的解析公式,讨论并明确了影响桥面板横向弯曲应力峰值的关键敏感影响因素,并以某钢箱梁为例证明了本文算法的合理性。研究发现,本文方法计算得到桥面板与U肋相交位置的横向应力值与有限元结果相差不超过10%,证实了本文算法的正确性,也为正交异性钢桥面的初步设计提供了极大的方便;正交异性钢桥面板的横向轮载应力随U肋厚度和高度增加而增大,但随顶板厚度和横隔板间距增大而减小;相对而言,顶板内横向拉应力受顶板厚度的影响最为显著,对腹板倾角和U肋腹板厚度的变化并不敏感。