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...     

预应力混凝土结构抗爆性能试验研究

随着我国城市建设的飞速发展,人们迫切希望能将预应力混凝土结构用于平战结合的大跨度地下工程。但由于迄今为止国内外对预应力混凝土结构的抗爆性能知之甚少,长期以来预应力混凝土在抗爆结构中的应用一直是个禁区。本文给出了一例后张无粘结部分预应力混凝土梁板柱形结构模型在平面装药爆炸条件下的大比尺化爆相似模拟试验。模型的几何相似比例为1∶5,加载平面空气冲击波超压分别为70kPa、130kPa和320kPa。试验结果给出了在完全弹性状态、荷载略高于设计承载力状态和接近极限破坏状态下无粘结部分预应力混凝土结构的宏观试验现象和大量实测试验参数和实测波形曲线,并进行了简单的数据分析。试验结果表明:设计合理的预应力混凝土梁板柱形结构具有很好的延性,不会发生令人担心的脆性破坏,完全可以用于抗爆结构。     

预应力混凝土空间组合式滑移模型

考虑预应力钢筋和混凝土间的粘结滑移效应,结合组合式模型和分离式模型的优点,提出了一种预应力混凝土空间组合式滑移模型。通过预应力钢筋和混凝土单元交点处的虚拟结点,将模拟预应力钢筋和混凝土交界面的无厚度环形粘结单元嵌入组合单元中。粘结单元忽略预应力钢筋-混凝土间的径向相对位移,通过内、外表面的切向位移差值表征预应力钢筋的相对滑移量。基于位移有限元框架,根据预应力钢筋、混凝土、粘结单元各自的本构模型,由虚功原理推导出三者对组合单元刚度矩阵的贡献,建立了该空间组合式滑移模型的有限元平衡方程,并给出了有限元计算流程。在该模型中,预应力钢筋能以任意形式穿过混凝土单元而不需考虑其走向,网格划分灵活;对单个粘结单元而言,在平衡方程中缩减了2个虚拟结点的6个自由度,自由度数减少了8%。     

计及剪切影响的RC梁的非线性分析

为提高钢筋混凝土RC梁的计算效率和精度,提出了一种基于梁截面弯矩-曲率关系的宏观有限元方法,可用于各种跨高比RC梁的材料非线性分析。首先假定了混凝土和钢筋的非线性应力-应变关系,然后引入经过修正的Rodriguez截面模型,根据边界顶点把截面划分成若干梯形单元,利用quasi-Newton法求解由两个变量耦合而成的截面非线性平衡方程,由此建立RC截面的弯矩-曲率关系。在此基础上利用Timoshenko梁弯曲理论建立考虑横向剪切变形影响的RC梁的有限元分析模型。通过对试验梁的分析对比验证了所提出的分析方法的适用性。     

预应力混凝土桥梁结构非线性仿真研究

针对现代预应力桥梁结构受力复杂、非线性效应明显的问题,从理论上对其非线性仿真方法进行了探讨。通过在实体等参元中引入梁和板壳等理论,提出了用于复杂混凝土桥梁结构仿真建模的实体退化系列单元;从预应力筋的实际作用机理出发,提出了预应力效应分析的二阶段法;建立了混凝土徐变的三参数粘弹性模型,并推导了三维徐变效应分析的递推公式;从几何非线性、材料非线性及求解方法等三个方面对混凝土开裂及极限承载能力分析的具体实现方式进行了讨论。用三个算例分别对预应力、徐变及极限承载状态等的分析方法的有效性进行了验证。结果表明,本文方法能更真实有效地模拟实际结构,客观分析预应力及徐变的三维效应,可以准确预测结构的开裂及极限承载状态,具有很强的适用性。     

组合截面轴压短柱的非线性有限元分析

圆管或方管内填充另一种工程材料构成的组合截面构件（如钢管混凝土）在工程结构中得到了广泛的应用。本文借助商用有限元分析软件ABAQUS，利用软件子程序接口，引入应力场变量，来考虑两种材料本构关系的非线性以及受力过程中Poisson比、模量的变化等因素，建立了组合截面短柱在轴心压力作用下的非线性有限元计算模型。并通过数值算例，计算了组合截面短柱在轴心压力作用下两种材料共同受力工作的荷载－变形曲线，与试验结果基本符合，同时得到了管材对核心材料约束的变化规律。     

钢筋混凝土结构的三维有限元非线性分析

提出了一个简单的混凝土三维本构模型,结合两种钢筋分布模式编制了钢筋混凝土结构非线性分析的三维有限元程序,通过两个经典的算例对比分析,表明本文提出的混凝土本构模型能够有效地模拟结构的破坏荷载和破坏过程。     

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将双优化设计变量转化为单优化设计变量,从而建立起预应力方钢管混凝土柱的优化设计数 学模型. 利用罚函数外点法导出了优化设计变量的迭代计算公式,并给出了获得最优解的二 重迭代法计算步骤. 算例结果分析表明,本法对解决预应力方钢管混凝土柱截面优化问题, 具有概念简单,计算方便的特点,并为此类非线性规划问题提供了较好的求解途径.     

矩形平面预应力索网大变形静力计算的级数迭代法

根据平衡荷载与索网变形及索拉力之间的关系给出了索网结构平衡的微分方程,得到了矩形平面预应力索网在均布荷载、均布拉力下不考虑几何非线性的变形曲面的一种级数解;通过对变形后索拉力的改变得到了近似考虑索网结构大变形几何非线性影响的级数迭代法,给出了修正的级数迭代法使计算收敛更加迅速;该方法应用在中关村文化商厦30m×70m平面索网的设计计算中,与非线性有限元计算结果比较验证了级数迭代法计算索网变形和索拉力大小的准确性,计算精度完全可以满足工程设计的需要.     

高性能混凝土框架结构滞回全过程分析

基于非线性有限元原理，编制了高性能混凝土梁基于本构关系的滞回全过程分析程序，程序设计中考虑了材料非线性、几何非线性、预应力作用、混凝土裂面效应、轴力二次矩、材料双切线模量场等因素的影响，并考虑了高性能混凝土的特点，程序计算值与试验结果吻合较好。在此基础上，编制了高性能混凝土框架结构基于恢复力模型的滞回全过程分析程序，对该程序进行了试验验证，计算表明高性能混凝土框架结构具有良好的抗震性能。     

Geometrical nonlinear elasto-plastic analysis of tensegrity systems via the co-rotational method

An efficient finite element formulation is presented for geometrical nonlinear elasto-plastic analyses of tensegrity systems based on the co-rotational method. Large displacement of a space rod element is decomposed into a rigid body motion in the global coordinate system and a pure small deformation in the local coordinate system. A new form of tangent stiffness matrix, including elastic and elasto-plastic stages is derived based on the proposed approach. An incremental-iterative solution strategy in conjunction with the Newton-Raphson method is employed to obtain the geometrical nonlinear elasto-plastic behavior of tensegrities. Several numerical examples are given to illustrate the validity and efficiency of the proposed algorithm for geometrical nonlinear elasto-plastic analyses of tensegrity structures.     

A new beam element for analyzing geometrical and physical nonlinearity

Based on Timoshenko＇s beam theory and Vlasov＇s thin-walled member theory, a new model of spatial thin-walled beam element is developed for analyzing geometrical and physical nonlinearity, which incorporates an interior node and independent interpolations of bending angles and warp and takes diversified factors into consideration, such as traverse shear deformation, torsional shear deformation and their coupling, coupling of flexure and torsion, and the second shear stress. The geometrical nonlinear strain is formulated in updated Lagarange （UL） and the corresponding stiffness matrix is derived. The perfectly plastic model is used to account for physical nonlinearity, and the yield rule of von Mises and incremental relationship of Prandtle-Reuss are adopted. Elastoplastic stiffness matrix is obtained by numerical integration based on the finite segment method, and a finite element program is compiled. Numerical examples manifest that the proposed model is accurate and feasible in the analysis of thin-walled structures.     

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。     

含裂纹梁非线性静动力特性及简化动力学建模Static and dynamic behaviour of cracked beam and simplified dynamic model

主要研究裂纹对梁结构动力特性的影响规律,进而为含裂纹梁结构状态监测提供理论依据。首先,对裂纹影响区域进行分析,建立含裂纹梁二维接触非线性有限元模型,阐明含裂纹梁具有拉压不同刚度的静力特性;其次,通过对机理模型的分析,指出拉压不同刚度会引起轴向与弯曲的耦合振动;然后,通过非线性动力学分析方法研究其动力特性,观察到含裂纹梁在冲击荷载下会产生轴向与弯曲的耦合振动现象,并指出这种轴向与弯曲耦合振动的一个重要特征是轴向振动频谱图中含有弯曲振动基频的两倍频成分;最后,通过引入非线性弹簧建立一种新颖的含裂纹梁简化动力学模型,通过与精细有限元分析对比,验证了模型的合理性。该简化动力学模型将接触非线性问题转换为材料非线性问题,避免了费时的接触非线性动力学求解过程。     

基于有限单元柔度法的材料与几何双重非线性空间梁柱单元

从有限单元柔度法的基本思想出发,基于完全拉格朗日格式(TL格式),建立了能考虑材料与几何双重非线性的一般化空间梁柱单元,适用于满足Euler-Bernoulli梁柱二阶分析理论假定的空间杆系结构非线性分析。另外,在梁柱单元截面分析中引入纤维模型,使其适用于解决钢筋混凝土这类复合材料结构的非线性分析问题。对钢筋混凝土双向偏心受压柱试验结果的模拟分析表明,本文所提方法是正确、可靠的,能有效地分析钢筋混凝土框架柱的材料与几何双重非线性问题。     

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.     

模拟酸雨腐蚀下预应力混凝土梁的抗弯性能研究

为了探讨酸雨腐蚀环境对预应力混凝土梁抗弯性能的影响,制作了8根预应力混凝土梁,从混凝土强度等级、预应力度和钢绞线腐蚀率等方面,进行8根预应力混凝土梁的三分点静载试验。试验结果及分析表明,混凝土强度对屈服后试验梁的抗弯性能影响较大,对弹性阶段的刚度影响较小;随着预应力度的增加,试验梁的开裂荷载逐渐增大,进入裂缝阶段后,刚度下降速度逐渐加快;钢绞线腐蚀率越大,试验梁的极限抗弯承载力越低;腐蚀率在一定范围内（>3.22%）,随着腐蚀率的增大,预应力混凝土梁试件的开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩明显降低。根据试验结果,提出了模拟酸雨环境下预应力混凝土梁试件抗弯承载力的计算方法,同时采用ANSYS软件对预应力混凝土梁进行非线性有限元分析,将试验梁的计算值和模拟值与试验值进行比较,均吻合较好。     

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。     

饱和多孔介质中的混合有限元法和有限应变下应变局部化分析

对基于Biot理论的饱和多孔介质中动力-渗流耦合分析提出了一个耦合场混合元．固相位移、应变和有效应力以及流相压力、压力梯度和Darcy速度在单元内均处理为独立变量分别插值．基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理给出的饱和多孔介质动力-渗流耦合问题控制方程的单元弱形式，导出了单元公式．进一步导出了考虑压力相关非关联塑性的非线性单元公式和发展了相应的一致性算法．对几何非线性分析，采用了共旋公式途径．数值结果例题显示所发展耦合场混合元模拟大应变下由应变软化引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象的性能．     

无额外自由度广义有限元非线性分析

将无额外自由度的广义有限元法由线弹性分析扩展到弹塑性大变形分析.局部强化函数的构建依赖于已有节点,不引入额外自由度,避免了线性相关性问题.在更新拉格朗日框架下,通过控制方程弱形式的线性化推导得到了节点内力的率形式,并分为材料和几何两部分.考虑超弹性和亚弹-塑性两种材料模型,采用Newton-Raphson迭代求解,给出...