斜腹杆体外预应力结构杆索的耦合分析

应用有限元理论,以斜腹杆体外预应力结构为对象,考虑杆与索的耦合作用,通过两结点直线只拉索单元模型的建立,得到求解索结点位移的斜腹杆体外预应力结构的刚度矩阵及腹杆伸缩列阵.首先从几何关系入手,分别求解由索结点位移列阵求索应变列阵与腹杆伸缩子列阵的转换矩阵;又用物理关系,分析由索应变列阵求索应力列阵的转换矩阵;再用变形体的虚功原理,求出由索结点位移列阵求索结点荷载列阵的转换矩阵;最后用腹杆的平衡条件,推导斜腹杆体外预应力结构的刚度矩阵及腹杆伸缩列阵.研究表明,斜腹杆体外预应力结构刚度矩阵的影响因素较为复杂,不仅与索单元的杨氏模量、长度、横截面面积等参量有关,也与腹杆的方向和长度有关.斜腹杆体外预应力结构杆索耦合的分析结果,为斜腹杆体外预应力加固设计提供了理论参考.     

斜腹杆体外预应力杆-索结构刚度矩阵可逆性分析

根据线性代数理论,证明斜腹杆体外预应力杆-索结构刚度矩阵K的可逆性.把较为复杂的K的可逆性问题转换为简单矩阵的可逆性问题;对简单矩阵的行列式进行腹杆数分别为奇数和偶数两种条件下的恒等变形,得到由腹杆、索的方向角所确定的行列式.结果表明,当腹杆倾斜布置时行列式非0;当某一腹杆垂直布置时,对未定式通过洛比达法则求极限,其行列式也非0,即K的可逆性与腹杆、索的布置方向无关.杆-索结构刚度矩阵可逆性的证明为伸缩腹杆体外预应力加固技术在控制索应力的设计方面奠定了数学基础.     

斜腹杆体外预应力加固简支梁结构性能非线性分析

在有限元软件ABAQUS的分析平台上,以初始应力水平、索垂度和索直径为参数,建立斜腹杆体外预应力加固前后钢筋混凝土简支梁三维实体模型,研究两点对称荷载下试件的弯曲破坏形态、承载力、塑性应变分布、抗弯刚度以及体外索应力增量的变化规律.结果表明,当其它条件不变时,初始应力水平、索垂度和索直径与简支梁加固效果均呈增函数关系,开裂荷载的提高幅度为30%~150%,屈服荷载的提高幅度为10%~40%,极限承载力的提高幅度为10%~50%,梁体屈服前的抗弯刚度提高幅度为10%~60%;证明斜腹杆体外预应力加固技术能够提高梁的屈服强度、极限承载力和抗弯刚度,对改善钢筋混凝土简支梁的抗裂性能尤为显著.     

带铰平面梁元几何非线性有限元分析

针对梁端带铰的平面梁元几何非线性分析研究较少的情况,通过局部坐标系（随转坐标系）下的即时单元刚度矩阵,再基于结构坐标系与局部坐标系下杆端力及节点位移的总量关系及微分获得的增量关系,获得平面梁单元在大位移、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵。研究结果表明：将局部坐标系下的刚度矩阵建立在即时构形的参数上,更能反映状态变量的变化,在此基础上根据带铰梁端弯矩为0的受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式;通过对带铰的算例进行几何非线性分析,验证了所提出的表达式具有较强的实用价值。     

斜腹杆体外预应力对RC嵌固梁加固性能的影响

用理论分析、模拟分析和试验验证的方法,研究斜腹杆体外预应力对钢筋混凝土嵌固梁的加固性能.按照变形协调原理建立嵌固梁荷载挠度方程,得到对应预应力索-梁组合单元的力学模型.利用ABAQUS有限元模拟的方法研究不同设计参数对嵌固梁加固效果的影响次序.结果表明,索垂度显著、索初始预应力居中、索截面面积次之;斜腹杆体外预应力简支加固方法能提高试件的刚度、抑制试件塑性发展速度、改善试件的承载能力和延性,试件开裂荷载、屈服荷载、极限荷载明显提高,加固效果显著.选择3组各2个试件进行静力试验验证.在弹性阶段,理论计算和软件模拟所得荷载-挠度曲线与试验结果吻合;进入塑性阶段后,试件的理论值远大于试验值和模拟值;而试验值与模拟值始终吻合,模拟分析结果可信.     

空间折索单元的切线刚度矩阵

预应力空间网格结构是一种新型的结构形式 ,对该结构进行非线性分析计算时 ,需要采用空间索单元的切线刚度矩阵 .通过对于预应力索单元的分析研究 ,推导了具有初始应力的空间折索单元的单元切线刚度矩阵的计算公式 ,并且建立了可用于预应力空间网格结构非线性有限元分析的非线性方程组 .所推导的公式均具有良好的规律性 ,非常便于计算机进行分析处理     

基于CR列式的平面体外预应力梁非线性有限元模型

将体外预应力筋视为在锚固位置和转向块位置分别与梁体固结及相连的常应变构件,基于锚固位置和转向块位置处体外预应力筋和梁体的几何关系,采用共旋坐标（co-rotational, CR）法导出体外预应力筋在结构坐标系中的切线刚度矩阵和杆端抗力.结合常规的几何非线性CR平面梁单元,建立体外预应力平面梁的几何非线性有限元模型并编制了程序,对一简支梁算例的两个工况进行了几何非线性分析并与ABAQUS程序进行了比较.结果表明：不管是预应力施加工况还是承受外载工况,对于梁端水平位移、跨中竖向位移和体外筋轴力,两种方法得到的计算结果吻合良好,从体外筋轴力方面而言,本文方法更能体现体外筋为常应变构件的受力性能,因此可用于体外预应力结构的非线性有限元分析.     

多因素耦合影响下的杆系结构几何非线性分析

通过分析横向剪切对梁单元的影响、轴心力的二次影响以及约束扭转时翘曲引起的二次剪应力效应 ,引入了翘曲函数及三次多项式的扭转模式 ,得出了 7个自由度的杆系结构精确模型 .在几何非线性分析中 ,考虑了轴向荷载、平面弯曲、剪切、约束扭转翘曲以及荷载 -变形各效应的耦合 ,基于此建立了变形状态几何非线性分析的切线刚度矩阵 .利用建立于弧长法基础上的球面显式迭代 -增量法 ,进行了空间结构的几何非线性全过程分析 .     

悬索结构非线性有限元分析

提出了一种适合于悬索结构空间非线性分析的三节点等参数索单元有限元模型,在三维整体坐标下,由就的定义得到了可以考虑任意高阶位移影响的非线性应变几何关系,采用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ坐标描述法,并由虚功原理建立了非线性有限无限元增量方程及切线刚度和矩阵,算例计算表明,本文方法可用于各种悬索结构的计算分析。     

斜腹杆体外预应力对砼简支梁加固后结构性能规律

用有限元软件ABAQUS对1根原梁和18根索梁进行了加固前后的非线性模拟.与原梁相比,索梁在施加体外预应力阶段,均出现微量反拱;在施加使用荷载时,索-斜腹杆-梁的组合受力体系在体外预应力作用下内力重分布现象显著,改变了梁混凝土截面的应力分布规律,提高了梁的开裂荷载和极限荷载,增强了梁的变形能力,梁两端靠近支座处出现了特有的低应力区.分析结果有力地验证了斜腹杆体外预应力加固方法的有效性,为技术应用提供了参考.     

考虑索端刚臂的斜拉桥空间拉索非线性分析

为解决斜拉桥空间拉索在塔和梁上锚固点的刚性连接计算问题,在基于微分法导出考虑垂度效应的非线性空间杆元切线刚度矩阵的基础上,根据索端刚臂在受力后只有刚体运动而本身不变形的特点,将刚臂视为空间矢量,利用空间矢量有限转动公式及微分方法,导出了结构坐标系下刚臂两端的位移之间和杆端力之间的总量及增量关系.最终获得两端带任意刚臂的斜拉索空间杆元切线刚度矩阵表达式,编制了相应的斜拉桥几何非线性有限元计算程序,对经典桁架算例、带刚臂的三杆空间桁架和施工阶段的斜拉桥进行了空间几何非线性分析.计算结果表明:本文方法能解决斜拉桥空间拉索在塔和梁上锚固点的刚性连接计算问题,为斜拉桥进行几何非线性精细分析提供有力工具.     

索结构几何非线性分析的悬链线索单元法

基于索的基本假定和悬链线平衡方程,通过对沿索曲线均布荷载作用下的索段分析,得到了索端力和索的几何线形之间的对应关系;进一步通过索单元的柔性迭代分析,获得了内力改变和位移增量之间的关系,进而得到索单元的刚度矩阵和节点力,从而建立起了空间悬链线索单元的几何非线性有限元分析方法.经典算例结果证明了空间悬链线索单元的正确性,同时具有较高的精度,可为大跨度悬索桥、斜拉桥以及张拉结构等几何非线性较强的结构精确分析提供强有力的计算工具.     

Space shape finding FE analysis for suspension bridge based on CR formulation method

The problem of geometric non-linearity simulation for spacial cable system was solved by introducing the truss element based on corotational coordinate (CR) system, cable structure materials and node coordinates and automatic refreshing algorithms for element internal force. And the shape-finding problem for maneuvering profile was solved with the Newton-Raphson based on energy convergence criteria with search function. This has avoided the regular truss element assumption extensively used in traditional methods and catenary elements which have difficulties in practical application because of the complicated formulas. The use of CR formulation has taken into account the stiffness outside the cable plane via a geometric stiffness matrix, realizing the 3D space analysis of a cable bridge and improving the efficiency and precision for the space geometric non-linearity analysis and cable structure, and enabling more precised simulation of geometric form finding and internal force of the large span suspension bridge main cable under construction.     

大跨度斜拉桥恒载非线性静力分析

静力分析的精确程度对大跨度斜拉桥设计和施工过程具有很大影响。提出一套有限元方法 ,以弯曲能量作为目标函数确定斜拉索的初始张拉力 ,通过修正斜拉索的弹性模量 ,引入几何刚度矩阵和大挠度矩阵 ,综合考虑斜拉索垂度效应、梁柱效应和大位移效应 ,采用混合法求解系统方程。程序经过算例验证并应用于在建的重庆大佛寺长江大桥 ,取得了较好的效果 ,为该桥的施工控制提供了依据     

预应力网壳的索单元分析

推导了预应力网壳结构在正常使用阶段的预应力索单元的特性矩阵。比较分析表明,与以前使用的索元公式相比,新导算式更适合于预应力网壳结构的分析。     

环形辐射状预应力张弦梁钢屋盖张拉优化

为确定结构的刚度特征及各榀张弦梁下弦拉索之间索力影响关系,采用了传统的顺序张拉法对某体育馆环形辐射状预应力张弦梁钢屋盖进行了分析.结果表明该结构较柔,导致了各拉索之间索力影响较大.根据该结论,按照对称均匀的原则选取了3种张拉方案,即一阶段张拉、两阶段张拉及三阶段张拉,运用逆向分析思路对下弦拉索进行虚拟张拉的对比仿真分析,分析过程中对拉索索力及结构位移进行了全过程的动态追踪,得出方案三为最优方案,并指出对于柔性预应力钢结构应采用逆向分析思路进行仿真分析,确定合理的张拉顺序及张拉级别有利于结构的受力与变形,并保证施工阶段结构的可靠度.     

预应力钢锚管注浆锚索边坡加固力学特性

为解决传统预应力锚索在边坡支护应用中存在安全耐久性不足、加固效果有限等的问题,通过室内和现场试验研究了预应力钢锚管注浆锚索力学特性,开发了边坡复合加固方法。研究结果表明,锚索荷载-位移曲线的非线性变化特征更明显;钢锚管的加卸载刚度变化规律不一致,而锚索的加卸载刚度变化均表现为幂函数衰减的规律;钢锚管和锚索的弹性位移随荷载呈线性增长,而塑性位移随荷载呈增长幂函数变化。边坡现场工程试验结果显示,新型加固技术对于不同地质边坡均适用。对于完整地层,锚固结构受力时产生的变形较少且刚度变化不大,不可恢复变形小,边坡变形易达到稳定状态;对于破碎地层,裂隙增加了浆体渗透提高了其与岩土体的粘结强度,增加了锚固力,因而受力时变形大,刚度变化大,产生的不可恢复变形量大,相对于传统锚索支护,新型支护技术能够更好发挥不同结构间的协作。可见新加固方法可为类似工程边坡加固设计提供参考。     

纤维模型在平面框架非线性静力分析中的应用

为准确描述钢筋混凝土结构局部的受力情况,通常需要采用微观模型来进行非线性有限元分析.将梁柱单元建立在弹塑性纤维模型的基础上,直接从材料本构关系出发,对平面钢筋混凝土框架结构进行了金过程非线性静力分析.在框架结构与梁柱单元之间用刚度法,组装杆件刚度得到结构刚度;杆件与杆件内部积分点处的横截面之间采用柔度法,基于杆端力和截面力的平衡获得杆件刚度;每个横截面通过平截面假定协调纤维变形,同时考虑了几何非线性,由纤维的刚度得到截面刚度.为追踪非线性反应的软化段,求解时选取柱面弧长法.同时选取实例分别进行单向推覆和低周反复加载试验的程序模拟,得到了较好的效果,并提出进一步优化改进的建议.