基于纤维模型有限元柔度法的L形钢管混凝土构件非线性仿真分析

本文基于纤维模型有限元的基本原理,比较了基于刚度法和柔度法建立纤维模型梁单元矩阵的方法和特性。基于柔度法的纤维模型单元的特性是以单元的截面力形函数为基础,在整个计算的过程中,单元各截面内外力严格满足力的平衡条件,不受单元材料非线性状态水平的影响。在合适的纤维材料应力-应变本构关系的基础上,从构件单元层面的角度,推导建立了考虑材料非线性和几何非线性效应的L形钢管混凝土柱数值模型,对L形钢管混凝土轴压、压弯和滞回试验算例分别进行了仿真模拟,试验算例结果与数值结果吻合良好,从而验证了该数值方法的可行性和准确性。     

空间框架的非线性塑性分析

介绍一种纤维梁柱单元,考虑几何和材料非线性。通过轴力和弯矩作用下构件稳定方程中的稳定函数来表示几何非线性,通过跟踪横截面上各纤维的单轴应力-应变关系来模拟材料非线性。基于广义位移控制方法,采用增量迭代法求解非线性平衡方程。用1个单元模拟1根杆件,该单元的非线性性能与有限元软件分析结果及其他有效结果比较吻合,并举例证明了该单元的准确性和有效性。     

钢框架平面内高等分析方法的应用

基于改进塑性铰法,讨论了构件的计算单元,二阶效应,截面的塑性扩展、构件残余应力、初始几何缺陷等各种非线性因素的处理方法,采用改进塑性铰法可以保证结构较高的计算精度,比较真实地反映结构在荷载作用下的内力和变形状态,可用于工程分析和设计。     

一种新型高效的几何非线性梁-柱单元

进行杆系结构有限元分析时,为得到足够精确的数值解往往需要将构件划分为大量的单元。单元数量的增加不仅会极大的增加计算代价,还易产生数值计算不收敛的问题。在梁-柱单元位移函数中引入了轴力的影响,将传统三次位移函数改进为四次位移函数,并推导得到了新型几何非线性梁-柱单元。新单元几何非线性刚度矩阵中考虑了单元位形变化对平衡方程的影响及单元位形变化对几何方程的影响,进而可以考虑二阶效应、弓形效应。采用新单元编制了有限元程序,算例分析表明:该新梁-柱单元精度得到了显著改善,可以极大减少非线性有限元模型的单元数量,在分析柱的稳定、梁悬链线效应等极限问题时具有显著优势。     

空间支撑钢框架结构的三重非线性分析

为了探讨三维结构的高等分析方法,本文将有限单元法与梁柱法相结合,建立了空间支撑钢框架结构的三重非线性分析方法,该法综合考虑了几何、材料和连接非线性效应。文中基于非线性连续介质力学理论和考虑剪切效应的稳定插值函数建立的严格三维梁柱单元刚度矩阵,包含了轴向、剪切、双向弯曲与扭转及其各耦合效应。三维单元简化塑性区模型可模拟塑性扩展,利用单元两端抗转弹簧和考虑支撑效应的节点域剪切变形模型来模拟连接非线性。使用包括几何、材料和连接非线性的数值算例来检验本文方法和所编计算机程序的可行性、有效性与精确度。算例表明,利用本文方法,每个构件只需一个单元即可准确预测三维结构的极限荷载与失稳模态,可提高结构非线性空间性能的分析效率。     

悬索桥的非弹性动力分析

提出一种精确的计算方法,用于地震作用下悬索桥的非线性时程分析。该方法考虑了几何非线性和材料非线性。利用稳定函数分析桥塔和主梁的几何非线性,而用弹性悬链线的精确解析方程分析索杆的几何非线性。利用切线模量概念和精细塑性铰模型按构件长度和截面划分屈服等级。给出一种基于Newton-Raphson法的Newmark平均加速算法。计算结果与商业软件SAP2000的分析结果吻合,说明该计算程序准确有效。     

考虑粘结滑移RC结构非线性分析

基于纤维模型有限单元柔度法,考虑粘结滑移效应,对钢筋混凝土结构承受单调荷载作用下进行非线性分析。考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移,计算出构件截面的转角和曲率,迭代过程中,在截面层次用该曲率对原来的截面曲率进行修正,计算出荷载—位移曲线。通过对考虑粘结滑移和不考虑粘结滑移两种情况结果的对比,以及两种结果与试验结果的对比发现:计算结果可以较好地反映钢筋和混凝土之间的粘结破坏。     

双向偏压异形柱构件非线性分析方法的研究

基于双向偏压作用下钢筋混凝土异形柱的材料非线性和几何非线性,通过修正x、y方向的曲率间的关系,以x方向的曲率和截面形心应变为基本未知量,采用数值积分方法对钢筋混凝土异形柱构件进行非线性全过程分析,得到了截面的M-曲线。通过与实验结果得到的M-全曲线进行对比,两者计算结果吻合较好。此法概念清晰,理论严密,适用于截面单元划分成大单元的计算。     

钢管混凝土框架的非线性分析

建立数值程序,对钢管混凝土框架进行非线性分析。通过采用轴力和弯矩共同作用下梁柱结构稳定求解中的稳定函数,考虑几何非线性。通过追踪沿杆件长度方向选定的横截面上的纤维单轴应力-应变关系,描述横截面上及杆件长度方向的塑性发展。由于位移控制方法具有数值稳定性和有效性,基于此,采用增量迭代法,求解非线性平衡方程。通过与试验和已有求解结果的比较,验证了本方法的准确性。对于钢管混凝土结构的非线性分析,数值分析是有效的。     

焊接箱形截面稳定承载力的直接强度设计法

现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》对焊接箱形截面构件在考虑壁板局部失稳后的稳定极限承载力的设计规定还相当粗糙,按腹板高度边缘范围内两侧宽度各为20tw计算有效面积,未能与构件整体稳定性建立有效的联系。采用板壳单元,精确地模拟了箱形截面构件的壁板局部失稳及其相互作用,在大挠度、弹塑性范围内对箱形截面的稳定极限承载性能进行了研究。在大量数值分析的基础上,分别归纳总结了箱形截面构件在承受轴向压力、纯弯曲以及弯矩与轴力共同作用下的稳定极限承载力简化计算公式,对箱形截面构件稳定承载力计算及设计有参考价值。这种把构件稳定承载力设计与构件几何尺寸建立直接关系的直接强度设计法,会改进采用有效宽度法产生的误差,可以为薄壁结构相关技术规程修订时参考。     

钢管混凝土框架结构力学性能非线性有限元分析

在考虑材料非线性和几何非线性的基础上进行了钢管混凝土柱-钢梁平面框架结构力学性能的非线性有限元分析,核心混凝土采用考虑钢管约束效应的应力-应变关系,钢材采用二次塑流模型或线性强化模型,通过在有限元公式中引入几何刚度矩阵,并在荷载步中更新坐标描述二阶效应来反映框架结构的几何非线性效应。基于近似修正的拉格朗日表述来反映框架结构变形前后位形之间的关系,利用虚功原理建立相应的增量平衡方程,并采用位移增量法求解非线性有限元方程,理论计算结果得到试验结果的验证。分析表明,基于非线性纤维梁-柱单元理论的分析方法可以反映钢管混凝土框架在受力过程中构件屈服和塑性分别沿截面和杆长两个方向扩展的分布塑性特征,并考虑初始缺陷、残余应力等,因此可较好地反映钢管混凝土框架的力学性能。在此基础上对影响钢管混凝土框架力学性能的主要因素进行了参数分析,分析的具体结果可供有关研究或工程应用参考。     

长周期超高层钢筋混凝土建筑P-Δ效应分析与稳定设计

应用解析解和能量法讨论了等截面均质悬臂杆模型以及基于顶点位移等效原理的等效刚重比的理论缺陷和不确定性,明确指出带P-Δ杆或P-Δ柱的力学模型是对结构进行P-Δ效应数值分析的最理想模型。按我国规范,提出按小震和大震二阶段进行稳定设计的学术观点。建议在基于承载力的小震设计中,将使用有限元法得到的屈曲因子直接作为判别结构整体稳定性的设计指标,使用"直接法"确定放大的位移和弯矩。在基于变形的大震设计中,同时考虑材料非线性和构件几何非线性,计算塑性(广义)变形,评估结构的抗震性能目标。     

高温下梁的抗弯刚度的非线性分析

在对高温下混凝土构件温度场的数值分析的基础上，基于高温下构件的截面仍然遵守平截面准则的假定，对高温下混凝土梁的抗弯刚度进行非线性分析与计算。用有限单元法的思想将构件截面划分为m×n的网格，各个网格的中心点即为温度场分析时的节点，推导出一种新的构件刚度数值计算模型并编制了计算程序。程序计算结果与试验实测值吻合较好。     

直接分析法在抗震设计中的运用

直接分析法因在分析过程中考虑二阶效应、结构整体和构件初始缺陷、材料弹塑性、节点连接刚性等对结构响应有影响的因素，使得分析和设计不再分离，从而在本质上解决了传统计算长度法在结构稳定性设计中的问题。该方法在众多规范中受到推崇，包括最新的钢结构标准（GB 50017-2017）。直接分析法生而具有的开放性，也使得它可以应用在结构分析和设计的各个阶段，实现各种性能目标。为满足直接分析法的要求，该文推导了基于力法的可直接考虑构件几何初始缺陷和残余应力的高性能梁柱单元。该单元还可考虑构件的弹塑性发展，具有很高的精度，一构件一单元即可适用于常见结构。该文探讨了直接分析法在抗震设计中的运用，提出基本分析框架，并指出分析中应注意的问题。     

基于二阶梁柱单元的精细塑性铰算法

采用精细塑性铰法考虑残余应力和逐步塑性,并引入弓形效应来提高计算精度,同时基于截面组合法建立的工字形或H形截面的屈服面方程进行严格推导,提出一种单元恢复力迭代算法,减少了半理论半经验公式的使用。此外,所采用的梁柱单元还可以考虑梁构件剪切变形和几何初始缺陷的影响。相比之前的方法,该方法能在进行塑性铰分析的同时,在单元的轴力表达式中考虑二阶效应,更全面地考虑非线性因素影响。最后,通过两个经典算例的对比,证明了该方法具有高效率和高精度的特点。     

基于混合近似法的纤维梁单元非线性求解方法#br#

环境荷载作用下土木工程结构往往产生较大的非线性变形,包括材料非线性和几何大变形两部分,而两者非线性问题的数值求解往往需要花费高昂的计算代价。隔离非线性有限元法是将材料应变分解为弹性与塑性两部分,在控制方程中实现刚度矩阵的弹塑性分离,使用Woodbury公式进行非线性求解。目前,该方法仅用于求解局部材料非线性问题。文章基于隔离非线性有限元法,推导同时考虑材料和几何非线性（简称混合非线性）的纤维梁单元控制方程;依据Woodbury公式和组合近似法的基本理论,提出混合近似法的高效非线性求解方法,并利用时间复杂度理论,对该方法与传统有限元法进行计算效率对比分析;将提出的方法应用于某钢框架结构的地震非线性反应分析,计算结果表明：文中方法可以在求解材料非线性时考虑几何大变形问题,在保证计算精度的同时使计算效率得到明显提升。     

任意截面钢筋混凝土双向偏压构件非线性稳定性分析的简化法

将钢筋混凝土任意截面非线性分析方法与Salah提出的段长法结合，将钢筋混凝土双向偏压构件的非线性稳定性分析过程简化。分析中考虑了材料非线性及几何非线性特征，计算公式简便，不需迭代，直接计算即可得到构件稳定性分析的极限承载力。计算结果与试验结果吻合较好。     

薄壁梁元几何非线性分析模型的研究

本文在非线性空间梁元力学模型的基础上，考虑薄壁杆件扭转的影响，利用虚功原理导出了薄壁梁元几何非线性刚度矩阵。其中几何刚度矩阵由轴向力、双向弯曲和截面翘曲的影响组成。根据本文导出的分析模型编制了相应的结构分析程序。算例表明，本文导出的薄壁梁元几何非线性分析模型能较好地反映出薄壁构件的受力特点，可用于薄壁杆件组成的结构的非线性分析。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

三维退化纤维梁单元线性和非线性有限元分析

为了解决曲线梁、任意形状截面梁、以及复合材料梁等结构的计算问题，基于退化理论推导得到三维退化纤维梁单元。该单元采用平截面基本假设，考虑剪切变形的影响，用轴线节点位移表示梁单元任意一点的三维位移场。根据UL列式，推导得到该单元考虑几何非线性和材料非线性的切线刚度矩阵。由上述理论编制了有限元计算程序，通过对几个典型算例的分析，证明了这种纤维退化梁单元的精确性、高效性和通用性。