几何材料非线性分析的新空间梁柱单元

给出了基于UL法的三维梁柱单元虚功增量方程,首次详细推导了同时考虑翘曲和剪切变形以及力矩空间转动影响的三维空间薄壁梁柱单元的几何非线性切线刚度矩阵;材料非线性通过在单元端部形成塑性铰来考虑,对Orbison截面塑性面进行了修正,以考虑扭矩和翘曲对截面强度的影响,采用塑性流动法则推导了单元端部进入塑性时的单元弹塑性切线刚度矩阵。算例表明,只需要一到两个单元就可以准确预测空间钢框架的极限承载力和失稳模态,有效考虑剪切变形及翘曲对结构的影响。     

高强钢焊接箱形柱力学性能研究(Ⅱ)：二阶非弹性分析

高强钢的焊接残余应力分布和普通钢材的有较大差异,现有的切线模量和刚度退化函数不适合用于高强钢焊接箱形截面的二阶非弹性分析。而精炼塑性铰模型通过切线模量和刚度退化函数可合理考虑残余应力的影响和塑性渐进发展,达到与塑性区模型相近的精度。基于此,提出适合高强钢焊接箱形截面的二阶非弹性分析方法。通过稳定函数考虑单元二阶效应,基于杆端部转动引起的构件弯曲及其导致的轴向应变,考虑弯曲效应。在精炼塑性铰模型中,采用高强钢焊接箱形截面的残余应力统一分布模型,通过截面分析法构建不同强度等级的焊接箱形截面切线模量计算公式。同时,分析轴力和弯矩共同作用下的渐进屈服对箱形截面刚度退化的影响,从而建立可模拟截面塑性发展的刚度退化函数。结合塑性铰的产生与发展对平衡微分方程解的影响,建立梁柱单元的弹塑性刚度矩阵。结果表明,所提出的二阶非弹性分析方法可准确分析高强钢焊接箱形截面轴压构件的力学性能,可应用于高强钢框架结构设计,为二阶非弹性分析方法的工程应用提供参考。     

半刚性钢框架的直接分析方法理论研究

介绍了一种针对半刚性连接钢框架的直接分析法,该方法可以同时考虑结构和构件的初始缺陷、几何非线性(包括P-Δ,P-δ效应)、材料非线性以及半刚性连接(支座)对结构受力性能的影响。建立了可同时考虑初始缺陷、半刚性连接以及塑性铰的弯曲稳定函数单元(CSF单元),推导了CSF单元的二阶单元刚度矩阵,并扩展为三维单元刚度矩阵。采用弹簧单元对半刚性连接和塑性铰单元的非线性行为进行了模拟,确定了塑性铰出现的判断准则以及弹簧刚度的取值,定义了结构破坏准则。利用NIDA程序对3组半刚性连接框架结构进行了直接分析,并与试验结果进行了对比。对比分析表明:利用NIDA程序得到的结果与试验结果吻合较好,验证了直接分析法对半刚性连接钢框架进行结构分析的有效性和可靠性。     

钢筋砼框架非线性分析的简化单元模式

介绍一种用于钢筋混凝土框架二阶弹塑性分析的简化单元模式。它考虑了轴力的二阶效应、横截面的塑化和塑性区长度等非线性因素的影响。利用杆件截面的弯矩—曲率关系,可以直接由弹性杆件的转角—位移方程建立单元的非线性刚度矩阵。经与试验结果比较,说明计算结果是正确的。     

多高层钢框架的双重非线性有限元分析

本文基于非线性连续介质力学的有限变形理论和结构分析的塑性铰形成机理 ,介绍一种用于多高层钢框架结构双重非线性分析的简化单元模式和有限元方法 ,并推导了简化单元模式的增量刚度矩阵。它可以考虑杆件横截面塑化、塑性区长度、残余应力、轴力的二阶效应和轴力降低杆件截面极限弯矩等几何和材料非线性因素的影响。通过算例表明 ,本文方法是可靠的 ,可供工程设计人员参考。     

空间桁架结构弹塑性稳定性分析的共旋坐标法

尽管空间桁架结构的非线性稳定已有大量研究，随着微型计算机的速度和内存空间的发展，有必要发展与其计算能力相适用的模型和方法。本文采用共旋坐标法导出了弹塑性空间桁架杆件单元在大转动、小应变条件下的标准单元切线刚度矩阵；提出了在R^n＋1维荷载-位移空间中求解非线性有限元方程组的拟弧长增量法迭代格式，该格式保留了迭代刚度矩阵的部分带状性能．在此基础上编制了相应的Fortran计算程序NST-SAP。算例表明，本文提出的刚度矩阵和迭代算法能精确有效地分析空间桁架结构弹塑性稳定性问题。     

刚架结构极限承载力分析的广义塑性铰研究

传统塑性铰法及其改进方法具备比例特点,能够根据外荷载与内力之间的比例关系快捷确定刚架的塑性铰位置和极限承载力,但不能应用于多内力组合作用下的刚架极限承载力问题。随后发展起来的二阶塑性铰法和精细塑性铰法尽管解决了该问题,但不具备比例特点,需通过大量迭代试算、并连续调整荷载增量来确定刚架的塑性铰位置和极限承载力,导致理论复杂,计算效率低。为此,文章利用广义屈服准则提出内力组合因子的定义,据此建立具备比例特点的广义塑性铰法,能够快捷处理刚架结构在多内力组合作用下的极限承载力问题。首先,利用广义屈服准则研究建立内力组合因子,据此修正刚架单元在不同加载步的截面强度。然后,利用齐次广义屈服函数和标准化内力定义单元承载比,并根据荷载与单元承载比之间的比例关系快捷确定各加载步的塑性铰位置和极限承载力。最后,通过与弹塑性增量法和改进塑性铰法对比分析,验证了该方法具有简捷、高效和高精度特性。     

基于拟力法的纤维梁有限元非线性分析方法

以拟力法中的弹塑性分解思路和纤维梁理论为基础,将梁单元的截面变形分解为弹性变形和塑性变形,并引入塑性自由度,在材料层面建立了基于拟力法的纤维梁有限元非线性分析方法。该方法可以保持结构整体刚度矩阵不变,其非线性状态通过局部塑性矩阵加以体现,在迭代计算时避免了结构整体刚度矩阵的实时更新与分解,且塑性矩阵相比于结构整体刚度矩阵规模小,提高了计算效率。通过数值算例,将文中方法与采用有限元软件ABAQUS的分析结果进行对比,两者吻合较好,证明了该方法的有效性。     

钢框架-RC剪力墙高层建筑结构的弹塑性全过程分析

针对结构中的钢框架,采用稳定函数单元位移模型及空间塑性铰的弹塑性模型,建立了钢框架结构节点的弹塑性增量平衡方程;针对结构中的楼板,采用三角形平面应力单元,形成了楼板节点的弹性增量平衡方程;针对结构中的RC剪力墙,采用考虑剪切及轴力影响的等效梁单元模型,利用钢筋混凝土截面M-Φ的三折线关系及假定的两杆端塑性转角增量与弹性转角增量的关系式,得到了统一的RC剪力墙结构节点的弹塑性增量平衡方程,然后,经过集成,获得了整体结构节点的弹塑性增量平衡方程。最后,通过数值算例,验证了文中方法的正确性,并得出如下结论,该类结构最薄弱部位是剪力墙底层的底部及剪力墙与钢连梁相交接的部位。     

钢筋砼梁转移塑性铰框架弹塑性全过程分析方法与程序设计

本文推导出用于梁转移塑性铰框架并适用于一般框架进行弹塑性全过程分析的单元刚度矩阵、单元固端力矩阵、单元杆端位移和节间荷载引起的塑性铰转动量矩阵,建立了钢筋砼杆件的N-M-φ理论曲线,解决了节点位移,层间位移、结构总位移和杆端内力、杆件各截面内力的计算问题,编制出相应的电算程序并经上机运行和试验框架的验证,理论分析与试验结果符合良好。     

交错桁架结构体系的空间二阶弹塑性全过程分析

本文基于非线性连续介质力学理论和内力屈服面塑性流动理论,推导出计算交错桁架结构体系极限承载力的二阶弹塑性刚度方程。该方法在刚度方程的构造中考虑了单元轴力、剪力、弯矩、扭矩以及结构剪切变形的影响,并在塑性铰处考虑了内力之间的相互影响。算例分析表明本文方法具有良好的计算精度。     

基于刚体准则和广义位移控制法的拱结构屈曲与后屈曲分析

论述了常用非线性分析增量迭代法的基本思想及不足,阐述了刚体准则及广义位移控制法的基本原理,将刚体准则和广义位移控制法结合,建立了杆系结构的几何非线性分析方法。初始受力平衡的刚体单元在经历刚体位移时其作用力只发生方向的改变而不会发生大小的改变,用于大变形大位移几何非线性分析的单元应满足这一刚体准则;广义位移控制法通过广义刚度参数来控制增量步,弥补了传统几何非线性分析方法中极值点和回弹点附近迭代方向不能有效确定的难题,且广义刚度参数物理意义明确,能有效调整加卸载方向,适用于多临界点的计算。将上述方法应用于实际工程,对平面和空间拱结构进行屈曲与后屈曲分析,与理论解、ANSYS数值解的对比表明,刚体准则和广义位移控制法结合,具有结构几何非线性分析的普适性,能准确高效地进行结构几何非线性分析,适于工程应用。     

跃层柱抗震性能探讨

跃层柱在公共建筑中出现较多,其计算长度较长,刚度相比于普通柱较小,弹性状态下分担剪力较小.进入弹塑性阶段后,普通柱首先出现塑性铰,刚度降低,结构整体剪力分配发生变化,结构受力趋于复杂.文中根据塑性铰理论分析了长、短柱的弹塑性变形、延性系数;在此基础上,用静力弹塑性方法分析了两层跃层结构进入弹塑性状态后的剪力分配情况,研究了普通柱和跃层柱的塑性铰发展规律.     

国家游泳中心子结构模型抗震能力分析

国家游泳中心子结构模型分析结果与试验对比表明,焊接空心球(半球)节点对子结构模型整体刚度有较大贡献,用带刚域的集中塑性铰杆单元建立的分析模型能较好地模拟子结构模型的弹塑性性能.采用该分析模型,分别用能力谱法和弹塑性时程分析法对子结构模型进行罕遇地震反应分析.结果表明,两种方法的计算结果很接近;罕遇地震作用下子结构模型仅少量杆件屈服,整体上处于弹性,具有很强的抗震能力.     

基于二阶锥规划理论的有限元强度折减法及应用

针对岩土体稳定性问题,常用的方法有极限平衡法和有限元强度折减法等。传统的有限元强度折减法通常需设置很大的最大允许非线性迭代次数(如200或500),计算耗时严重,此外,采用的平衡迭代和应力积分算法可能导致岩土体塑性区计算不够准确,进而影响稳定性分析结果。提出一种二阶锥规划有限元强度折减法,该方法基于Hellinger–Reissner混合变分原理和有限元法,将岩土体弹塑性问题构造成基于有限元框架的二阶锥规划问题,结合强度折减技术来分析岩土体稳定性。将该新方法应用于平面应变岩土体稳定性分析,结果表明:与传统的有限元强度折减法相比,新方法结果可靠,但其计算效率更高,所获得的塑性区更加平滑。     

Implications of using refined plastic hinge analysis for load and resistance factor design

A plastic hinge analysis based on a two-surface stiffness degradation model is outlined for second-order inelastic analysis of steel structures. The analysis approach is based on refinements to the elastic-plastic hinge method and allows for a smooth transition from initial yielding to the full yielding of cross-sections in a beam-column element. This analysis method shows a good representation of the inelastic structural response compared to the conventional elastic-plastic hinge analysis, and it is efficient for use in the analysis design of large-scale structures. Design implications, recommendations and case studies for use of refined plastic hinge analysis for direct frame design considering semirigid connection effects are presented.     

偏心框剪结构地震作用下弹塑性扭转反应分析

为考察实际偏心框剪结构在地震作用下的扭转反应规律,按规范设计一组具有不同偏心率的实际框剪三维偏心结构算例,采用精细有限元模型进行不同地震水准下的多波非线性动力时程分析,对比其层间位移角、扭转角、塑性铰分布、延性系数等弹塑性地震反应。结果表明,位移比控制在高规要求的1.4限值内时,位移反应可满足规范的性能要求;刚性边构件的延性需求比柔性边大2倍～3倍;刚性地基假定下框剪结构的刚性边剪力墙构件底部在人工波大震输入时延性需求过大,应引起重视。