基于实体数值计算结果的梁柱内力计算方法研究

实体单元是有限元、有限差分等连续数值模拟常用的单元形式,其计算结果通常为应力、变形、塑性区等。而工程结构通常是根据弯矩、轴力、剪力等内力进行配筋,这导致实体单元计算结果不能直接用于配筋设计。基于截面应力与内力转换原理,通过单元边界的线性插值法求出各截面点的应力,将截面网格按截面点数目平分,以此作为截面点应力的作用区域计算截面点的内力,计算出整个截面的轴力、剪力和弯矩等内力值。以AutoCAD作为内力计算结果显示平台,编制了将实体应力计算结果转化为内力图的程序,并采用简单模型进行了程序验证,将之应用于某工程梁柱的配筋设计。研究成果可为基于实体单元数值计算结果配筋分析提供参考。

内力加载机构基于模型前馈的多电机同步控制方法

针对某圆筒形分体式构件对心加载的需求,设计了一种四电机驱动的内力加载机构,可向结构件施加超过15 000 N的总加载力,但实际加载过程中由于结构不对称等原因,易造成加载偏载,结构件之间发生相对移动,影响装配质量。为此,提出了一种基于模型前馈的比例-微分(PD)控制方法用于多电机的同步运动控制,建立了交流伺服电机的给定信号与角速度之间的动力学模型,基于该模型的目标速度设计了前馈补偿,以增强多电机同步控制时的响应速度。同时,设计了PD反馈控制参数,以提高同步控制的精度。试验结果表明,与传统的交叉耦合同步算比较,基于模型的PD同步控制算法同步误差减少了约40%,电机同步性得到了有效提高。

沉箱外壁和隔墙内力计算优化

现行规范对于沉箱构件内力计算进行简化,忽略上部结构对构件的约束。将考虑沉箱上部结构对构件施加有效约束时的横向跨中弯矩和支座弯矩结果与规范计算模式结果进行对比分析,并比较不同计算模式下的构件顶部1.5l内(l为仓格间距)和构件底部1.5l内的内力。结果表明,当考虑沉箱上部结构对构件施加有效约束时,沉箱构件上部的横向跨中弯矩可减少约36%,支座弯矩可减少约14%,可显著优化结构设计,同时须核算构件竖向强度。虽然结构约束条件与底部相似,但由于荷载分布不同,构件顶部不适合采用三边固接一边简支模型计算内力;沉箱构件内力分布不均匀,边缘仓格的内力远大于中间仓格的内力,弯矩增加超过30%,对于仓格少于或等于2个的小型沉箱设计时尤其值得注意,此时建议建立整体模型进行分析计算。

集中力活载作用下悬索桥变形及内力的解析算法

悬索桥作为一种柔性结构,活载下的响应是长期以来被研究的重点内容。该文针对悬索桥提出了一种集中力活载作用下结构变形及内力的解析计算方法。以已知成桥状态参数和活载参数为基础,首先分析了主缆变形、主梁变形、主缆和主梁的关系、桥塔变形。随后建立了4类控制方程,分别为各段主缆的无应力长度守恒、各根吊杆的力与变形协调、各跨跨径及高差闭合和主梁的受力平衡,从而使得控制方程的总数与基本未知数的总数相等。最后将控制方程合并成一个目标函数,并进行规划求解。找到基本未知量的取值,使得全部控制方程同时成立,进而推导出所有其他参数,并表达出结构变形后的状态。以一座主跨1 080 m的悬索桥作为算例,验证了方法的可行性和有效性。活载作用下变形及内力的结果都具有良好的精度,与有限元的结果相一致。

波形腹板钢箱-混凝土组合梁横向内力计算与分析

为精确分析波形腹板钢箱-混凝土组合梁(SBCCGCW)的横向内力,考虑波形钢腹板特性和箱梁的畸变效应,利用框架分析法推导SBCCGCW的横向弯矩计算公式;通过两座实桥横向弯矩的有限元和实测结果对所提公式的正确性进行验证;对SBCCGCW横向内力的影响因素进行研究,并根据有限元分析结果提出SBCCGCW横向内力的简化计算公式。结果表明:利用所提公式获取的横向弯矩值与有限元结果和实测结果吻合较好,误差在10%以内;横隔板会大幅度减少荷载作用点处的横向弯矩;宽高比、混凝土顶板厚度、荷载作用位置对混凝土顶板横向弯矩的影响较大,钢底板厚度变化对混凝土顶板横向弯矩的影响较小。研究成果可为SBCCGCW的横向内力计算与分析提供参考。

基于差分法的双排抗滑桩结构内力计算

为研究有连梁双排抗滑桩快速有效的内力计算模型,在对有连梁双排桩进行受力分析的基础上,将有连梁双排抗滑桩结构简化为在桩顶连系梁零弯矩处断开的2根单桩结构,通过对双排桩受力进行叠加得到前后排桩桩顶连梁传递的弯矩与剪力,基于有限差分法建立了有连梁双排抗滑桩受荷段、嵌固段全桩内力计算模型,进而对有连梁双排抗滑桩桩体内力进行了计算。同时,通过大型室内模型试验内力实测结果对所计算结果进行了对比验证。结果表明:(1)模型试验结果与所建计算模型得到的桩顶位移与桩身弯矩值吻合较好,说明简化计算模型具有一定的适用性;(2)二者的后排桩最大弯矩出现位置略有偏差,计算得到的最大弯矩位置更接近实际桩体破坏位置,进一步验证了全桩内力计算模型的可靠性;(3)所建有限差分计算模型避免了将受荷段与嵌固段利用连续条件进行迭代的复杂运算过程,大大提升了计算效率,为实际工程提供了一种快速高效的有连梁双排桩内力计算方法。

季冻黄土地区框锚边坡预应力锚杆内力计算方法

冻融土体与锚杆之间相互作用机理研究的不足,导致工程实践中未能充分考虑土体冻融对锚杆内力的影响。针对该问题,基于西宁市季冻湿陷性黄土冻融循环三轴剪切试验,建立考虑冻融次数影响的湿陷性黄土黏聚力经验关系式;根据锚固体与周围土层的变形协调关系,推导冻融条件下框架预应力锚杆锚固段轴力和剪应力的解析式,将理论计算结果与现场试验结果进行对比验证,并分析冻融次数对锚固段轴力和剪应力的影响。结果表明:随冻融次数的增加,土体黏聚力呈指数型下降,锚固段轴力和剪应力在前3次冻融循环中急剧增大,冻融次数达到7次后趋于稳定;相较锚固段末端,锚固段始端轴力受冻融次数的影响更大,但锚固段始端至末端的剪应力随冻融次数的变化规律基本相同;现场试验结果验证了计算方法的合理性。

外包式柱脚传力机理及内力分布研究

为探究外包式柱脚的传力机理及内力分布状况,基于塑性损伤理论建立了外包式柱脚有限元仿真模型。通过模拟数据分析了钢柱在加载过程中各截面内力变化,研究了钢柱与外包层之间的相互作用机制及内力传递机理;对有、无栓钉外包式柱脚的内力分布进行了对比,研究了栓钉在内力传递过程中的作用及影响。研究结果表明,内力通过钢柱与外包层之间界面的接触应力及栓钉的作用力进行传递,在柱脚底部截面钢柱已将大部分内力传递给外包层;栓钉在内力传递过程中发挥了积极的作用,促进了钢柱将内力传递给外包层;布置栓钉有利于减轻钢柱底板下面混凝土的局部承压,改善锚栓的受力状况。

从内力与外力关系剖析剪切与挤压力学特性及实用计算

在工程实践教学中,剪切与挤压变形的教学一直是一个难点。学生在计算作用应力的大小方面能力较强,但对剪切力与挤压力的计算以及作用面的确定方面存在一些问题。本文从内力与外力的关系出发,基于变形体的静力学平衡原理,利用截面法对剪切与挤压变形的力学特性进行了深入分析,并将所得的结论用于常用连接件的工程实用计算。研究内容不仅是对一般教材和教学中剪切与挤压变形的力学特性分析的补充,也是对工程设计和实用计算的理论支持,旨在为课堂教学提供更为严谨和深入的理论支撑,从而增强学生的学习兴趣和学习能力,使学生能够更好地理解和应用相关知识。

框架结构梁柱抗震内力调整研究

框架梁端剪力调整之前,应先计算控制截面内力,后进行梁端弯矩调幅,使结构更加安全。框架结构梁柱抗震内力调整在手算一榀框架计算中是一个难点,且容易出错。为解决这一问题,可根据具体计算实例,归纳出框架梁柱抗震内力调整计算的基本步骤和方法,计算出在框架梁端弯矩正负号判别、弯矩最不利组合、最大剪力设计值确定等位置容易出现错误,并结合实例予以纠正。框架柱的抗震内力调整顺序是先进行“强柱弱梁”的调整,再进行“强剪弱弯”的调整,中柱在进行“强柱弱梁”的内力调整时,因其需要同时考虑节点左右梁端的弯矩,节点上下柱的线刚度,计算量大,采用柱端弯矩增大系数的简化计算方法,简单明了,误差很小,对边柱同样适用。

欧拉-伯努利直梁弯曲振动内力解的一种新形式

针对欧拉-伯努利直梁受简谐载荷作用下的弯曲振动问题,在得到响应后再次采用达朗贝尔原理,给出了一种新形式的弯曲振动内力解,该解直观显示了简谐力和惯性力对弯曲振动内力的贡献。基于傅里叶级数严格证明了其与教材中利用梁挠曲线近似微分方程和弯曲内力微分关系求出的内力完全等价,为加深理解及应用傅里叶级数、静力学理论、达朗贝尔原理和梁弯曲理论提供了一个综合性较高的案例,期望能助力提升基础力学教学效果。

圆形吊脚墙支护设计参数对内力和变形的影响

为了充分利用土岩组合地层中下伏的花岗岩坚硬特性,节约施工成本和缩短施工周期,采用均匀试验方法设计不同的分节开挖高度、锚索/锚筋桩倾角、地连墙前平台预留宽度和地连墙墙体嵌固深度,再通过有限元模拟软件ABAQUS建立二维弹塑性有限元数值模型,对不同试验方案的计算结果进行对比分析。研究结果表明:基坑分节开挖高度和地连墙墙体的嵌岩深度对深大圆形竖井吊脚墙支护结构的内力和变形影响显著。研究结果可为该类型的地连墙支护结构设计提供参考。

输电铁塔主材内力与基础水平位移关系式的研究

铁塔基础在遭遇地质灾害的情况下会发生垂直和水平位移;相比于水平位移,人们多关注基础垂直位移对塔构件内力的影响,但水平位移对杆件内力影响同样不可忽略,研究输电铁塔基础水平位移与铁塔安全性的关系具有重要意义。为了推导基础水平位移与铁塔主材内力的解析式,运用梁和杆的刚度等效方法和能量法,给出了单腿水平位移作用下四个塔腿承受弯矩的比例关系,推导出主材在第一横格面处的最大弯矩,通过简化模型推导出单腿基础水平位移作用下铁塔各塔腿主材最大轴力表达式,并通过有限元计算对最大轴力表达式进行修正。输电铁塔受上部荷载在主材中主要产生轴向拉(压)应力,而基础水平位移主要产生弯矩应力。本文给出的主材内力与塔腿位移表达式可作为输电线路塔腿基础发生水平位移后铁塔的安全评估的依据。

地表增荷比对下方盾构隧道变形和内力的影响

在盾构隧道上方施工时很容易引发地表产生额外荷载,进而对隧道结构产生不利影响。针对此问题,以昆明地铁1号线某区间盾构隧道为工程实例,利用MIDAS GTS NX有限元软件,建立二维双线隧道模型,提出增荷比这一概念,深入研究了增荷比对下方盾构隧道变形和内力的影响。结果表明:地表增荷作用下,拱腰处承受最大轴力,拱顶其次,拱底轴力最小;隧道正截面上下左右4点处弯矩值相较其他位置更大且趋于接近,拱顶处弯矩值最大;随着增荷比的增大,隧道拱顶、拱底、左右拱腰处的受力状态由小偏压转变为大偏压,且拱顶处偏心距最大;隧道的竖向位移及内力皆呈线性递增趋势,当增荷比为12%时,最大竖向位移已经接近沉降控制值。

邻近堆载作用下桥梁桩基内力与变形数值分析

采用数值分析方法,研究堆载对邻近桥梁桩基内力与变形的影响。使用耦合欧拉-拉格朗日法建立了堆载作用下某特大桥654#桥墩桩基三维有限元模型,以桥墩轨道顶面横向位移实测值与计算值对比验证了模型的有效性。据此模型计算结果分析了邻近大量堆土情况下桩基的内力和变形特性:各桩水平位移都在1/2L附近的淤泥质粉质黏土层达到最大值;各桩1/6L~2/3L范围内桩身产生附加弯矩的最大值为210 kN·m;且在距堆载较近的桩基上部引起了负摩擦力,进而产生了581~1368 kN的附加轴力。结果表明堆载严重劣化了桩基的工作性能。可为主动防控堆载引发的墩台偏移等病害研究提供一种可行的方法。

圆形地连墙内力和变形的计算方法研究现状

为了厘清圆形地连墙内力和变形的计算方法的研究现状,文章通过文献研读法和归纳总结法对现有文献中有关圆形地连墙内力和变形的计算方法进行了分析总结。明确了各种计算方法的适用性,指出了各种计算方法的优缺点,并将这些计算方法主要概括为经典理论法和有限元法两大类,所得结论可为类似圆形地连墙的设计和施工提供参考借鉴。

一种锚索框架梁内力计算新方法及现场试验

为使现有框架梁内力计算结果更加符合工程实际,采用理论计算及现场试验2种方法分析框架梁内力分布规律,考虑框架梁材料的非单一性给出了一种新的计算方法,引入实测弯矩计算方法对现场试验数据进行整理,并将试验结果与理论结果进行对比。结果表明:理论结果与试验结果所得框架梁弯矩的分布趋势基本一致;采用换算截面法求解梁的截面惯性矩,所得结果可以提升框架梁的抗弯能力,进而减小框架梁截面配筋率;锚固力是影响框架梁内力的一个重要因素,锚固力越大框架梁的弯矩越大。

基于荷载结构法的冻结壁内力与变形研究

为研究冻结壁的承载能力与安全性,以天津某地铁出入口为例,基于荷载结构法建立了在围岩压力作用下的三维数值模型并进行了计算,分析在围岩荷载作用下冻结壁的内力与变形。结果表明:冻结壁在围岩压力作用下,上部跨中位置出现了应力集中分布,最大应力为0.518 MPa,最大位移变形为7.284 mm。

考虑内力重分布的连续FRP-混凝土组合板受力性能分析

FRP-混凝土组合板是一种新型组合板,由于FRP的线弹性特性,作为连续结构与混凝土连续梁的受力显著不同。为研究连续组合梁的力学性能,基于共轭梁法,文章提出了考虑内力重分布的受力分析方法。对于每种工况,使用对应的单个受力分析方程即可分析组合板受力全过程外荷载与组合板弯矩的关系,计算简便。此外,给出了双跨跨中对称集中加载和满布均布荷载两种常见工况下的组合板受力分析方程,并与相关试验结果进行了比较。结果表明,计算值与试验值吻合较好,提出的方法能够有效地对组合板进行受力分析。

一种深基坑排桩支护结构内力位移矩阵分析法解答及工程应用

基于平面弹性地基梁法,采用结构力学矩阵分析法,进一步完善已往工作推导公式解答的缺陷。传统的平面桩支撑解答计算理论局限于计算支护面桩体的内力和变形,没有解决xoy水平面支撑轴力计算问题,但真三维解答推导过于复杂,通常三维模型计算依托有限元软件。与传统二维排桩支护模型相比,在以往的工作基础上,推导出考虑开挖过程、桩-土-冠梁-支撑共同作用的支护面位移、受力矩阵解答方程组和xoy水平面计算支撑轴力计算方法,并利用FORTRAN语言编制的程序求解。依托工程实践项目分析冠梁、腰梁、支护桩、支撑位移和内力在空间效应下的变化规律并与有限元法、理正深基坑计算结果及经非线性回归处理监测数据对比分析,结果表明,考虑开挖过程、桩-土-冠梁-支撑共同作用矩阵分析法计算出的冠梁位移具有明显的空间效应,靠近基坑角部更明显,距离坑角约1/4冠梁跨度内可以适当增加桩间距,xoy水平面坑角支撑轴力明显较中部小,与监测值能较好吻合,支撑截面和配筋计算可以针对性的优化,从而降低工程造价。冠梁、桩身位移与理正深基坑、监测数据能较好地吻合,再次验证方法的合理性与可行性,可以作为一种优化设计新方法。