弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析

基于柔度法且沿单元长度积分的弹塑性纤维梁柱单元是可以模拟复杂的截面双向滞回曲线和截面刚度沿杆长方向连续变化的单元模型。由于其计算工作量太大,这种复杂的单元自提出以来,一直没有得到推广应用。对弹塑性纤维梁柱单元模型进行了研究,在此基础上对其单元参数进行了分析,通过研究单元积分段以及截面上纤维的合理划分,使计算工作量适当减少而又不影响计算结果准确性,为纤维单元在大型结构中应用打下基础。

基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构非弹性分析程序。基于柔度法的梁柱单元模型的特点在于以单元截面力插值函数作为出发点,在不考虑几何非线性的前提下,总能保证单元内部截面力场分布满足平衡条件。通过构造的数值算例及钢筋混凝土双向弯曲柱反复加载试验结果与两种方法模拟分析结果的对比,对柔度法与刚度法的分析效果进行了比较研究,并对纤维模型梁柱单元解决空间杆系结构非弹性分析的有效性进行了验证。结果表明:对于结构处于强非线性阶段,尤其是对于处理下降段(软化)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元;纤维模型梁柱单元是目前处理空间杆系双向弯曲与变轴力耦合问题最为实用有效的单元分析模型。

基于有限单元柔度法和刚度法的几何非线性空间梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法二阶分析理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构二阶非线性分析程序;分别采用这两种方法对几个典型试验实例进行了计算机模拟分析,通过模拟分析结果的对比,对有限单元柔度法与有限单元刚度法处理几何非线性问题的效果与效率进行了比较研究。结果表明:对于几何非线性问题,尤其是对于处理下降段(非稳定阶段)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元,有限单元柔度法是目前处理杆系结构材料与几何双重非线性问题最为有效的分析方法。

框架非线性分析的新梁柱单元

目前尚缺乏能在高轴力作用下简便地用于有限元分析的梁柱单元。本文所提出的单元运算简便,能以统一形式同时用于轴力P为拉(正)及压(负)的情况并在-3.8P/P_e<∞(P_e为杆的欧拉临界力)的范围内有极高的精度,实际上和作为精确解的稳定函数的精度相同,但能免除稳定函数需对轴力为拉、压及为零时采用三套不同公式的缺点。因此,该单元可用于所有实际框架结构的非线性分析,只需取一根杆件为一个单元,并且可简便地植入现有框架非线性分析程序中。文中还通过一些典型算例的分析结果,论证了该单元的正确、高效和广泛适用性。

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。

基于梁柱单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤分析

Faria-Oliver模型是一个简单而有效的混凝土损伤模型.基于Faria-Oliver模型提出了混凝土单轴损伤模型,且加以修正以更好地模拟混凝土单边效应;在ABAQUS软件平台上,编制了含有钢筋修正Menegotto-Pinto模型和混凝土单轴修正Faria-Oliver损伤模型的用户材料子程序VUMAT,建立了纤维模型等效模拟方法;分别模拟了一钢筋混凝土桥墩试件的循环加载试验和一钢筋混凝土桥墩试件的振动台试验,模拟结果与试验结果基本吻合.研究表明:本文所给出的单轴本构模型及纤维模型等效模拟方法有效、适用;基于梁柱单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤分析不仅计算效率高而且提供了地震损伤演化过程信息,具有较强的工程实用性.

不规则截面钢筋混凝土梁柱单元模型及应用

为了更好地研究钢筋混凝土梁柱结构的非线性力学性能,建立考虑材料非线性和几何非线性耦合的钢筋混凝土梁柱单元模型.基于杆件分析的平截面假设和截面高斯积分法,应用钢筋和混凝土材料本构关系非线性,推导出不规则截面钢筋混凝土梁柱单元的截面刚度矩阵,进而通过虚功原理建立钢筋混凝土梁柱单元切线刚度矩阵;并采用弧长增量迭代法求解非线性方程组,编制不规则截面钢筋混凝土梁柱结构的数值分析程序.对规则和不规则截面钢筋混凝土框架进行了非线性全过程分析,理论分析结果与试验结果比较,吻合较好.表明所建立的钢筋混凝土梁柱单元模型适用于钢筋混凝土梁柱结构的非线性力学分析;由于采用截面高斯积分法,对不规则截面的梁柱结构计算显得十分便捷.

考虑粘结滑移效应的型钢混凝土梁柱单元

本文建立了一种适用于型钢混凝土梁柱构件的非线性梁柱单元,并在建模中考虑了粘结滑移效应。根据型钢混凝土自由体的受力特点,建立了考虑界面粘结滑移时单元的控制微分方程和变形协调方程。基于有限单元柔度法和纤维模型的基本思想,选取了合适的力的插值函数。根据最小势能原理,推导了单元的柔度矩阵,提出了基于柔度法的单元状态确定方法。最后,通过数值计算结果与试验结果的对比,对本文建立的模型适用性和准确性进行了验证。结果表明,计算结果与试验结果吻合较好,计算精度高,且计算速度快。

采用纤维模型梁柱单元对粘钢加固混凝土梁的模拟分析

采用计算机模拟分析加固构件在不同荷载阶段的受力性能,不仅能够减少投入,而且可以得出具有普遍意义的结论。利用纤维模型梁柱单元对粘钢加固混凝土梁的受力过程进行了模拟分析,结果表明,采用该模型可以较好地模拟粘钢加固构件的受荷过程,为结构构件加固性能的研究提供了一种有力的分析工具。

三节点变轴力平面梁柱单元的推导和验证

为了考虑平面框架结构中梁柱构件在变化轴向荷载作用下的P—Δ效应,采用三节点平面梁柱单元,选用三点插值的Hermite多项式作为其形函数,根据最小势能原理推导了单元线性刚度矩阵和初应力刚度矩阵,并分别阐述了应用该单元求解结构屈曲荷载因子及迭代计算荷载—位移反应的方法.通过两个简单算例,验证该单元比常规的二节点常轴力梁柱单元更有效,精度更高.

精细化纤维梁柱单元模拟分析平台FENAP的开发

为精细化模拟桥梁结构的非线性行为,在深入分析纤维梁柱单元模型原理的基础上,本文基于ABAQUS建立了钢筋混凝土精细化纤维梁柱单元模拟平台FENAP,开发了与其相适应的材料模型库FENAP/MAT,涵盖了多种材料本构模型,能够有效考虑构件的刚度退化和强度退化等损伤效应,以及模拟轴力和弯矩的多维耦合效应等复杂非线性动力行为,且可考虑箍筋对混凝土的约束作用等。利用该FENAP平台数值模拟了一个钢筋混凝土矩形截面悬臂梁,进行了Pushover分析,考虑了箍筋对核心混凝土约束效应的影响,并与OpenSEES的计算结果进行对比。结果表明:FENAP平台可有效模拟桥梁构件的多种复杂非线性行为,且具有很好的计算效率和求解精度。

OpenSees中三种非线性梁柱单元的研究

介绍了OpenSees程序中Nonlinear Beam Column单元、Displacement-Based Beam-Column单元和Beam With Hinges单元的计算原理;通过模拟一个钢筋混凝土柱构件,指出这三种非线性梁柱单元对于截面软化行为各自所具有的优势与不足。

有限单元法之梁柱单元的屈曲分析精度

梁柱单元是有限单元法的重要单元形式,在结构工程分析与设计中应用广泛。其弹性计算的精度虽已被广泛认可,但在非线性分析情况下的精度却未引起结构工程师的充分重视。屈曲分析作为检验基准,通过理论推导,研究了Euler-Bernoulli梁柱单元在不同端部约束和不同单元划分时的计算精度,指出梁柱单元在某些端部约束较强而单元又无细分的情况下计算精度很低,并建议在进行结构整体屈曲分析时梁柱构件应至少保证两段等分的单元划分。

基于力的形函数的梁柱单元在混凝土框架低周反复分析中的应用

传统的有限元软件在分析混凝土结构时,由于混凝土材料本身的高度非线性,结构屈服后内力再分配呈现出严重的非线性,导致有限元采用的位移形函数失真,往往难以得到满意的分析结果。为了解决这一问题,提出基于力的形函数的单元形式,并逐渐被研究人员所接受。由于它可以严格精确地描述结构各部分之间特别是节点和截面之间的内力关系,因而比之传统的单元形式具有明显的精度优势。但缺点是计算复杂,位移要逐步协调。总结了现有的基于力的形函数的梁柱单元理论,对单元和截面之间的流程控制、迭代方法等逐一展开讨论,然后运用上述理论着手编制了有限元程序。同时选取了一榀进行低周反复试验的混凝土平面框架进行分析,程序计算结果较好地验证了基于力的形函数的单元理论,最后对程序计算中出现的有关问题给出了进一步研究的建议。

钢筋混凝土梁柱单元的高斯积分

在已建立的任意截面钢筋混凝土梁柱单元模型基础上,分析了单元积分时高斯点数对钢筋混凝土结构非线性分析结果的影响,分析比较了现行混凝土结构设计规范建议的用于计算弯压截面极限承载力的混凝土受压σ-ε关系和用于非线性分析的σ-ε关系的差异,并将计算结果与试验结果比较,建议合理的钢筋混凝土梁柱单元积分高斯点数。

二节点变轴力平面梁柱单元

为了考虑平面梁柱构件在变化轴向荷载作用下的P-Δ效应,本文采用二节点平面梁柱单元,根据最小势能原理推导了单元的初应力刚度矩阵,并分别阐述了应用该单元求解结构临界荷载因子及迭代计算荷载-位移反应的方法。通过两个简单算例验证,该单元比常规的二节点常轴力梁柱单元更有效、精度更高。

梁柱单元非线性分析中定向矩阵的推导与讨论

在梁-柱结构的非线性分析中,梁-柱单元的节点定向矩阵与单元定向矩阵的精确性十分重要。详细推导了节点定向矩阵,指出节点定向矩阵是在绕三轴转角很小的前提下得出的,并不是"大转角的精确形式",详细介绍了如何较为精确地计算梁-柱端截面绕三个主轴的变形角,唯一精确确定了单元的定向矩阵。

两种常见的梁柱单元理论对比与实例分析研究

介绍了基于力形函数和位移形函数的梁柱单元理论,将两种单元理论进行了对比分析,并编制有限元程序选取混凝土结构进行了非线性分析,通过实例的计算结果可见,基于力形函数的梁柱单元更具优势,且计算精度更高。

基于纤维梁柱单元的钢筋混凝土柱往复荷载作用下破坏过程分析

为高效准确地模拟往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,基于结构精细化模拟分析平台(RSAPS)中的纤维梁柱单元模型,建立一种考虑损伤破坏的钢筋本构模型,并构建了材料破坏准则,从而建立了钢筋混凝土构件受力破坏的分析方法。应用RSAPS平台对钢筋混凝土柱往复加载试验进行模拟,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型可以很好地模拟构件的刚度和承载力退化过程,模拟结果与试验结果更为吻合;进一步对往复荷载作用下钢筋混凝土柱的破坏过程进行模拟分析,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型能够准确地模拟由于局部材料失效破坏导致的钢筋混凝土构件承载力退化、耗能能力降低等非线性行为,可以较好地描述往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,可用于地震作用下建筑和桥梁结构倒塌过程分析。

基于纤维梁柱单元的桥梁墩柱地震反应模拟方法研究

为讨论利用纤维梁柱单元进行钢筋混凝土桥墩地震反应分析的建模方法,分别以4个悬臂式单柱墩和1个双柱墩拟静力加载试验,以及1个悬臂式单柱墩的振动台试验结果为依据,基于OpenSees数值分析平台建立了桥墩的地震反应分析模型。通过改变单元数量,分析了基于力的纤维梁柱单元和基于位移的纤维梁柱单元对桥墩地震反应的模拟精度。结果表明:对悬臂式单柱墩的拟静力和振动台试验,可沿墩高仅建立1个基于力的纤维梁柱单元,并在墩底串联1个考虑纵筋塑性渗透和粘结滑移的转动弹簧单元,即可获得很好的模拟结果。当采用基于位移的纤维梁柱单元时,应沿墩高至少建立2个单元,且塑性铰区至少有1个,才能保证获得较高的模拟精度。对双柱墩拟静力试验,采用基于力的纤维梁柱单元建模,沿每个墩高建立2个单元即可;以基于位移的纤维梁柱单元建模,建议沿每个墩高建立3个单元,且其中2个单元布置在塑性铰区。当数值模型可对静力滞回曲线取得很好的模拟结果后,该模型一般可对动力作用下墩顶最大位移和墩底最大剪力进行较为准确的模拟,但对墩顶残余位移的模拟精度无法保证。