体外预应力混凝土梁的分析方法研究

体外预应力技术在已有结构的加固和新建工程的构造中都得到广泛的应用.除了端部锚固区外,体外预应力混凝土梁跨内单一截面的体外筋和周围混凝土之间无应变协调关系,因此在分析体外预应力混凝土梁时须考虑结构整体变形.文中建立了基于大变形非线性有限元理论的体外梁的分析模型,能够较好地预测一根梁从开始加载直到失效整个过程的非线性结构响应.在条带法基础上利用传统的平面非线性梁单元导出有限元公式,将体外筋的作用等效成梁单元的节点荷载,从而简化了分析过程.通过对体外试验梁的分析与对比验证了此模型的可靠性.     

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.     

基于壳梁组合单元预应力混凝土梁非线性响应

基于壳梁组合(SBC)单元,建立了预应力混凝土T梁非线性分析模型,并对其进行了破坏全过程研究,对梁体刚度折减、预应力筋应力重分布规律等进行了分析.基于分层壳单元和梁单元计算模式,对预应力筋采用SBC单元模拟,有效地模拟了预应力筋的空间预应力作用,对普通钢筋和混凝土采用分层壳单元模拟.采用Owen准则等描述了预应力混凝土T梁的屈服等材料非线性效应,并研制了相应的非线性计算程序.研究结果表明,该方法的计算结果与试验梁的试验结果吻合良好,非线性SBC单元方法用于预应力混凝土T梁分析是合适的,为此类工程薄壁结构的评定分析提供了一种较为有效的计算方法.     

大偏心体外预应力节段梁的非线性分析

预应力梁的体外筋等效为其作用在梁上的等效荷载,并由荷载作用前后锚具和转向座的不同位移计算出体外筋的变形和力,进而对体外预应力梁进行非线性分析．基于此通用方法,文中用3种方法分析大偏心体外预应力节段梁．(1)假设节段梁为通长的现浇梁,忽略节段单元内的普通钢筋,只考虑通长的预应力筋．(2)假设节段梁为通长的现浇梁,同时假设普通钢筋也是通长的．(3)在节缝处加设一个节缝单元,其长度与钢筋的最小锚固长度有关．在节缝单元中,只考虑穿过其中的预应力筋;而对于节段单元,还考虑其中的普通配筋．试验和理论计算表明,大偏心体外预应力现浇梁和节段梁的受力性能相近,且主要取决于体外筋．可用方法(1)分析大偏心体外预应力节段梁．     

桥梁体外预应力筋梁加固理论分析

体外预应力筋在在新桥梁建设和旧桥梁改造加固中运用广泛,此施工方法较为成熟,但并未对此施工方法的具体受力性质进行深入分析,究其根源是在桥梁外荷载的影响下结构与预应力筋梁会产生相对移动,已有定理中的变形协调假定不能准确的反映实际情况.基于此问题本文将体外预应力筋梁的滑移影响考虑进来,通过运用Euler-Bemoulli梁理论的假定条件和考虑体外预应力筋的实际变形情况,改进桥梁体外预应力分析理论,对工程设计具有一定参考价值.     

几何非线性平面梁考虑收缩徐变的算法研究

针对混凝土斜拉桥等大跨柔性混凝土结构同时存在的几何非线性与收缩徐变问题,基于微分法导出了随转坐标系下平面梁在大转动小应变时的几何非线性平衡方程,该方程已计入初应变效应.结合初应变法计算混凝土梁收缩徐变等效节点力有限元列式,利用节点力之间和节点位移之间全量及增量的关系,获得结构坐标系下平面梁单元几何非线性分析中考虑收缩徐变效应影响的实用算法,并给出了详细的计算步骤.对某大跨径混合梁斜拉桥混凝土桥塔进行了考虑混凝土徐变效应的几何非线性分析,计算结果表明本文提出的算法能较好解决上述问题,具有一定的工程应用价值.     

大转动对称平面梁单元共旋列式研究

针对已有研究中共旋法非线性平面梁单元存在切线刚度矩阵不对称的问题,以合理选择平面梁单元共旋坐标系的原点及坐标轴方向入手开展研究。首先,将单元共旋坐标系原点设在梁单元左右节点坐标的平均值处,轴则始终为单元左节点指向右节点的连线方向,该坐标系随节点的刚体转动和平动而运动,在扣除单元刚体位移的基础上计算出单元节点坐标和位移;其次,基于结构坐标系与共旋坐标系下虚功相等的原理再结合几何一致性原则,建立平面梁单元在大转动、小应变条件下具有对称性的切线刚度矩阵和节点抗力算法,结合能将荷载增量法与位移增量法统一于一体的非线性方程组求解方法开发相应计算程序,并对梁端受弯矩的悬臂梁和William肘式框架算例进行计算和对比。研究结果表明：对于前一个算例,将梁等分成20个单元,采用荷载增量法,分成10级均匀加载,得到的数值解与解析解吻合良好,即使在悬臂梁弯曲为1个圆时,两者的差别不到0.000 1,完全可忽略不计;对于后一个算例,将框架每根杆件均匀划分成10个单元,在非线性方程组求解方法转换为位移增量法以后,不仅能顺利通过荷载-位移曲线的极值点,而且计算结果与William的试验结果基本一致。研究成果为平面...     

基于U.L列式的带刚臂平面梁元非线性分析

为解决平面梁元在相交处可能存在的刚性连接问题,根据带刚臂平面梁元在受力后的运动和变形特点,基于U.L法推导出两端带任意刚臂的平面梁元的切线刚度矩阵表达式,指出已有文献在推导过程中省略了单元已有内力对切线刚度矩阵附加项的影响,有可能出现在非线性程度较高的时候计算不收敛的问题,给出了不平衡力的精确全量算法,并提供了详细的计算步骤;利用本文的研究成果编制了程序,对无刚臂和有刚臂的平面梁结构进行了几何非线性分析.计算结果表明这种非线性单元列式的正确性和非线性求解过程的收敛性,实用价值较强.     

求解钢筋混凝土平面梁单元刚度的改进算法

提出一种在考虑材料非线性的有限元分析中根据荷载的大小求解相应单元刚度的改进算法.通过讨论Cranston方法求解钢筋混凝土平面梁单元刚度的原理和步骤,指出其在某些情况下可能出现迭代计算不收敛的局限性,提出采用加速搜索区间法和二分法相结合进行钢筋混凝土平面梁单元的求解.基于该方法编写考虑材料非线性的平面杆系有限元程序,并用算例进行验证.结果表明该方法具有良好的收敛效果,可以在Cranston方法失效时采用.     

带刚臂的平面抛物线索元精细几何非线性分析

为解决应用抛物线索元进行索结构几何非线性分析时锚固点的刚性连接问题,在参考已有研究的基础上,进行了带刚臂的平面抛物线索元研究。将锚固点的刚性连接视为刚臂,根据受力后刚臂两端节点力之间和位移之间全量和增量的关系,利用微分方法导出两端带任意刚臂的平面抛物线索元切线刚度矩阵显式表达式;同时给出了考虑温度变化的节点力计算方法,提供了详细的计算步骤;编制了相应的几何非线性计算程序,对经典大垂度单索、带刚臂的平面桁架和索梁混合结构进行了几何非线性分析。研究结果表明:相对于已有文献方法,该算法具有同样的计算精度,且在计算效率及求解问题的非线性程度上有较大的优势,为索结构进行几何非线性精细分析提供了有力工具。     

高温下钢筋砼框架力学性能的数值模拟

运用虚功原理,推导建立了高温下钢筋混凝土的梁单元模型,编制了钢筋混凝土结构高温反应的全过程分析程序,考虑了高温下结构的几何非线性效应,程序的有效性得到了其他学者试验结果的验证.利用该程序对某轴力作用下的钢筋混凝土梁进行了高温反应分析,研究结果表明:(1)进行高温下结构反应的全过程分析时,有必要考虑几何非线性的影响;(2)轴力不变时,随着梁所承担的竖向荷载的增加,梁的跨中挠度逐渐增大,同时,随着竖向荷载的增加,几何非线性效应对梁跨中挠度的影响程度差别不明显;(3)竖向荷载不变时,随着梁所承担的轴力的增加,几何非线性效应使梁的跨中挠度逐渐增大;(4)是否考虑几何非线性对梁的耐火极限计算结果影响较大.     

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。     

预应力简支梁固有频率研究

基于经典轴压模型,研究了预应力筋偏心距、预应力大小对简支梁固有频率的影响,对已有的简支梁固有频率理论计算公式进一步修正.以预应力混凝土简支梁为例,通过ANSYS有限元分析了预应力筋偏心距以及预应力改变对预应力简支梁固有频率的影响,验证了混凝土模拟单元与预应力筋模拟单元的2种联系方式对计算结果没有影响,以期望为以后的预应力混凝土梁设计及健康检测提供参考.     

无黏结部分预应力砼梁恢复力模型的研究

基于OpenSEES软件的二次开发平台,对无黏结部分预应力混凝土梁的截面恢复力模型进行了研究.根据试验统计和理论分析,建立了无黏结部分预应力混凝土梁的截面弯矩-曲率滞回模型,并通过编制Visual C++程序,将其植入到OpenSEES软件的材料子类中,用于无黏结部分预应力混凝土结构的非线性计算,分析过程中无需迭代计算无黏结预应力筋的应力增量,解决了无黏结部分预应力混凝土结构受力分析的关键问题.利用OpenSEES软件,基于已建立的无黏结部分预应力混凝土梁的截面恢复力模型,选用基于柔度法的非线性梁柱单元,采用位移控制,计算了低周反复荷载作用下无黏结部分预应力混凝土梁的弯矩-挠度滞回曲线,计算曲线与试验曲线吻合良好,说明已建立的无黏结部分预应力混凝土梁的截面恢复力模型的可靠性,为无黏结部分预应力混凝土结构的非线性计算提供了理论依据.     

钢筋混凝土梁单元双非线性分析的共旋坐标法

针对已有的钢筋混凝土梁单元非线性分析模型采用较多的假定和近似从而导致计算量增大及计算精度下降的问题,基于共旋坐标法建立了考虑材料和几何非线性的任意截面钢筋混凝土梁的数值分析模型.首先利用虚功原理计算共旋坐标系下完全粘结钢筋混凝土梁考虑材料非线性的切线刚度矩阵,再通过结构坐标系与共旋坐标系下节点力之间及节点位移之间的总量关系及微分导出的增量关系,最终获得钢筋混凝土梁在结构坐标系中考虑几何与材料双重非线性的切线刚度矩阵．算例结果表明,本文算法可减少计算量、不累积误差、精度高.     

损伤梁单元等效节点荷载的计算及应用

分析了基于有限元刚度法形成单元等效节点荷载的局限性,通过引入截面割线柔度,研究了基于有限元柔度法理论计算损伤梁单元等效节点荷载的方法.由于不需要迭代,该方法能与经典结构非线性分析体系完全兼容.采用自主开发的结构非线性分析软件,对钢筋混凝土框架结构进行非线性全过程分析.研究表明,考虑了损伤的梁单元等效节点荷载,可更准确地反映结构在强非线性阶段的实际受力情况,提高计算效率,改善结构非线性分析的收敛性和稳定性.     

基于Ottosen准则的PC多梁式梁桥全过程分析

为了对预应力混凝土(PC)多梁式梁桥进行非线性全过程分析,采用弥散裂缝模式、Ottosen屈服准则和Hinton压碎准则描述混凝土的开裂、屈服和压碎等非线性变化,引入实体退化壳单元理论,对混凝土和普通钢筋采用分层壳单元模拟,预应力钢筋采用组合壳单元模拟,并根据位移协调性推导了预应力钢筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献,提出了一种非线性组合―分层壳单元计算模型,并编制了相应的三维非线性壳单元计算程序.结合破坏性试验资料可知,非线性计算结果与试验数据吻合良好,极限荷载的相对误差约为0.13%;同时,普通钢筋和预应力钢筋应力发展规律的研究表明,对于PC多梁式梁桥这类薄壁结构,采用文中提出的非线性壳单元计算模型来研究其破坏全过程是有效的,此单元具有良好的数值稳定性和收敛性.     

基于Reissner梁理论的界面滑移组合梁几何非线性求积元分析

组合梁结构在建筑结构领域应用广泛,由于上下层梁连接的非完全刚性,当组合梁受荷时,两层梁界面间会产生相对滑移.在对界面滑移组合梁的几何非线性分析中,大多数研究工作基于Euler梁理论,考虑组合梁横向剪切变形的研究相对较少.本文基于平面Reissner梁理论,假设上、下两层梁的挠度相等(不发生竖向掀起),将界面滑移表示为各层梁参考轴线处轴向位移及截面转角的函数.采用虚位移原理结合求积元方法建立了界面滑移组合梁的增量平衡方程,对工程应用中的典型算例进行计算分析,并将结果与现有文献及作者之前提出的Euler组合梁模型进行了对比.研究表明:(1)本文构建的界面滑移组合梁求积元几何非线性格式计算步骤简单,效率较高.对于承受分布荷载的单跨组合梁,使用1个求积元单元9个积分点即可得到理想的计算结果.(2)基于本文模型的挠度计算值高于Euler梁模型,二者差异随组合梁高跨比的增大明显提高;同时也与组合梁横向荷载、剪力连接刚度以及边界条件等因素有关.     

高性能预应力混凝土梁的非线性有限元分析

采用考虑材料非线性的有限元方法,选取合理的混凝土、预应力筋和普通钢筋的本构关系曲线及其单元类型,对高性能预应力混凝土梁的受力全过程进行了分析计算.研究了张开裂缝剪力传递系数和单元尺寸对预应力混凝土梁受力性能分析的影响效果,通过3根实验梁受力全过程的仿真计算结果与实验结果的对比,表明所采用的ANSYS数值模型技术是合理可行的.     

预应力SRC梁-CFT柱节点试验研究及非线性有限元分析

基于预应力型钢混凝土(SRC)梁-钢管混凝土(CFT)柱节点的低周反复荷载试验,采用通用有限元软件ABAQUS,建立了综合考虑材料非线性、几何非线性以及接触非线性的有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上,对预应力SRC梁-CFT柱节点进行了参数分析,重点研究了轴压比、预应力、核心区混凝土的强度、核心区钢管壁厚等对节点受力性能的影响。结果表明,轴压比、核心区钢管的壁厚的影响较大。